风力发电机组液压系统的组成

知识点：风力发电机组

风机是有许多转动部件的。机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。

1、驱动系统

风力发电机使用两个驱动系统，即制动系统(偏转器和主轴一高速轴回转系统)和叶片角度控制及机舱偏转器回转控制系统。制动系统用液压控制，而叶片和偏转器的控制则用液压或电气驱动方式。采用那一种传动的争论在风力发电机的设计中也不例外。至于采用液压还是电气来控制叶片角度的输出功率、速度或频响，一般取决于制造厂家的经验而定。

2、变桨控制系统

叶片角度（变桨）控制系统设计时主要应考虑当风力发电机遇到像台风等强风力时，机组能立即停止运行，以使电源中断，而此时的叶片需要控制在和风向相平行的位置上，确保叶片不再转动，电源中断后，机组的能量贮存系统开始工作，如液压蓄能器或蓄电池。用液压控制时，用液压直线驱动器(液压缸)，用电气控制时，采用电气回转式驱动器。装在主轴内的液压直线驱动器，及停止时应用的蓄能器也装在轴内。

国外液压直线驱动器是将液压、电子、电气的优点融合在一起的液压直线驱动装置（Electro-hydraulic system），简称Hybrid 系统，这种系统节能是值得提倡。

这种由液压缸、液压泵、AC 马达、蓄能器、电磁阀、传感器和动力源组成的集成式电气液压伺服驱动系统具有动态性能好，输出功率大，电气安装性和维护性好等优点。它可以降低液压系统的缺点，如漏油和油污染的影响，使可靠性得到显著提高，而当电力中断时，又能充分显示出液压传动的优点，即和液压缸串联的液压缸，从蓄能器获得供油，使叶片迎风面和风向平行，使叶轮停止转动。液压系统由带位置传感器的液压缸和双向供油的齿轮泵直接供油，中间没有阀，减少了压力损失和漏油点，这种系统比伺服控制系统节能40％以上。

除上述Hybrid 系统外，在国外，叶片角度控制和偏转器回转也有采用直线式电液伺服比例液压缸和回转型液压比例伺服驱动马达的。这些系统具有动静态性能好，寿命长等优点，但在节省能耗和油液污染度等方面较Hybrid 系统差。

目前世界各大公司提供的风电液压系统，广泛采用比例伺服闭环控制系统。AAAA美国Parker 公司为风力发电提供各种液压元件和成套风电系统(包括制动、偏转器和叶片角度等的控制系统)。角度控制系统由特殊设计的液压缸组成，装在风轮轮毂内，液压缸内装有位置传感器，缸上还集成了所需的液压阀，每台风电设备都设有二三套独立的角度控制系统(每个叶片一个)。该系统具有高可靠性和安全性，动静态性能好，维护方便，泄漏少等优点。系统采用高性能比例伺服控制可以由模拟信号或数字信号控制。Parke 公司提供的阀总成预先都经过严格验，可减少安装调试时间，降低成本，还可节省运行维护费用。液压源由过滤性能良好的单独液压站提供。偏转器回转系统具有良好的保持叶片正确与风向对中，使风力发电具有良好的性能。Parker 公司可提供电控和液压控制两种系统，液压系统可实现更加紧凑的直接驱动，还具有良好的过载保护，避免部件损坏，系统采用闭环比例伺服控制，动态和静态性能好。Parker 公司为和上述三个系统配套，还提供独立的过滤性好并可在停电故障时，由蓄能器提供的液压动力源，保证安全停止和机组安全。

美国伊顿（Eaton）公司在风力发电液压控制系统方面做了不少研究工作，所提供的风轮叶片角度闭环比例控制系统可承受高温、低温的工作条件，系统的动静态性能好、位置精度高。

德国博世力士乐公司是欧洲风力发电液压系统和电气系统的供应商，可以成套提供机组用的增速齿轮箱、制动系统、风轮叶片控制系统、偏转器控制系统。根据用户需要可提供电气控制系统和液压比例伺服闭环系统。液压驱动系统已广泛用于大型风力发电机组。

