由于能源短缺和环境问题的日益严重,可再生能源的开发利用受到世界各国的广泛关注。随着可再生能源技术的迅猛发展,风力发电技术日趋成熟,风电机组装机总量不断增加。传统的变速恒频风电机组需要使用变频器才能并网发电,存在齿轮箱故障率高、变频技术复杂等问题。由于单机容量的不断增大,其可靠性降低,平均故障维修时间增长;又由于故障增多,机组安装维护成本不断增加。传统的变速恒频风电机组制造、安装及运营维护已经遇到了瓶颈。为避免变频器给变速恒频风电机组带来的不利因素,满足日益严格的风电机组并网要求,提高风电机组的可靠性并延长其使用寿命,已经出现了基于液力调速技术的变速恒频风电机组。风电机组液力调速系统通过自动调节可调导轮叶片实现同步发电机恒转速运行,保证机组发电频率恒定,直接产生高质量的电能。其中导叶可调式液力变矩器在整个传动链中起控制和阻尼作用,能够减小系统的动态转矩波动,抑制传动系统的冲击载荷。液力调速风电机组具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优势。本文依托教育部高等学校博士学科点专项基金“风电机组导叶可调液力机械调速系统研究”(20100061120057),深入研究了变速恒频风电机组中的液力调速系统,主要研究工作和相关结论如下。1.导叶可调式液力变矩器是风电液力调速系统实现变速恒频的核心控制元件。为研究导叶可调式液力变矩器的内特性,设计并制作了透明导叶可调式液力变矩器。采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,分析了不同开度下导叶可调式液力变矩器的内部流动规律,并进行了粒子跟踪测速(Particle Tracking Velocimetry)试验,验证了CFD仿真结果的准确性和精度。通过CFD计算得到了导叶可调式液力变矩器的内特性、外特性和导叶调节特性,为导叶可调式液力变矩器作为控制元件应用于液力调速系统奠定了基础。2.对实现风电机组变速恒频功能的风电液力调速系统进行研究。根据液力调速装置的转速转矩方程,得到其整体传动效率以及导叶可调式液力变矩器传递功率占液力调速装置输入功率的比例。以导叶可调式液力变矩器的泵轮输入功率与液力调速装置的输入功率比值小于30%为目标,设计了循环圆有效直径D=425mm的导叶可调式液力变矩器;根据其CFD数值仿真结果,得到了其不同开度下的原始特性,建立了导叶可调式液力变矩器的数学模型。考虑到样机的制造成本,设计了行星排参数1?=2、2?=5和变矩器循环圆有效直径D=425mm的300k W风电液力调速功能样机。3.相似放大相同原始特性的循环圆有效直径D=425mm导叶可调式液力变矩器,研究了工程实际应用的2MW风电液力调速系统。结合风电机组液力调速装置的数学模型,计算得到了循环圆有效直径D=800mm,行星排参数1?=2和2?=4的风电液力调速装置的运行特性。根据风电液力调速装置的运行特性,对影响液力调速装置调速范围及效率的行星排参数1?和2?以及导叶可调式液力变矩器循环圆有效直径D进行了分析。制定了结构参数选取的原则,优化后的2MW风电液力调速装置行星排参数为1?=2和2?=5,循环圆有效直径为D=750mm。4.根据2MW变速恒频风电机组的运行特点,结合开闭环控制,提出并设计了采用频率切换策略的液力调速双模控制系统。建立了2MW液力调速装置控制系统仿真模型,对液力调速过程进行了动态仿真。由于试制的样机为300k W,所以采用同样的理论和方法,对风电液力调速功能样机运行特性进行了分析。基于样机参数,建立了样机的控制系统仿真模型并进行仿真模拟。仿真结果表明,双模控制系统能够精确控制同步发电机转速,并具有较快的响应速度。5.为检验风电液力调速装置的调速性能,验证所提出的双模控制系统的实际控制效果,对300k W风电液力调速功能样机进行了试验研究。试验测试了开环、闭环和双模控制三种不同控制算法下,风电液力调速装置的调速效果。试验结果表明,双模控制算法将开环控制与闭环控制相结合,提高了控制系统的响应速度和控制精度,实现了风电液力调速装置输出转速的快速精确控制。将仿真结果与试验结果进行对比,验证了控制系统仿真模型的正确性。