30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台液压主传动系统效率分析

艾　超　陈立娟　孔祥东　李　昊　叶壮壮

1.河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，秦皇岛，0660042.燕山大学，秦皇岛,066004



30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台液压主传动系统效率分析

艾超1,2陈立娟1,2孔祥东1,2李昊2叶壮壮1,2

1.河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，秦皇岛，0660042.燕山大学，秦皇岛,066004

摘要：以30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台为研究对象，简要介绍了该实验台的基本结构、组成和工作原理。为深入了解该模拟实验台的效率，推导了适用于此种机型的闭式液压传动系统效率公式，并基于风电机组的关键控制技术——最大功率追踪控制技术，对实验系统进行了效率实验研究。最终验证了理论计算公式的准确性。

关键词：风力发电；液压传动；模拟实验台；效率测试

0引言

液压型风力发电机组是一种新型风力发电机型，与传统机型相比，有众多优势，如减小发电机体积、减轻机舱重量、省去庞大的整流逆变电力电子装置[1]。

风力发电机组的整机效率体现了风能转化为电能的效率，传统机型传动链采用齿轮箱，其传动效率是很高的，对于此种新型液压机型来说传动效率有待进一步研究。

针对风力发电机组效率以及泵控马达传动系统效率问题，国内外学者展开了一系列研究。文献[2]介绍了影响风电机组效率的最重要参数。文献[3]针对陆上风电场所处的环境，研究了陆上风力发电场驱动效率的问题。文献[4]针对闭式泵控马达液压系统效率问题，分析了变排量和变转速两种情况下系统的效率。

本文对燕山大学孔祥东教授团队在研究过程中搭建的30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台进行简单介绍，并以该实验台为平台对液压型风力发电机组液压主传动系统的效率进行理论与实验研究。

130 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台工作原理

30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台主要由风力机模拟系统、液压传动系统、并网发电系统和控制系统四部分构成，如图1所示，原理如图2所示。其工作原理为：变频器控制变频电机转动来模拟风力机；变频电机驱动定量泵转动，输出高压油驱动变量马达旋转；与马达输出轴刚性连接的发电机在马达的驱动下以同步转速运行，实现并网发电。在整个系统运行的过程中，通过主控制器控制变量马达斜盘摆角位置，实现马达转速控制和发电机发电功率控制[5-6]。

图1　30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台实物图

图2　30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台液压原理图

2液压主传动系统(定量泵-变量马达闭式系统)的效率建模

该风电机组中定量泵-变量马达闭式系统为恒流源工作状态，即正常工作状态下没有溢流[7-8]。由于液压型风力发电机组液压主传动系统工作时必须满足同步发电机准同期并网要求，故变量马达转速理论上要保持1500 r/min的同步转速不变。因此该闭式系统与传统定量泵-变量马达系统作为恒功率调速的应用不同，需要对此系统传统意义上的效率公式进行深入探索，以得到准确实用的液压型风力发电机组液压主传动系统的效率公式。

2.1传统闭式系统的效率建模

实验系统中定量泵采用轴向柱塞泵，效率主要受摩擦和泄漏的影响，随着系统工作压力的升高，摩擦泄漏量会有所增加。

2.1.1定量泵效率理论表达式

(1)定量泵容积效率[9-10]。液压泵的容积效率是指液压泵的实际输出流量Q1a与其理论输出流量Q1t之比。定量泵理论流量的计算公式为

Q1t=n1q1

(1)

式中，n1为定量泵转速；q1为定量泵理论排量，取63mL/r。

定量泵实际流量的计算公式为

Q1a=Q1t-ΔQ1

(2)

(3)

式中，Cs为无因次层流泄漏系数，取2×10-9。

于是，定量泵容积效率的计算公式为

(4)

(2)定量泵机械效率。液压泵的机械效率是指液压泵的理论输出功率与其实际输入功率之比，一般用液压泵的理论输出转矩T1t与其实际输入转矩T1a之比来表示。定量泵理论输出转矩为

(5)

定量泵实际输入转矩为

T1a=T1t+ΔT1

(6)

式中，ΔT1为定量泵内部存在的摩擦损失转矩；Cf为无因次机械摩擦因数，取0.01；CV为无因次层流摩擦因数，取3×105。

于是，定量泵机械效率为

(7)

(3)定量泵的总效率。液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率与输入功率之比，其表达式为

(8)

2.1.2变量马达效率的理论表达式

变量马达效率主要受摩擦、泄漏和马达斜盘摆角等因素的影响。

(1)变量马达容积效率。马达的容积效率是指液压马达的理论输入流量Q2t与实际输入流量Q2a之比。变量马达理论输入流量的计算公式为

Q2t=n2q2mγ

(9)

式中，n2为变量马达转速；q2m为变量马达最大理论排量，取40mL/r；γ为变量马达斜盘位置，区间为[0,1]。

变量马达理论实际流量的计算公式为

Q2a=Q2t+ΔQ2

(10)

式中，ΔQ2为变量马达的泄漏流量。

和定量泵的泄漏流量推导方式一样，变量马达泄漏流量为

(11)