变桨控制系统实例：

美国Zond 公司的Z- 40型液压变桨距控制机构

该液压变桨距控制机构属于电液伺服系统，典型的变桨距液压执行机构原理如上图所示。桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接,节距角的变化同液压缸位移基本成正比。当液压缸活塞杆朝左移动到最大位置时,节距角为88°,而活塞向右移动到最大位置时,节距角为- 5°。在系统正常工作时,两位三通电磁换向阀a ,b ,c 都通电,液控单向阀打开,液压缸的位移由电液比例阀换向阀进行精确控制。在风速低于额定风速时,不论风速如何变化,电液比例换向阀维持桨叶节距角为3°,考虑到油缸的泄漏,电液比例换向阀进行微调,保持节距角不变;当风速高于额定风速时,根据输出功率,利用电液比例换向阀精确改变输出流量,从而控制桨叶的节距角,使输出功率恒定。

3、液压制动系统

机舱和主轴一高速轴回转系统采用液压圆盘片式制动器主轴高速轴回转系统是供直径60～100m 的叶片的制动用。急剧制动会使叶片及回转系统产生强烈振动，并产生很大负荷。为此，需对轴的转速进行反馈，采用由改变幅度来调整制动压力的方法(软制动)，可以将负荷减轻数倍。

Parker 公司、Eaton 公司和力士乐公司也生产圆盘叶片式制动系统，可以经受恶劣条件，安全性好。泄漏少，体积小，节省空间，液压源由单独液压站供应。

液压制动系统实例丹麦BONUS-150KW风机刹车液压系统

1）起动开机：当控制系统发出起动命令（可以是自动或手动），电机立即起动，压力由“P”口进入阀块，阀块左半部分为供叶尖压力部分；右半部分为圆盘闸提供压力。电机起动同时，电磁阀10#、11#均带电由接通变为关闭状态，压力油只能沿单向阀6#-2进入右半部分，当压力值达到由压力开关7#调定的10.3MPa时, 阀门10#打开，压力开始进入叶尖部分，使叶片阻尼板收回，同时还将打开电磁阀12#，关闭电磁阀13#，使圆闸盘的压力卸压，做好起动的准备。当叶尖收起后圆闸盘也同时被松开，当压力开关15#的压力达到7MPa时，电机停止转动。17#、18#为蓄能器，利用被压缩的气体来贮藏压力油中的能量，以补充在运行过程中由于叶尖阻力板和圆闸盘的泄露，减少电机的频繁起动。

2）刹车停机：当风力控制系统的停机命令发出后，电磁阀10#立即带电、11#失电，关闭10#电磁阀，打开11#电磁阀，然后使12#、13#电磁阀失电，即打开13#，关闭12#，结果在叶尖阻尼板被弹出之后，圆盘闸也动作刹车使风力机平稳的停机。

3）性能特点

从设计机构上来看，这种风力机的制动力矩来源于两个方面，一是叶尖阻尼制动，二是圆盘闸刹车制动，制动力矩均在低速轴上，这样在刹车过程中对齿轮箱的冲击力小。除此之外还有以下几个特点：

a）刹车过程平稳，振动小，由于刹车过程中首先由均匀分布的三个叶片的叶尖阻尼极动作，降低速度，然后再由圆盘闸制动，这就使刹车过程变得较为平稳；

b）刹车机构相互独立：该刹车系统的两套刹车机构是相互独立的，即不会由于一套刹车系统失灵而造成另一套也失去工作能力，例如当液压系统故障，压力建立不起来，圆盘闸不能正常刹车时，叶尖阻尼板恰好因为失压而被弹出来，起到了阻尼刹车作用，这样增强了该刹车系统的可靠性。

c）设有失速保护机构：该刹车系统在叶片根部装有一个离心式压力缸，当风力机失去控制而将飞车时，在离心力的作用下，使得压力上升到压力开关14#的调定值，14#动作而被打开，飞车安全阀16#被接通，叶尖阻尼板中的压力被泄放，阻尼板弹出，起到了保护作用。

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