馬文星 劉浩 劉春寶

(吉林大學 機械科學與工程學院， 吉林 長春 130022)

液力調(diào)速風電機組的傳動系統(tǒng)特性分析*

馬文星 劉浩 劉春寶?

(吉林大學 機械科學與工程學院， 吉林 長春 130022)

基于風電液力傳動裝置數(shù)學模型，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)性能的影響;根據(jù)導葉可調(diào)式液力變矩器的數(shù)學模型、傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩及能量平衡公式得到了液力調(diào)速裝置運行時的輸入、輸出特性，以及整個傳動系統(tǒng)的調(diào)速范圍和效率;定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)傳動效率的影響.結(jié)果表明:風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍及傳遞效率與液力傳動裝置的行星排參數(shù)、導葉可調(diào)式液力變矩器的循環(huán)圓直徑有關(guān);依據(jù)風輪輸入轉(zhuǎn)速合理地選取風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可保證液力調(diào)速風電機組的高效運行，還能提高風能利用率，降低風電機組的成本．

風電機組;傳動特性；液力調(diào)速系統(tǒng);匹配計算;結(jié)構(gòu)參數(shù);定量分析

在風力發(fā)電領(lǐng)域，大功率風電機組普遍采用變速方式運行，以提高風電機組的風能利用率[1- 2].與此同時，為了使發(fā)電機直接并網(wǎng)發(fā)電，變速運行風電機組需要配置變頻器加以調(diào)節(jié)，方可恒頻、恒壓輸出[3- 4].液力調(diào)速風電機組采用液力機械調(diào)速方式，可以直接將變化的風輪轉(zhuǎn)速變換為恒定的同步發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)速，再利用無刷勵磁同步發(fā)電機可直接并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)可靠且效率高，自適應(yīng)性較強，振動和沖擊較小，風能利用率較高[5- 6]．

到目前為止，對基于液力調(diào)速系統(tǒng)的風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)的研究，主要集中于其調(diào)速原理與控制方面.閆國軍等[7- 8]對液力變矩器與傳動鏈的匹配分析進行了研究，得到了定開度下液力系統(tǒng)的傳動效率.李奇敏等[9]對液力調(diào)速風電機組傳動鏈進行了系統(tǒng)建模與仿真研究.劉鑫等[10]建立了前端調(diào)速風電機組的仿真模型，分析了其傳動誤差.馬文星等[11- 12]對新型風電液力調(diào)速原理展開研究，分析了其功率分配，建立了傳動系統(tǒng)模型并進行仿真分析．

然而，由于液力調(diào)速傳動系統(tǒng)涉及到行星齒輪與導葉可調(diào)式液力變矩器的匹配計算，應(yīng)用固定開度的匹配計算方法，不僅不能準確計算其輸入、輸出特性參數(shù)，更不能定量分析液力調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對液力調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍及傳遞效率的影響．

為此，文中根據(jù)導葉可調(diào)式液力變矩器特性，利用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩方程，通過匹配計算得到了液力調(diào)速系統(tǒng)變開度時的輸入、輸出特性，并獲得了液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍及傳遞效率，分析了液力調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對液力調(diào)速系統(tǒng)特性的影響．

1 液力調(diào)速裝置匹配特性計算

圖1所示為液力調(diào)速風電機組簡圖，液力調(diào)速風電機組主要由風輪、增速齒輪箱、液力調(diào)速齒輪箱及無刷勵磁同步發(fā)電機組成.液力調(diào)速齒輪箱由兩個行星排和導葉可調(diào)式液力變矩器組成.風電機組在運行時，液力調(diào)速齒輪箱通過調(diào)節(jié)可調(diào)導葉，使得第一行星排的太陽輪輸出轉(zhuǎn)速保持恒定，滿足無刷勵磁同步發(fā)電機的正常工作要求[11- 12]．

圖1 液力調(diào)速風電機組簡圖

Fig.1 Sketch of wind turbine with hydrodynamic speed control system

液力調(diào)速齒輪箱的兩行星齒輪存在如下轉(zhuǎn)速關(guān)系:

nt+αnq-(1+α)nj=0

(1)