于是，变量马达容积效率为

(12)

(2)变量机械效率。液压马达的机械效率是指液压马达的实际输出转矩T2a与理论输出转矩T2t之比。变量马达理论转矩的计算公式为

(13)

变量马达实际输出转矩的计算公式为

T2a=T2t-ΔT2

(14)

式中，ΔT2为变量马达摩擦损失转矩。

变量马达机械效率为

(15)

(3)变量马达的总效率。液压马达的总效率是指液压马达的实际输出功率与输入功率之比，其表达式为

(16)

2.1.3定量泵-变量马达传动系统的总效率

为了计算简便，方便分析，忽略传输介质在管道中的沿程损失、局部损失等,那么定量泵-变量马达传动系统的总效率为

(17)

2.2风力发电机组液压主传动闭式系统效率建模

公式推导前提条件为系统压力相对稳定，则流量连续性方程为

Q2a=Q1t-ΔQ1-ΔQ2

(18)

将式(1)、式(3)、式(9)以及式(11)代入式(18)可得

(19)

将式(19)代入式(4)、式(7)、式(12)和式(15)得：

定量泵容积效率为

(20)

定量泵机械效率为

(21)

变量马达容积效率为

(22)

变量马达机械效率为

(23)

式(20)～式(23)即为液压型风力发电机组定量泵-变量马达闭式系统的效率公式。从中可以看出，定量泵和变量马达的容积效率和定量泵的转速和变量马达摆角有关，定量泵和变量马达的机械效率除了和定量泵转速、变量马达摆角有关之外，还与定量泵与变量马达的固有参数Cs、CV、Cf有关。可以看出，简化后的公式与式(17)相比，减少了可变参数Δp、μ。

3主传动系统的效率实验

本文效率测试是在研究液压型风力发电机组的关键控制技术(最佳功率追踪)的过程中进行的。最佳功率追踪是在给定的风速下，控制系统控制风力机获取此风速下最大风能。由于系统只有在实际最大发电功率点效率才达到最高，因此只有在进行最佳功率追踪研究的过程中测试机组的效率才具有现实意义。给定风速阶跃7-8-9m/s和9-8- 7m/s，得到定量泵转速、变量马达斜盘位置以及发电功率曲线，如图3所示。

取功率平稳阶段实验数据进行研究。总实验时间是120s，从图中可以看出0～10s、60～70s、110～120s三段时间里发电功率已经相对平稳。其数据处理结果如表1所示。

通过以上三组数据的对比可知，由实验直接测得的效率与理论计算得到的效率比较接近。从而说明，在前提条件的约束范围内，理论推导的公式可以近似作为由定量泵-变量马达闭式传动系统组成的液压型风力发电机组的效率计算公式。

(a)定量泵转速(7-8-9 m/s)

(b)斜盘位置(7-8-9 m/s)

(c)发电功率(7-8-9 m/s)

(d)定量泵转速(9-8-7 m/s)

(e)斜盘位置(9-8-7 m/s)

(f)发电功率(9-8-7 m/s)图3　阶跃风速作用下最佳功率追踪实验曲线

表1　液压型风力发电机组效率测试结果

注：表中实际效率根据图3c和图3f实验数据所得；计算效率通过结合模拟得到的不同风速下风力机输出转速[11]和式(20)～式(23)计算所得。

4结束语

本文介绍了30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台的结构、组成和工作原理，详细推导了液压型风力发电机组闭式主传动系统效率计算公式，并以30 kV·A液压型风力发电机组模拟实验台为实验平台，通过实验数据和理论计算数据对比验证了效率公式的正确性。

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(编辑袁兴玲)

收稿日期：2015-11-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405423)；燕山大学青年教师自主研究计划课题资助项目(13LGB005)；国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心开放课题资助项目(NECSR-201305)

中图分类号：TH137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.002

作者简介：艾超，男，1982年生。燕山大学机械工程学院讲师、博士。主要研究方向为流体传动与控制。发表论文30余篇。陈立娟，女，1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。孔祥东，男，1959年生。燕山大学副校长、教授、博士研究生导师。李昊，男，1977年生。燕山大学车辆与能源学院副教授、博士。叶壮壮，男，1990年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。

Efficiency Analysis of Main Hydraulic Transmission System in a 30 kV·A Hydraulic Wind Turbine Simulation Experimental Platform

Ai Chao1,2Chen Lijuan1,2Kong Xiangdong1,2Li Hao2Ye Zhuangzhuang1,2

1.Hebei Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control Laboratory, Qinhuangdao， Hebei, 066004 2.Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Abstract:Taking 30 kV·A hydraulic wind turbine simulation experimental platform as the research object, the basic structure, composition and working principles of the experimental platform were briefly introduced herein. To further understand the efficiency of this simulation experimental platform, the efficiency formula for the closed hydraulic transmission system was derived, and based on the key control technology of wind turbine—maximum power point tracking control technology, the experimental study on the efficiency of the experimental system was conducted. Finally, the accuracy of theoretical calculation formula was verified.

Key words:wind power; hydraulic transmission; simulation experimental platform; efficiency test