風電設備中液壓技術的應用與分析

劉　磊,王海霞（巨力索具股份有限公司重工配件技術部,河北 徐水 072550）

風電設備中液壓技術的應用與分析

劉磊,王海霞
（巨力索具股份有限公司重工配件技術部,河北 徐水 072550）

現代風機向大型化的方向快速發(fā)展，液壓設備因其獨有的特性在風電設備中應用廣泛。本文討論了液壓技術在風電設備的制動系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)以及最新的全液壓風機等方面的應用，并對液壓系統(tǒng)的油品、選材、維護等性能要求進行了分析。

風電設備；液壓技術；應用

作為舉世關注的綠色能源，風電產業(yè)迅猛發(fā)展，風電設備單機容量不斷增大。液壓設備由于單位體積小、自重小、可靠的控制精度以及良好的動態(tài)響應等特性在風電設備中應用廣泛[1]。液壓技術在風電設備中的應用主要在風機的制動系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)。近年來，全液壓風機的研究已經展開，這是大規(guī)模應用液壓技術的全新概念風機，是風電一個非常重要的發(fā)展趨勢。

1　風機制動系統(tǒng)

風機制動系統(tǒng)包括高速軸制動器、偏航制動器和轉子鎖定裝置，一般由一臺液壓站通過不同的控制回路分別對其進行控制。如果風機僅制動系統(tǒng)采用液壓控制，則液壓站油箱容積較小，一般在10L左右即可。

高速軸制動。高速軸液壓制動器一般設計為一個或兩個，工作壓力在7-8MPa，主要功能是保護風機。風機未運行時，制動器由彈簧作用使制動鉗和剎車片夾緊高速軸制動盤，使風機處于停機狀態(tài)。風機啟動時，液壓站向工作回路供油并使蓄能器充油，供油壓力驅動制動鉗松開使剎車釋放，風機啟動。風機正常運行時，液壓站處于停止狀態(tài)，蓄能器維持系統(tǒng)油壓使制動器處于釋放狀態(tài)，由于泄漏等因素造成壓力下降到設定值后，液壓站啟動向系統(tǒng)供油增壓。風機正?；蚓o急停機時，液壓系統(tǒng)卸荷，制動器在彈簧力作用下使剎車片加緊制動盤，風機停機。

偏航制動。偏航液壓制動器一般設計為五個或六個，工作壓力在14.5-16MPa，主要功能是使風機對準風向以及解纜等。風向變化時，為使風輪正對風向，偏航系統(tǒng)啟動并調整機艙方位角度。偏航過程中為避免機組產生過激振動等問題，偏航制動必須提供與驅動力矩相匹配的阻尼力矩，該阻尼力矩由液壓制動器提供。風機不偏航時，偏航制動系統(tǒng)自動鎖緊使風機迎風運轉。

轉子鎖定。風場的風機運行維護手冊中均嚴格規(guī)定，工作人員如需登上或進入輪轂，必須進行轉子鎖定以確保人員安全。轉子鎖定裝置有手動型和液壓型等，隨風電設備供應商的技術設計而定，應用均比較廣泛。目前應用較多的是力士樂、哈威等品牌的液壓元件，可通過液壓系統(tǒng)控制完成轉子的鎖定與解鎖。

2　風機變槳系統(tǒng)

風機變槳系統(tǒng)通常有伺服電機驅動或伺服液壓驅動兩種。液壓驅動以其響應快、體積小和轉矩大等眾多優(yōu)點在風機變槳設備中應用廣泛，如VESTAS、EHN等國際著名風電公司的風機設備，尤其是2MW以上的大型風電設備大都采用液壓變槳系統(tǒng)。

液壓變槳系統(tǒng)的動力由液壓站提供，通過比例電磁閥等控制元件將液壓缸活塞的徑向往復運動轉變?yōu)樽儤S承的圓周運動從而帶動槳葉實現變槳距調節(jié)。

變槳距調節(jié)范圍是0~90°，其變槳動作一般分為以下三種情況：風速超過額定風速低于切出風速時的功率調節(jié)，該階段通過微調槳距角改變槳葉的攻角，調節(jié)風機的風能利用率，保證風機恒額定功率運行并改善風載情況，變槳距范圍在0~35°且變槳速度較小；風速超過切出風速時的保護性順槳，該階段變槳速度很大可達到10°/s，變槳范圍也很大，一般在35~90°；緊急順槳，風機從正常運行狀態(tài)正?；蚓o急停機，液壓變槳系統(tǒng)能在外部電力中斷的情況下繼續(xù)工作，并最大限度縮短風輪的慣性轉動時間。

變槳系統(tǒng)的工作液壓值通常設定在20MPa左右，不同風機設備制造商生產的風機液壓系統(tǒng)參數一般略有不同。如果風機上的液壓站同時供液壓制動和液壓變槳使用，并共用同一個液壓油箱，則油箱容積需要在100L以上。

3　全液壓風機

現代風機按傳動方式分類，可分為齒輪箱式風機、直驅式風機和全液壓風機三類。齒輪箱式風機由于齒輪箱制造困難，成本高，且故障率高，維修困難。

全液壓風機具有如下特點：

首先，風機傳動系統(tǒng)具有很好的柔性和靈活性，并且機組承載大，潤滑好，機組設計壽命長。

第二，全液壓風機由于規(guī)避了大量機械部件及復雜的控制系統(tǒng)，風機運行故障率低，故障停機時間很短，電能質量很高。

第三，全液壓風機在制造成本、采購成本、維護成本等方面都具有很大的優(yōu)勢。

第四，相比于其他兩種類型的風機，在機艙重量方面大大降低，如現在常見的1.5MW齒輪箱式風機僅齒輪箱重量在15t左右，機艙總重可達60t；2MW直驅式風機僅發(fā)電機重量就接近100t，機艙總重甚至達150t；而1.5MW全液壓型風機的液壓泵只有5t重，機艙重量相差非常懸殊。

4　風電設備液壓系統(tǒng)分析

由于風電設備一般位于偏遠地區(qū)或沿海近海，氣候條件十分惡劣，或風沙大，氣候干燥；或鹽霧大，腐蝕性強。這就對風電設備的可靠性、環(huán)境適應性、材料等的要求很高，液壓系統(tǒng)也不例外。

首先，液壓油方面，油品要求高清潔度，要有適宜環(huán)境及其變化的黏度，要有良好的低溫性能與黏溫性能，要有良好的抗氧化性能等。

第二，材料方面，液壓系統(tǒng)由液壓站、管路、密封件及各種控制閥構成，考慮風機運行環(huán)境，各種材料的選擇必須具有很強的環(huán)境適應性，同時還要考慮液壓油品與這些材料的兼容性等。

第三，維護方面，由于風機所處環(huán)境偏遠，人跡罕至，換油、維護等操作難度很大，液壓系統(tǒng)制造商有自己的維護計劃和要求，風電設備制造商也有風機通用的運行維護計劃，風場業(yè)主亦有自己的工作安排，因此，液壓系統(tǒng)的維護不一定會完全按相關的要求進行，這就對液壓系統(tǒng)長期無人值守維護方面的要求更高。

5　總結

本文對液壓技術在風電設備中的應用進行了研究并進行了相關分析討論，目前在風機制動系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)中應用最廣，未來會在全液壓風機中大量應用。風電液壓系統(tǒng)對液壓油品、選材、維護等方面都有很高的要求。

[1]賈福強等.風力發(fā)電中液壓系統(tǒng)的應用概述[J].液壓氣動與密封,2010(08):11-14.

[2]TonyBurton等著;武鑫等譯.風能技術[M].科學技術出版社,北京,2014.