式中:nt、nq、nj分別為太陽輪、齒圈及行星架的轉(zhuǎn)速;α=zq/zt,zq和zt分別為行星排齒圈與太陽輪的齒數(shù)．

根據(jù)兩行星排的轉(zhuǎn)速關(guān)系式，可以得到恒定的發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)速與變化的液力調(diào)速裝置輸入轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系:

nG=nB=(α1+1)ni+α1nT/α2

(2)

式中，nG和nB分別為同步發(fā)電機和泵輪的輸入轉(zhuǎn)速，ni和nT分別為液力調(diào)速裝置的輸入轉(zhuǎn)速和渦輪的輸出轉(zhuǎn)速．

導葉可調(diào)式液力變矩器的轉(zhuǎn)速比為

iTB=nT/nB=[nB-(α1+1)ni]α2/(α1nB)

(3)

在Unigraphics NX中建立導葉可調(diào)式液力變矩器三維流道模型，通過Fluent設(shè)定CFD計算模型并進行仿真，可以得到導葉可調(diào)式液力變矩器的外特性參數(shù)[13].對于每一個導葉開度下，導葉可調(diào)式液力變矩器都可以得到一組原始特性曲線.定義導葉全開時導葉開度為x=1，導葉全閉時導葉開度為x=0.在不同可調(diào)導葉位置時，可得到不同的特性曲線(見圖2)．

(4)

TT=K(iTB,x)TB

(5)

在不考慮各傳動環(huán)節(jié)機械摩擦損失的前提下，行星排的轉(zhuǎn)矩方程為

圖2 導葉可調(diào)式液力變矩器特性

Tt=Tq/α=-Tj/(1+α)

(6)

式中，Tt、Tq、Tj分別為太陽輪、齒圈及行星架的轉(zhuǎn)矩．

對液力調(diào)速裝置進行靜力學分析，根據(jù)式(6)可以得到液力調(diào)速裝置的輸入轉(zhuǎn)矩Ti、輸出轉(zhuǎn)矩TG與導葉可調(diào)式液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩TB、渦輪輸出轉(zhuǎn)矩TT之間的關(guān)系:

Ti=α1(1+α1)TT/α2

(7)

TG=α1TT/α2-TB

(8)

由式(7)可知，導葉可調(diào)式液力變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩與液力調(diào)速系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與導葉可調(diào)式液力變矩器的開度及轉(zhuǎn)速比無關(guān)[8，12]．

針對等開度情況下液力調(diào)速裝置導葉可調(diào)式液力變矩器的泵輪、渦輪的轉(zhuǎn)矩特性，研究液力調(diào)速裝置靜態(tài)時不同開度下的工作特性.文中基于泵輪、渦輪的轉(zhuǎn)矩特性及行星排轉(zhuǎn)矩平衡方程，可以得到液力調(diào)速裝置不同開度下的輸入-輸出特性.不同開度下液力調(diào)速系統(tǒng)的輸入-輸出特性如圖3所示，其中風電液力調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)如下:輸入轉(zhuǎn)速為375～500 r/min，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min(50 Hz)，額定功率為2 MW，α1=2，α2=5，D=0.75 m.由圖3可知，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加，液力調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率逐漸增大，每一個開度下均對應(yīng)著一條輸出功率曲線，且隨著開度的增大，輸出功率呈遞增趨勢．

圖3 不同開度下液力調(diào)速系統(tǒng)的輸入-輸出特性

Fig.3 Input and output characteristics of hydrodynamic speed regulating system under different opening

2 液力調(diào)速裝置特性分析

2.1 風電液力調(diào)速系統(tǒng)的輸出特性

結(jié)合已有的變速運行風電機組的運行特性，液力調(diào)速風力發(fā)電機組主要有3種典型工況:啟動工況、欠功率工況和額定工況[14].啟動工況下液力調(diào)速系統(tǒng)不起調(diào)速作用.欠功率工況下液力調(diào)速風電機組基本工作在恒開度狀態(tài)，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，液力調(diào)速齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)矩增大，而渦輪的轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩增大.這與風力機的輸出特性相適應(yīng)，是液力變矩器本身自適應(yīng)的體現(xiàn).在恒功率階段，通過槳距控制調(diào)節(jié)風輪吸收的功率，使風機吸收的功率近似恒定.隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，液力調(diào)速齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)矩減小，渦輪的轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩減小.需要通過調(diào)節(jié)導葉可調(diào)式液力變矩器的導葉開度來調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速，以保持發(fā)電機恒轉(zhuǎn)速運行[15]．

