液壓設備在大中小型風機系統中的應用 

一、液壓技術在風力發電機系統中的重要性

自19世紀70年代世界石油危機以來，歐美各國加快了對風電發電的研究，風電技術日趨成熟，風力機組向大型化方向發展。目前，在歐美等國生產的中大型風機中，安全與功率控制單元幾乎都是液壓系統控制的。

風輪的轉速隨著風速的變化而變化，假如沒有可靠的安全制動裝置，隨著風速的增大，將會使風輪的超速造成風機的損壞。安全液壓制動系統在保證風力發電機組的正常發電、防止事故發生、對風機啟動和停機控制起到不可或缺的作用。

理論上，風速是無限的，發電機的輸出功率也是無限的，但是還是要受到電機和變速箱轉速限制以及電機和其他電氣元件的功率限制，風機輸出電能不能超過發電機額定輸出功率。而風機功率控制系統將有助于風力發電機組的使用壽命，減小風力對槳葉的沖擊?，F在常見的大中型水平軸風力發電的功率控制采用定槳距控制或變槳距控制，而這兩種控制方式大多采用液壓系統。從發展趨勢來看，風力發電機的偏航迎風結構，也會因液壓傳動扭矩大、結構簡單、重量輕、容易實現遠距離自動控制的特點，取代機械傳動，實現液壓控制偏航迎風系統。

二、風機液壓制動系統

對于不同型號的風機，制動系統的機械卡緊結構不盡相同。如NTK300采用安裝在齒輪箱體高速軸兩側的制動鉗制動，丹麥麥康公司采用的兩剎車片抱緊剎車圓盤制動等等。但是無論制動卡緊機構采取何種形式，起原理相同，制動的驅動力也都來自液壓力。

當風機啟動時，要求剎車釋放，此時電磁鐵換向閥通電，回油路斷開。液壓泵供油時，油液通過單向閥進入油缸，蓄能器充油，當供油壓力大于剎車制動力，推動液壓缸活塞向左運動，制動鉗或剎車片松開，剎車釋放。當風機正常工作時，油液泵停止工作，系統壓力由蓄能器提供，維持剎車釋放狀態，知道由于泄露造成壓力下降，壓力繼電器發訊號，液壓泵工作，向系統提供油液。當風力發電機停機時，要求剎車抱緊，電磁換向閥斷電，液壓缸的油液回油箱，系統壓力卸荷，在剎車彈簧力的作用下，制動鉗或剎車片抱緊，風輪停止轉動.

風機帶有自主偏航系統，在風力不大的情況下可以主動將迎風面對準風向，以得到最大的迎風面積，提高風機的工作效率。當風向發生變化時，整個機艙必須轉到一個新的位置。因此，必須將偏航驅動裝置的制動器產生的夾緊壓力減小到打滑壓力，整個機艙才能在偏航驅動裝置的作用下轉動。只要機艙轉動到新的位置，夾緊壓力就會恢復到原來的值，并使偏航驅動裝置卸載。

圖2為液壓的迎風偏航液壓系統原理圖，其工作原理如下所述。當風機要偏航時，要求剎車釋放，此時電磁截止閥、電磁卸荷閥同時得電，制動器壓力釋放，剎車松開。電磁截止閥、電磁卸荷閥斷電關閉左側油路，電磁換向閥切換，控制偏航馬達的轉動，執行偏航任務。當風機對風時，電磁換向閥關閉，偏航馬達停止轉動，電磁截止閥得電打開，制動器液壓力上升到設定的夾緊壓力，偏航剎車動作，偏航任務完成。

