风力发电液力机械传动装置的特性及设计

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1、万方数据第33卷第4期2012年4月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARlSSINlCAV01．33．N0．4Apr．，2012文章编号：0254枷％(加12)∞J屿7lJ嘶风力发电液力机械传动装置的特性及设计闰国军，董泳(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院．哈尔滨150001)摘要：分析了液力机械传动装置主要参数对风力发电系统性能的影响规律，给出了这砦参数的设计原则。建立了数学模型。得到液力机械传动装簧的效率等性能指标，液力机械传动的效率在额定功率转速范围内可达92％一94％。风力发电要求变矩器的高效率范围宽。转速比较低，应选用双涡轮液力变矩器。液力机械传动要在整个

2、工作范围内获得高效率。必须保证风力机、行星排和变矩器的合理匹配。关键词：风力发电；液力传动；变矩器；液力机械中国分类号：u463．22文献标识码：AO引言风力发电是新能源中技术最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，兆瓦级风力机已广泛应用于大多数风力电站，单机容量已达5MW。随着风力发电机单机容量的不断增大，变速恒频变桨距型风力机逐渐占据风力发电机的主导地位，常用的是双馈发电机和直驱式永磁发电机组。双馈发电机系统根据风力机的转速变化与电网电压频率的要求，通过变流器给发电机转子送入相应转差频率的励磁电流，使定子绕组发出的电压频率与电网相同，这种方案是当前实现变速恒频的常用

3、方案¨“J，在欧美等风电发达国家得到迅速发展，兆瓦级变速恒频风力发电机组已投入使用。但其总效率不高，平均无故障运行时问较短、成本较高、重量大，且频率不稳定。直驱式永磁发电机组用变频器将风力发电机发出的频率变化的交流电转换为与电网频率、幅值和相位相同的电压后送入电网。这种方案结构简单、系统可靠性高，可解决频率不稳定性问题，但变频器本身质量较大，随着风力发电机组的大型化，变频器的质量、体积越来越大⋯。目前开始研究一种采用液力机械传动的风力发电传动装置，可保证输出转速不变，从而可采用普通的同步发电机，其结构如图l【4jJ。该传动装置由主增速器、行星排和导叶可调式双涡轮液力变矩器(

4、以下简称变矩器)组成，行星排和变矩器构成液力机械传动。根据式(1)，行星排结构参数a，、a：和主增速比ii确定之后即为常数，当风力机的转速n，变化引起发电机转速变化时，通过导叶调节机构调节变矩器第二导轮的叶片角。改变变矩器的涡轮输出转速狮，从而保持行星排输出转速即发电机转速‰=1500r／min基本不变。图1风力发电液力机械传动装置Fig．1Windpm吧rhydro·mecharLicaltmnBmi鼹iondevice风力发电应用液力机械传动装置，除可采用普通同步发电机外，还具有以下优点：1)变矩器的传动功率与其标志性几何尺寸即循环圆直径的5次方成正比，在传递大功率时体

5、积小、重鼍轻、成本低；2)变矩器各工作轮之间有数毫米的间隙，对油污染不敏感，可在较恶劣的环境下可靠工作，寿命长；收稿日期：2010讲JD5通讯作者：曰国军(1962一)，男，博士、副教授，主要从事流体机械及控制系统方面的研究。ym商@IIit．edu．cn万方数据太阳能学报33卷3)变矩器的泵轮输入和涡轮输出通过流体传递，属于柔性传动，具有减轻振动、冲击的能力，可大大延长机械传动如齿轮箱等的寿命。本文分析了液力机械传动装置主要参数对性能的影响规律，给出了这些参数的确定原则；建立了数学模型，得到液力机械传动装置的效率等性能指标。1液力机械传动装置主要参数的确定原则液力机械传动

6、装置的主要参数有行星排的结构参数％和理：、风力机到行星排的主传动比乇；变矩器设计转速比舔、循环圆直径D等。1．1行星排的结构参数嘶和啦液力变矩器涡轮输出转速为H1：n，：塑￡坐堕卫趣(1)nT2———i—一01，由式(1)得液力变矩器转速比：．厅T[nB一(1+a1)n，id]他，，’、‰2i2——■丽■一¨’风力机的最低转速n。。i。对应变矩器的最高转速比i他，最高转速％一对应变矩器的最低转速比i他。，则变矩器转速比的工作范围为：肚詈=筹*幕兰㈤lT刚凡B一～l+a1，，lr呲x‘d由式(3)可看出，行星排的结构参数Ⅱ。影响变矩器工作的转速比范围，a。越小，则变矩器工作的

7、转速比范围越小，由于变矩器效率随转速比变化是抛物线形状，因此d，越小，变矩器会在更高的效率范围内工作。取变矩器泵轮转速(同步发电机转速)n。=1500r／min，主传动增速比屯=25，对于2Mw的风力机，一般风力机转速的变化范围为n，=“．1—20．7r／Inin，计算变矩器转速比范围Ⅱ随a。的变化关系如图2。变矩器涡轮输出转矩为：坼2面赫r(4)由式(1)、式(4)可得变矩器涡轮输出功率和风力机功率比值为：K2杰(5)图2变矩器转速比工作范围Fig．2Speed蒯oope栅ngmrIge0ftorquec伽ven