文中以0.8開度為設(shè)計開度，欠功率工況下導葉開度為0.8.圖4為液力調(diào)速風電機組運行時液力調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率.在欠功率階段，利用導葉可調(diào)式液力變矩器的特性，可調(diào)導輪開度只需要做微小的調(diào)節(jié)，即可以將變化的輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ妮敵鲛D(zhuǎn)速.在恒功率階段，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，為保持液力調(diào)速系統(tǒng)正常運行，導葉開度逐漸減小(見圖5)．

圖4 風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率

Fig.4 Output power of hydrodynamic speed regulating system for the wind turbine

圖5 風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的可調(diào)導葉開度

Fig.5 Guide vanes’ opening of hydrodynamic speed regulating system for the wind turbine

2.2 風電液力調(diào)速裝置的傳動效率

風電液力調(diào)速系統(tǒng)的能量平衡方程為

Tini+TTnT-TBnB+TGnG=0

(9)

可以得到風電液力調(diào)速裝置的傳遞效率為

(10)

由式(10)可以看出，風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的傳遞效率與液力傳動裝置的行星排參數(shù)(α1、α2)和導葉可調(diào)式液力變矩器的循環(huán)圓直徑(D)有關(guān).因為導葉可調(diào)式液力變矩器只傳遞其中的部分功率，所以傳動系統(tǒng)可以保持相對較高的效率，特別是額定工況時，傳動系統(tǒng)的最高效率可以達到94.7%，如圖6所示[16]．

圖6 風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)效率

Fig.6 Efficiency of hydrodynamic speed regulating system for the wind turbine

導葉可調(diào)式液力變矩器渦輪、泵輪功率與輸入功率的比值φB和φT分別為

(11)

(12)

由式(11)、(12)可以看出，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加，渦輪與泵輪所傳遞的功率與輸入功率的比值逐漸減小，液力變矩器所傳遞的功率占總輸入功率的比值逐漸降低，系統(tǒng)的傳遞效率逐漸增大[17]．

3 液力調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響

3.1 行星排參數(shù)的影響

3.1.1α1的影響

保持參數(shù)α2=10不變，α1取不同值時液力調(diào)速系統(tǒng)的特性曲線如圖7所示.由圖7(a)可知，α2

保持不變，α1取不同值時液力調(diào)速系統(tǒng)的傳遞效率均隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小.由于輸入轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)傳統(tǒng)導葉可調(diào)式液力變矩器的轉(zhuǎn)速比逐漸減小，在恒開度階段，液力變矩器變矩比K隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大，因此系統(tǒng)的傳遞效率逐漸增大.在恒功率階段，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，導葉開度逐漸減小，此時液力變矩器變矩比K隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大而減小，系統(tǒng)的傳遞效率逐漸減小.當α2保持不變時，隨著α1的增大，系統(tǒng)傳遞效率的變化范圍逐漸減小，即液力調(diào)速系統(tǒng)的最低傳遞效率值越來越大，而最高傳遞效率值則越來越小.隨著α1的增大，液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍先增大后減小.從圖7(b)可知:在啟動工況點，泵輪吸收功率的比值為1，泵輪吸收的功率正好等于液力調(diào)速裝置輸入的功率，液力調(diào)速裝置開始正常工作;隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，泵輪吸收功率的比值逐漸減小，在額定工況點只有0.15左右，風電液力調(diào)速裝置具有較高的傳遞效率.從圖7(c)可以看出，輸入轉(zhuǎn)速增大時，渦輪輸出功率占輸入功率的比例逐漸減小到0.渦輪輸出功率的比值為0時，正是渦輪轉(zhuǎn)速為0的工況，即失速工況．

