风力发电中液压系统的应用概述.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 8 ． 2 O1 0 风力发 电中液压 系统的应用概述 贾福强 高英杰 杨育林 崔 筱 燕 山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室 ， 河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘 要 能源的开发和利用是人类进入 2 0世纪不断探索的主题 ， 风力发电作为环保 、 经济型能源受到 国内外研究工作者的广泛关注 ． 随着大功率等级的风机不断投入使用 ， 硬件设备大多数都是体积大 、 质 量大 ， 特别有利于发挥 液压 系统体积小 、 重量轻 、 动态 响应好 、 转 矩大 、 无需变速机构且技术成熟等优点 。 本文 主要对风力发电整个过程中 包括生产 、 运输安装 、 运行 发电和检测维修 液压 系统的应用 进行举例说明和简单分析 。分析表明 ， 在风 电系统 中液压技术是实用的 、 可行 的， 并 且针对液压 系统在环境适应 能力 、 能量传递效率等 等方面的缺点 ， 提出 了改进措施 以适应大功率发 电和更多工况下的工作需求。 关键词 风力发 电； 变桨距控制 ； 伺服控制 中图分类号 T K 8 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 l o 1 0 8 0 0 1 1 - 0 4 W i nd Po we r i n Hyd r a u l i c S y s t e m Ove r v i e w J I A F u q i a n g G A 0 Y i n g | ie Y AN G Y u - l i n g C U 1 X i o o Ya n s h a n Un i v e r s i t y 。 He b e i P r o v i n c e ， He a v y Ma c h i n e r y a n d F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l L a b o r a t o r y ， Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t E n e r g y d e v e l o p me n t a n d u t i l i z a t i o n o f ma n k i n ds e n t r y i n t o t h e 2 0 t h c e n t u r y ， c o n t i n u e d t o e x p l o r e t h e t h e me o f w i n d p o we r a s a n e n v i r o n me n t all y f ri e n d l y ， e c o n o mi c a l e n e r g y r e s o u r c e s b y d o me s t i c a n d f o r e i g n r e s e a r c h w o r k e r s o f t h e wi d e s p r e a d c o n c e r n ， W i th t h e pow e r l e v e l s o f f a n s c o n t i n u e t o p u t i n t o u s e ， t h e m a j o r i t y o f h a r d w a r e d e v i c e s a r e l a r g e i n s i z e a n d q u a l i t y ， l a r g e ，i n p a r t i c u l a r , t o p l a y a h y d r a u l i c s y s t e m i s c o n d u c i v e t o s ma l l s i z e ， l i g h t we i g h t ， g o o d d y n a mi c res p o n s e ， t o r q u e ， n o s p e e d c h a n g e me c h a n i s m a n d th e t e c h n o l o g y i s m a t u r e a n d S O o n a d v a n t a g e s ． I n t h i s p a p e r p