三、風力發電機功率控制液壓系統

隨著風力技術的發展，風力發電機功率控制系統也在不斷改進。主要方式有定槳距控制和變槳距控制。

1. 定槳距風力發電機功率控制液壓系統

在定槳距控制的風力發電機組中，風輪吸收功率隨風速的變化而變化。當風速超過額定風速時，必須通過葉片失速效應來降低風能利用率Cp，從而維持發電機輸出功率恒定。較為常見的失速控制采用葉尖擾流器控制。其方法是在葉輪輪轂處裝一微型液壓動力單元，在每個槳葉端部各安裝一只液壓缸，葉尖擾流器同液壓單元相連，通過連接在液壓缸的活塞桿和葉尖軸之間的鋼絲繩驅動葉尖運動。當風輪轉速低于額定轉速，發電機輸出功率小于額定功率時，液壓缸驅動葉尖收回，使葉尖與葉片主體靠攏成一條直線。當風速超速，發電機輸出功率超過最大功率限度時，液壓系統泄壓，葉尖在離心力和彈簧力的作用下彈出，在葉尖軸上的螺旋導槽的作用下，與葉片主體成90度角，起到空氣阻尼的作用，使葉輪轉速降低。

圖3為葉尖擾流器的液壓系統原理圖，其工作原理如下所述。啟動風力發電機時，電磁換向閥通電，斷開液壓缸的的回油路，液壓泵輸出壓力油，收緊葉尖。液壓繼續上升，到過壓繼電器控制動作的壓力時，過壓繼電器發出信號，經控制器延時后，停止電機轉動，在延時過程中，壓力繼續上升，達到溢流閥設定的壓力值時溢流閥動作，系統壓力不再升高。由于液壓系統不可避免的泄露，使壓力缸壓力下降，當低于低壓繼電器設定壓力時，低壓繼電器發出型號，液壓泵重新啟動，補充油壓。當風力發電機輸出功率超過最高功率限制時，電磁換向閥斷電，液壓缸的油液回油箱，系統泄壓，葉尖在離心力的和彈簧力作用下打開，葉輪轉速降低。

2.變槳距風力機功率液壓控制系統

變槳距風力機是風力機發展的趨勢。據有關資料的記載和研究 ，反映風力機獲取的風能和實際風力的能量之間比值的風能利用系數c 可近似用以下公式表示：

Cp=(0．44-0．0167β)sin【 QUOTE 】-0.00184(λ一3) QUOTE 

其中口為節距角，A為尖速比即槳葉尖部的線度與風速的比：λ= QUOTE 

由公式（1）得變槳距風力特性曲線(Cp-TSR) 如圖3所示。從圖中可知槳葉節距角β增大，風能利用系數Cp明顯減小，風力機獲取的能量也相應的減小。因此當風速超過額定風速時，通過增大節距角，使發電機輸出功率穩定在額定功率上，減少風速劇變對風力機的沖擊；而當風速低于額定風速時，減小節距角，使槳葉處于最佳捕獲風能的位置(一般為3 QUOTE 左右)，發電機輸出最大的功率。

風力機的槳距控制執行機構可以由伺服電機或液壓系統構成。但電機本身慣量就比較大，隨著風力機組單機容量的增大，慣量將變的更大，因此動態響應特性將會很差。而且電機本身如果連續頻繁地調節槳葉，將產生過量的熱負荷使電機損壞，所以電機控制時變槳距速率相對于液壓控制是有很大的限制的。國外研制的大型特別是2MW 以上的變槳距風力機基本上大都采用液壓系統。

風力機組液壓變槳距機構原理圖如圖4所示。槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，節距角的變化同液壓缸位移成正比。當液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，節距角為88 QUOTE ，而活塞桿向右移動最大位置時，節距角一般為一5 QUOTE。液壓缸的位移由電液比例換向閥控制。電液比例技術具有制精度高、抗油污能力強、可遠程控制、價格適中等優點，是目前液壓控制領域的先進技術。電液比例閥的控制電壓與液壓缸的位移變化量(流量)成正比，為進行液壓缸位置閉環控制引入了PID調節。當系統出現故障需緊急制動時，立即斷開電源，液壓泵緊急關閉，順槳的油液由蓄能器單獨提供。如果蓄能器內的液壓油不夠液壓缸走完全程，即槳葉未達到順槳位置時，由風力將槳葉自動調到順槳狀態。液壓缸內所需的油液由液壓缸前端的油通過兩位三通換向閥c、和單向閥進入油缸后端，并且部分油液在大氣壓的作用下通過單向閥從油箱進入油缸后端，使槳葉達到順槳位置。