3.1.2 α2的影響

α1=2和不同α2情況下，液力調(diào)速系統(tǒng)的特性曲線如圖8所示.從圖8(a)可知，α1保持不變時，隨著α2的增大，效率的變化范圍逐漸增大，即液力調(diào)速系統(tǒng)的最低效率值越來越小，而最高效率值則越來越大.隨著α2的增大，液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍逐漸減小.由式(2)可知，液力調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，當α1=2時，液力調(diào)速系統(tǒng)的最大輸入轉(zhuǎn)速為500 r/min，隨著α2的增大，系統(tǒng)最小輸入轉(zhuǎn)速逐漸增大，其調(diào)速范圍逐漸減小.從圖8(b)可知，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，泵輪吸收功率的比值逐漸減小，這樣能夠保證液力調(diào)速系統(tǒng)具有較大的傳遞效率.在同一輸入轉(zhuǎn)速情況下，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，α2越小泵輪吸收功率的比值越小，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)，α2越小泵輪吸收功率的比值越大.隨著α2的增大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)液力調(diào)速系統(tǒng)的最低傳遞效率越來越小，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)系統(tǒng)的最高傳遞效率越來越大.從圖8(c)可知，同一輸入轉(zhuǎn)速時渦輪輸出功率與輸入功率的比值保持不變，渦輪輸出功率比曲線出現(xiàn)部分重疊(虛直線表示α2不同時，渦輪輸出功率比曲線的起點位置，終點位置均為500 r/min).隨著α2的增大，渦輪輸出功率的比值越來越小，系統(tǒng)傳遞效率比卻沒有全部增大，只是在額定工況區(qū)，最高效率越來越大，在啟動階段，最低效率越來越小，且隨著傳遞范圍的減小，系統(tǒng)的高效區(qū)范圍變小．

圖7 α1取不同值時液力調(diào)速系統(tǒng)的特性

3.1.3 α2/α1的影響

當φ(φ=α2/α1)恒定時，液力調(diào)速系統(tǒng)的特性曲線如圖9所示.隨著α1的增大，液力調(diào)速系統(tǒng)效率曲線向左移動，調(diào)速范圍逐漸減小，但系統(tǒng)傳遞效率變化趨勢保持不變.液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍與α1有明顯的比例關(guān)系.只要輸入轉(zhuǎn)速ni與α1成倍數(shù)關(guān)系，那么系統(tǒng)的傳遞效率相同.因此，當需要在系統(tǒng)傳遞效率不變情況下增大系統(tǒng)的調(diào)速范圍時，只需要保持φ的值不變，同時減小結(jié)構(gòu)參數(shù)α1、α2的值.由圖9(b)、9(c)可知，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，泵輪吸收功率、渦輪輸出功率的比值均逐漸減小，且變化趨勢完全相同.因為泵輪吸收功率、渦輪輸出功率與輸入功率的比值變化趨勢相同，所以液力調(diào)速系統(tǒng)的傳遞效率的變化趨勢也相同．

在實際的風電機組中需要考慮整個風電機組的運行范圍，使得機組在在運行范圍內(nèi)，特別是額定轉(zhuǎn)速時，效率盡可能的高，以保證風輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率值滿足要求，進而保證整個風電機組傳動系統(tǒng)高效運行．

3.2D的影響

液力變矩器設(shè)計的問題，是針對已有導葉可調(diào)式液力變矩器的匹配問題，即選取合適的循環(huán)圓直徑，使得風電液力調(diào)速系統(tǒng)效率最優(yōu)．

在α1=2、α2=5時，分析欠功率情況下風電液力調(diào)速裝置的傳遞效率.根據(jù)相似原理，增大液力變矩器循環(huán)圓直徑D，其能容增大，液力變矩器泵輪吸收的轉(zhuǎn)矩增大.圖10(a)為欠功率工況下泵輪吸收的功率比.保持行星排參數(shù)不變，液力變矩器吸收的功率隨著循環(huán)圓直徑的增大而逐漸增大(虛直線表示不同循環(huán)圓直徑D時，泵輪吸收功率比曲線的終點位置、起點位置均相同).循環(huán)圓直徑變化時液力調(diào)速系統(tǒng)在欠功率工況下的效率曲線如圖10(b)所示，隨著導葉可調(diào)式液力變矩器循環(huán)圓直徑D的增大，額定工況點的效率先增大后減小(虛直線表示不同循環(huán)圓直徑D時，液力調(diào)速裝置在額定工況下的效率).其原因為導葉可調(diào)式液力變矩器吸收的功率一直在增大，但渦輪輸出的功率不變，使得導葉可調(diào)式液力變矩器的工況點只有在最高效率區(qū)時，才能保證系統(tǒng)的額定工況點在最高效率值附近．