a i m o f w i n d p o w e r t h rou g h o u t t h e e n t i r e p roc e s s n e l u d i n g p r o d u c ti o n ， tr a n s p o r t a t i o n i n s t a l l a t i o n ， o p e r a t i o r l m a i n t e n a n c e o f p o w e r g e n e r a t i o n a n d t e s t i n g t h e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d a s i m p l e a n a l y s i s o f a n e x a mp l e ．An a l y s i s s h o ws tha t w i n d p o w e r s y s t e m，h y d r a u l i c t e c h n o l o gy i s p r a c t i c a l ， f e a s i b l e ， a n d h y d r a uli c s y s t e ms f o r t h e a b i l i t y t o a d a p t i n t h e e n v i r o n me n t ， e n e r g y t r a n s f e r e ffi c i e n c y ， e t c ． t h e s h o r t c o mi n g s a n d p u t f o r w a r d me asu r e s for i mp r o v i n g po we r g e n e r a t i o n a n d t o me e t t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e wo r k d e ma n d s ． Ke y W o r d s w i n d p o we r ； p i t c h c o n t r o l l e d v a ri a b l e ； s e r v o c o n t r o l 0 引言 风能作为一种可再生能源储量极其丰富。据统计 ， 全世界风能资源总量约为每年 2 万亿 k W。 换句话说 ， 仅 l ％的地面风力就能满足世界各 国对能源的需求【 1 。随着 风力发电技术的不断发展 ， 近 1 0年来其成本快速下降 ， 日趋接近燃煤发电的成本 ， 因此风力发电受到了世界各 国的高度重视 ， 且发展风电具有显著的环保效益I2 1 8 ] 。丹 麦的一项研究表明．用风电代替煤 电是减少温室气体 排放 的最有效最有价值措施之一 。综合资源 、 技术 、 经 济 、 环保等因素 ， 大力发展风力发电 ， 是我 国能源 战略 和 电力发 展重 要方 向[3 1 。 兆瓦级风力发 电机组在全球商业运行 中得到了广 为关注 ，然而 由于这种机组性能的要求其体积必然 十 分庞大阁 。这样 ， 就要求在生产和发电等过程 中所需 的 动力系统和调节系统有大功率的输 出、可靠 的控制精 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介 贾福强 1 9 8 3 一 ， 男 ， 硕 士研究 生 ， 主要研究风力发 电液 压变桨 系统 。 度、 所 占空间少等等特点 。液压系统拥有符合上述要求 的特性 单位体积小 、 重量轻 、 动态响应好 、 扭矩大并且 无需变速机构的【 1 ， 所 以在风电行业 中液压 系统得到 广泛应用。这其 中主要包括有 生产过程 中液压设备的 使用 、 运输安装过程 中、 运行发 电过程中 、 甚至是维修 检测等。同时风力发电对其组成构件和相关系统有适 应其本身特点的要求 工作 的环境适应能力强 、 故障率 低 、 维修简便等 。可见液压系统仍需要改进和创新来突 破相关限制 ，才能更好地使液压系统在风电行业得到 广泛应用。 1 生产 、运输 和安装 过程 中液压系统 的 应 用 由于兆瓦级风力发 电机组性能要求 需要相当大 的扭矩来驱动电动机发 电 ， 所 以无论是 桨叶 、 塔架还 是机舱其体积相当巨大 ，这样整个风机的重量也随之 增 加 。 桨叶作为风能的捕获装置 ， 其设计和生产是风力 液 压 气动 与 密 封 ， 2 0 1 0年 第 8期 发电的重要环节。现阶段叶片的最大风能利用系数约 为 0 ． 4 5左右 ， 可见 叶片翼 型的改进 上还 有较 大的 空间 ， 但是外形结构改进不可能使兆瓦级风机的桨叶体积发 生很 大变化 。也就是 说 ， 叶片体积 随功率增 加而增 加的 趋势是 不可避 免 的。 传统风 电叶片生产中， 模具翻转过程 合模与脱模 过程 是通过行车提吊来实现的。由于机械行车的特性 使翻转的过程存在很大危险性 ，特别是叶片模具的重 心通过翻转支架的回转 中心轴位置时 ，模具的振动和 冲击比较猛烈 ， 极易出现事故， 而且对工作人员 的操作 水平要求也很高。 为 了实 现翻 转过程 的 自动化 ， 增 加 翻转 效率 ． 同时 还要求保证 翻转过程平稳 ， 提高现场安全程度 ， 降低 生产成本 ， 比较先进的叶片生产方式就采用液压翻转 机构代替行车 ， 通过液压驱动代替绳索提 吊。在应用 过程中液压翻转机构的形式多样 ， 选择合适的方案至 关重要。风电叶片模具由上 、 下两个半模组成 ， 液压翻 转机构可以满足生产过程中两个半模的运动要求。翻 转运动 翻转机构需要将上模绕 固定 回转 中心 翻转 1 8 0 。 以实 现合模 或者 脱模 。 较短 距 离 的直线运 动 合模 翻转完成后垂直下降 ， 脱模 翻转之前垂直上升的功能 要求[5 1 。 在运输和安装时为 了稳定 、安全和配合等方面的 要求 ，液压系统以其独特的优势有着广泛的应用。例 如 ，在海上风力发电装置运输过程中起 固定作用 的平 衡梁抱箍器液压系统 、在安装过程 中为了防止大型组 件之间发生破坏性碰撞的液压缓冲装置 、在安装过程 中能够使 大 型组件 对 中能够 满 足要求 的 自动对 中液压 系统。 等等。 2 工作过程 中液压系统 的应用 2 ． 1 风 力机功率控 制液压 系统 1 定桨距风力机功率控制液压系统。 在定桨距控制的风力机组中，风轮吸收功率随风 速 的变化 而 变化 桨 叶的结 构使 得它 在 风的作 用 下发 生 弹性变 形 。当风 速超 过额 定风 速 时 ， 必 须通 过 叶片 失速效应来降低风能利用率 C p 。 失速控制一般采用叶尖扰流器控制。其方法是将 一 个液压单元装在叶轮轮毂处 ，在每个桨叶端部各装 一 个液压缸 ． 叶尖扰流器同液压单元相联 ， 通过连接在 液压缸活塞杆和叶尖轴之问的钢丝绳驱动叶尖运动 。 当风轮转 速低 于额 定转 速 ．发 电机输 出功 率未 达 到额 定功率时 ， 液压缸驱动叶尖收回， 使叶尖与叶片主体靠 拢成一条直线。当风速超过额定风速 ， 发电机输 出功率 1 2 超过最大功率限度时， 液压系统开始泄压， 叶尖在离心 力和弹簧力的作用下弹出，在叶尖轴上的螺旋导槽 的 作用下． 与叶片主体成 9 0 。 ， 增大阻力叶轮转速降低。 典型的叶尖扰流器液压系统原理图见图 1 。 其工作 原理如下所述 启动风力机时 ， 电磁换 向阀通电， 断开 液压缸的回油路 ， 液压泵输出压力油 ， 收紧叶尖。油压 继续上升， 到过压继电器控制动作的压力时 ， 过压继电 器发出信号 ， 经控制器延时后 ， 停止电动机转动 ， 在延 时过程中， 压力继续上升 ， 达到溢流阀设定的压力值时 溢流阀动作 。 系统压力不再升高。由于液压系统不可避 免的泄漏 ， 使液压缸压力下降． 当低于低压继电器设定 压力时 ， 低压继电器发出信号 ， 液压泵重新启动， 补充 油压。当发电机输出功率超过最高功率限制时， 电磁换 向阀断电， 液压缸的油液流 回油箱 ， 系统泄压 ， 叶尖在 离心力和弹簧力作用下打开， 叶轮转速降低 。 图 1 叶尖 扰 流 液 压原 理 图 这种控制方法在中小型风力发电机上应用 比较广 泛，其桨叶叶形也与变桨距风力发电机所用的桨叶叶 形不同， 此方法可以调节捕获功率 、 减少组件和简化风 机上的系统， 降低风机成本也完善了系统。在调节的过 程中我们可以看到要经过 比较长的传动系统 ，所以它 的响应 比较慢。这个的液压系统由于整体置于风机前 端容易受到温度的影响， 所 以需要多个热交换装置 ， 使 得 液压 回路 中的油液 能够在 正常温度 范 围。 2 变桨距 风机 液压变 桨距 系统。 电一 液伺 服 变桨 也可 称液压 变 桨 ，这种 变桨 距 系 统的工作动力是电动液压泵 ， 传递介质是液压油 ， 控制 元件是 比例电磁阀作 ，通过将油缸活塞杆 的径 向运动 变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距动作 ．图 2 是 典 型的变桨 距液压 系统 图。 Hv dr a u l i c s Pn eu ma t i e s S e a l s ／ NO ． 8 ． 2 01 0 图 2变桨 距 液压 原 理 图 当风速低于额定风速时 ， 减小节距角 若桨距角在 最佳角度则不需要调节 ， 使桨叶处于最佳获风能的位 置 一 般 为 3 。 