圖8 α2取不同值時液力調(diào)速系統(tǒng)的特性

圖9 φ不變時液力調(diào)速系統(tǒng)的傳遞效率

圖10 欠功率工況下液力調(diào)速系統(tǒng)的特性

Fig.10 Characteristics of hydrodynamic speed regulating system under partial power condition

4 結(jié)論

文中基于風電液力傳動系統(tǒng)模型，提出了風電液力調(diào)速系統(tǒng)匹配計算方法，并計算得到了風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的輸入、輸出特性.研究發(fā)現(xiàn)，風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍及傳遞效率與液力傳動裝置的行星排參數(shù)(α1、α2)、導葉可調(diào)式液力變矩器的循環(huán)圓直徑(D)有關(guān)．

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的液力調(diào)速系統(tǒng)特性，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對風電液力傳動系統(tǒng)性能影響規(guī)律，并給出了這些參數(shù)確定的原則:①行星排的機構(gòu)參數(shù)α1增大，調(diào)速范圍先增大后減小，最高效率值減小，最小效率值增大;②行星排的機構(gòu)參數(shù)α2增大，調(diào)速范圍減小，最高效率值增大，最小效率值減小;③行星排的機構(gòu)參數(shù)α1、α2的比值φ相同時，調(diào)速范圍與α1成反比，效率曲線相似;④在行星排參數(shù)不變時，導葉可調(diào)式液力變矩器循環(huán)圓直徑D增大，額定工況點的效率先增大后減小，每一組行星排參數(shù)都存在一個最佳的循環(huán)圓直徑D，使得系統(tǒng)的傳遞效率最大．

根據(jù)上述原則，依據(jù)風輪的輸入轉(zhuǎn)速合理地選取風電機組液力調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅可保證液力調(diào)速風電機組的高效運行，還能提高風能利用率，降低風電機組的成本．

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Characteristic Analysis of Drive System of Wind Turbines with Hydrodynamic Speed Regulation

MAWen-xingLIUHaoLIUChun-bao

(School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, Jilin, China)

Firstly, on the basis of the mathematical model of hydrodynamic drive systems applied to wind turbines, the influences of main structural parameters on the performance of hydrodynamic speed regulating system applied to wind turbines are analyzed. Then, the input/output characteristics of hydrodynamic speed regulating system, as well as the speed range and efficiency of the whole system, are determined according to the mathematical model of hydrodynamic torque converter with adjustable guide vanes as well as the torque and energy balance equation of the drive system. Finally, the transmission efficiency of the system at various structural parameters is quantitatively analyzed. The results indicate that both the speed range and the efficiency of hydrodynamic speed regulating system are related to the parameters of planet gears and the effective cycle round diameter of hydrodynamic torque converter with adjustable guide vanes; and that, according to wind turbine’s input speed, the structural parameters of hydrodynamic speed regulating system can be reasonably selected, which not only ensures the efficient operation of wind turbines but also improves the utilization rate of wind energy and reduces the cost of wind turbines．

wind turbines;drive character;hydrodynamic speed regulating system; matching computation; structural parameter; quantitative analysis

2016- 07- 07

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130102023JC) Foundation item: Supported by the Science and Technology Development Plan of Jilin Province(20130102023JC)

馬文星(1962-),男,教授,博士生導師,主要從事液力傳動與自動變速研究.E-mail:mawx@jlu.edu.cn

?通信作者: 劉春寶(1980-),男,副教授,博士生導師,主要從事液力傳動與自動變速研究.E-mail:liuanbc@126.com

1000- 565X(2017)05- 0031- 07

TH 137.332

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.005