左 右 ， 此 时 的调 节 主要 是偏 航 系统 和 电机 自身 ，尽量捕获更大风能使得发电机获得更高的功率 输出。 桨 叶 的变桨 范 围一 般 在 0 o ～ 9 O 。 之 间 ，变 桨 过程 可 以分为 O 。 ～ 3 5 。 之间的功率调节部分和 3 5 。 ～ 9 O 。 之 间的 风机保护调节部分。前一部分主要靠微调来改变桨叶 的迎 风 面积 从 而 改变 风 能利 用数 ，控 制风 机 能 够恒 功 率输出并且提高发 电品质 ；系后一部分主要是风速达 到或超过了切 出值 。调节的 目的就是保护风机实现保 护性停车 ， 所以要求迅速到达顺桨状态 ， 此时变桨系统 的最大转 动 速度 可达 到 1 0 。 ／ s 。 风力机的桨距控制执行机构可以由伺服 电动机或 液压系统构成。但 电动机本身惯量就 比较大 ， 随着风力 机组单机容量 的增大 ， 惯量将变得更大 ， 因此动态响应 特性将会很差 。而且 电动机本身如果连续频繁地调节 桨 叶， 将产生过量 的热负荷使电动机损坏 在大型风机 上 更 加 明显 ， 所 以电动 机 控制 变 桨距 相 对 于液 压 控制 变桨距有很大的限制 。 国外研制的大型特别是 2 MW 以 上 的变 桨距 风力 机基 本上 都采 用液 压变 桨 系统 。 当然 ，应用在风力发电上的液压控制系统也有许 多需要改进的地方。首先 ， 就是它的环境适应能力需要 改进 ， 风机 的 工作 环境 可能 是 复杂 、 恶 劣 、 多 变 ， 比如 在 海 上 的风 电系统 ， 空 气 湿度 大 、 腐 蚀性 强 。在我 国北方 有的地方风能资源丰富而气候干燥 、 昼夜温差大等等 ， 这些情况都是不可避免的。这就要求液压系统能够适 应这样的环境 ， 采取整个液压是闭环 回路 、 使用适应性 强 的油液 、 加 入 多个 油 液过 滤 和温 度 调节 装 置 、 为 了 收 集多余能源和保持液压泵寿命加入多个蓄能装置等措 施 。 2 ． 2风 力 机迎风 控 制液压 系统 偏航 系统 主要 由偏 航 检测 与 控 制部 分 、 偏 航 机构 、 保 护装置 三大 部分组 成 。 偏航传动装置 的功能是将偏航动力源输出的动力和运 动传递到偏航执行机构的主动件上 ，通过主动件与从 动件的运动来驱动机舱偏航 。根据实际需要 ， 可将传动 装 置设 计 成机 械 系统 或 液 压 系统 。液 压 系统 将 电动 机 输 出的机械能转换成液体压力能 ，经过控制后输入液 压 马 达 并驱 动 偏 航 主动 齿 轮 转动 ， 实现 偏 航 见 图 3 。 液压装置的特点是 可实现远程控制无级调速 ， 提高偏 航效率 ；可使用一套液压装置驱动 2 ～ 4个液压马达和 主动件 ； 结构 紧凑 ； 可以与变桨系统 、 偏航制动和主轴 制 动共 用一 套液 压系 统 。 图 3偏 航 液 压 腺 理 图 由于单独用于偏航的小功率液压马达产品的低速 运转不够平稳 ， 启动扭矩较小 ， 效率 比较低 ； 同时其运 行 可 靠性 与 维 护简便 性 不 是很 理 想 ．还 有考 虑 系统 泄 漏造成偏航制动效能降低 。所 以目前运行的风机系统 中采 用 液压 偏 航 系统 并不 广 泛 ，这 方 面的 缺点 可 以选 择 先 进 液压 马 达或 与其 他 系 统共 用 一套 液压 系 统来 解 决 。 2 。 3 风 力机 高速轴 制动 系统 高速轴液压制动系统 见 图 4 也是一个风机的保 护系统 ，在风机启动前系统是靠液压缸无杆腔弹簧作 用下使得制动钳或刹车片抱紧风机高速轴起到制动作 用． 这样风轮就处于停车状态。 图 4高速轴制 动液压 图 当风力 机 启 动时 ， 要 求刹 车 释放 ， 此 时 电磁 换 向 阀 通 电 ， 回油 路 断 开 。液压 泵 供油 时 ， 油 液通 过单 向 阀进 入液压缸 ， 蓄能器充油。当供油压力大于刹车制动力 ， 1 3 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 01 0年 第 8期 推动液压缸活塞 向左运动， 制动钳或刹车片松开 ， 刹车 释放。当风力机正常工作时 ， 液压泵停止工作系统的压 力由蓄能器提供 ， 维持刹车释放状态 ， 直到由于泄漏造 成压力下降 ， 压力继电器发讯号， 液压泵工作 向系统提 供油液。当风力机停机或风力机突然超速要求紧急停 机时， 要求刹车抱紧， 电磁换 向阀断电液压缸的油液回 油箱 ， 系统压力卸荷在弹簧力作用下刹车片抱紧 ， 风机 停车。 3 总结 文 章 主要 阐 述 了在 风力 发 电 中液压 系统 的应用 ， 由于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 ， 动态和静态性能优良。液压系统主要具有以下显 著的特点 1 液压系统工作 比较平稳． 且驱动能力 比其它驱动 系统好。 2 液压传动系统易于实现 自动化。 3 液压设备易于实现过载保护。 f 4 液压元件已经实现了系列化、 标准化和通用化， 液压系统设计 、 制造和使用都很方便。 随着机械加工 、 智能控制 、 系统设计和液压元件等 ‘一 方面技术的进步 、液压元件性能的提高和新型工作介 质的使用， 使得液压系统能够适应更多场合的需求。风 力发 电中的液压 系统就 能够满足各种各样 的工 况要 求 ．同时依靠它本身的优势实现对整个发电装置过载 保护 、 调节风能捕获状态改善发电品质。 参 考 文 献 【 1 】 杨尔庄． 液压技术在 风力发 电中的应用概况【 J 】 ． 液压气动 与 密封 ， 2 0 0 6 2 1 5 ． 【 2 】 刘 湘琪， 邱敏秀． 液压技术在风力发 电系统 中的应用【 J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 4 8 1 1 4 - 1 1 6 ． 【 3 1 李 守好 ． 风 力发 电装置刹 车系统及偏 航系统智 能控制研究 f D 】 ． 西 安 电 子科 技 大 学 硕 士论 文 ， 2 0 0 5 ． 【 4 1 雷天觉 主编． 新 编液压工程 手册下册[ M 】 ． 北京 北京 理工大 学 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 5 】 李惠军． 风电叶片制造装备 的关键技术【 D 】 ， 同济大学机械工 程学院硕士学位论文． [ 6 】 屈圭． 并网风力发 电机偏航传动装置设计分析【 J 】 ． 现代制造工 程 ， 2 0 0 9 7 1 3 8 - 1 4 1 ． 【 7 1 姚兴佳， 等． 风力发电技术讲座 五 一风力发电机的选型、 使 用和维护[ J 】 ． 可再生能源 ， 2 0 0 6 5 9 9 1 0 2 ． [ 8 】H o m a s A c k e r ma n ，L e n n a s o d e r ． Wi n d e n e r g y t e c h n o l o g y a n d c u r r e n t s t a t u s a r e v i e w [ J ] ． R e n e w a b l e a n d S u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s ，2 0 0 0 4 3 1 5 - 3 7 4 ． 诚邀行业企业一同参加 2 0 1 1年德国“ 汉诺威工业博览会’ ’ 随着中国流体动力传动产业的发展 ， 中国制造产品已越来越被国际买家认 可， 在国际市场 中具有高 性价 比的竞争力。为进一步推动我国流体动力传动技术进步， 让更多的中国制造产品进入国际市场 ， 中 国液压气动密封件工业协会与西麦克国际展览有限责任公司商定联合组织行业 内的企业以国家流体动 力传动展团形式 ，参加 2 0 1 1 年 4月 4 ～ 8日在德国汉诺威市举办的 “ 汉诺威工业博览会” H A N N O V E R ME S S E 2 0 1 I 。 “ 汉诺威工业博览会” 是大型国际工业综合性博览会 ， 定期在德国汉诺威市举办。“ 动力传动与控制 技术” 主题 MD A ， 每两年一届 ， 是 2 0 1 1 年博览会的重要主题之一 ， 本主题展历届都超过 8个馆 ， 其展出 规模 、 水平、 效果及国际性， 都居世界第一。整个博览会含盖 1 0个主题 ， 除动力传动与控制技术外， 还包 括以下主题 工业 自动化展、 能源展、 工业零部件和分承包技术展、 管道技术展 、 表面处理与技术展 、 应用 微系统和纳米技术展、 压缩空气和真空技术展 、 工厂设备及工具展、 I T技术与工业软件展。 至今 ， 该展会称之为“ 全球工业贸易领域的旗舰展” 和“ 最具影响力涉及工业产品及技术最广泛的国 际性工业贸易展览会” 。汉诺威工业博览会的 M D A主题展，是动力传动与控制领域最大的国际展示平 台。2 0 0 9年我协会组织了由 4 1家企业组成的国家流体动力传动展团参展， 展示面积为 5 1 7平方米 。 受 到国际观众的关注， 收到了很好的展览效果。现诚邀行业内企业参加我们组织的 2 0 1 1 年赴汉诺威工业 博览会 国家展团 ， 充分展示中国液压 、 气动、 密封等流体动力传动工业的整体形象。 1 4