液压技术在风力发电系统中的应用

液压技术在风力发电系统中的应用
刘湘琪,邱敏秀,林勇刚
(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:本文阐述了应用于风力发电系统的制动控制、定桨距控制,变桨距控制等单元的液压控制系统。

并在变桨距液压控制系统中,提出以高速开关阀并联于电液比例方向阀实现在线故障诊断的液压冗余控制方案。

关键词:风力发电;液压系统;变桨距;冗余;高速开关阀
中图分类号:TK8 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2004)8-114-3
0　前言
随着人们对环境保护意识的增强,对清洁能源的需求越来越大。

由于化石燃料发电在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害气体,造成严重的环境污染。

同时以石油为代表的化石燃料资源已濒临枯竭,无污染的新能源开发刻不容缓。

太阳能、风能、水能、潮汐能……都是可再生的清洁能源,其中技术成熟、投资最省、最具备大规模开发条件的首推风能。

风能利用的主要表现形式为风力发电。

据有关专家计算,只需利用地面风力的1%就可以满足全球的用电需求。

由此可见,风力发电是一个取之不尽的能源宝库。

目前,全球风能发电行业的年营业额大约为20亿美元,现正以每年25%的速度递增。

在全球总发电量中,在90年代中期,风力发电所占的比例不足1%。

据世界观察研究所的估计,在今后50年内,这个比例将上升到20%或者更高。

因此,风能的利用具有广阔的前景。

1　液压技术在风力发电系统中的重要性
自19世纪70年代世界石油危机以来,欧美各国加快了对风力发电的研究,风电技术日趋成熟,风力机组向着大型化方向发展。

目前,在欧美等国生产的大中型风力机中,安全与功率控制单元几乎都是液压系统控制的[1]。

风轮的转速随着风速的变化而变化,假如没有可靠的安全制动装置,随着风速的增大,将会使风轮超速造成风机的损坏。

安全液压制动系统在保证风力发电机组正常运行发电、防止事故发生、对风机起动和停机控制起着不可或缺的作用。

理论上,风速是无限的,发电机的输出功率也可以是无限的,但是还要受到电机和变速箱转速限制以及电机和其他电气元件的功率限制,风力机组输出电能不能超过发电机额定输出功率。

而且风力机功率控制系统将有助于延长风力机组的使用寿命,减小风力对桨叶的冲击。

现在常见的大中型水平轴风力发电的功率控制采用定桨距控制或变桨距控制,而这两种控制方式大多采用液压系统。

从发展趋势来看,风力发电机的偏航迎风结构,也会因液压传动扭距大、结构简单、重量轻、容易实现远距离自动控制的特点,取代机械传动,实现液压控制偏航迎风系统。

2　风力机液压制动系统
对于不同型号的风力机,制动系统的机械卡紧结构不尽相同的。

如NTK300采用安装在齿轮箱体高速轴两侧的制动钳制动,丹麦麦康公司采用两刹车片抱紧刹车圆盘制动等等。

但是无论制动卡紧机构采取何种形式,其原理相同,制动的驱动力也都来源于液压力,图1为风力机液压制动系统原理图。

图1　风力机液压制
动系统原理图当风力机启动时,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,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,在刹车弹簧力作用下,制动钳或刹车片抱紧,风轮停止转动。

3　风力机功率控制液压系统
随着风力技术的发展,风力机功率控制系统也在不断改进。

主要方式有定桨距控制和变桨距控制。

311　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。

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
,从而维持发电机输出功率恒定。

较为常见的失速控制采用叶尖扰流器控制。

其方法是在叶轮轮毂处装一液压单元,在每个桨叶端部各装一液压缸,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间的钢丝绳驱动叶尖运动。

当风轮转速低于额定转速,发电机输出功率小于额定功率时,液压缸驱动叶尖收回,使叶尖与叶片主体靠拢成一条直线。

当风速超速,发电机输出功率超过最大功率限度时,液压系统泄压,叶尖在离心力和弹簧力的作用下弹出,在叶尖轴上的螺旋
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导槽的作用下,与叶片主体成90°角,起到空气阻尼的作用,使叶轮转速降低。

图2　
定桨距风力机叶尖扰
流器液压系统原理图图2为典型的叶尖扰流器的液压系统原理图,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,,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。

312　变桨距风力机功率液压控制系统
变桨距风力机是风力机发展的趋势。

据有关资料的记载和研究[2,3],反映风力机获取的风能和实际风力的能量之间比值的风能利用系数C p 可近似用以下公式表示:
C p =(0144-010167β)sin π(λ-3)15-013β
-0100184(λ
-3)β
(1)其中β为节距角,λ为尖速比即桨叶尖部的线速度与风速的比:λ=ωR/v 图3　变桨距风力机特性 曲线(C p -TSR )由公式(1)得变桨距风力机特性曲线(C p -TSR )如图3所示。

从图中可知桨叶节距角β增大,风能利用系数C P 明显减小,风力机获取的能量也相应的减小。

因此当风速
超过额定风速时,通过增大节距角,使发电机输出功率稳定在额定功率上,
减少风速剧变对风力机的冲击;而当风速低于额定风速时,减小节距角,使桨叶处于最佳捕获风能的位置(一般为3°左右),发电机输出最大的功率。

风力机的桨距控制执行机构可以由伺服电机或液压系统构成。

但电机本身惯量就比较大,随着风力机组单机容量的增大,惯量将变的更大,因此动态响
应特性将会很差。

而且电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机损坏,所以电机控制时变桨距速率相对于液压控制是有很大的限制的。

国外研制的大型特别是2MW 以上的变桨距风力机基图4　变桨距机构 液压原理图本上大都采用液压系统。

风力机组液压变桨距机构原理图如图4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成正比。

当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时,节距角为88°,而活塞杆向右移动最大位置时,节距角一般为-5°。

液压缸的位移由电液比例换向阀控制。

电液比例技术具有控制精度高、抗油污能力
强、可远程控制、价格适中等优点,是目前液压控制领域的先进技术。

电液比例阀的控制电压与液压缸的位移变化量(流量)成正比,为进行液压缸位置闭环控制引入了PID 调节。

当系统出现故障需紧急制动时,立即断开电源,液压泵紧急关闭,顺桨的油液由蓄能器单独提供。

如果蓄能器内的液压油不够液压缸走完全程,即桨叶未达到顺桨位置时,由风力将桨叶自动调到顺桨状态。

液压缸内所需的油液由液压缸前端的油通过两位三通换向阀c 、和单向阀进入油缸后端,并且部分油液在大气压的作用下通过单向阀从油箱进入油缸后端,使桨叶达到顺桨位置。

4　变桨距机构功率液压冗余控制方案
在液压系统中,滑阀的卡涩是常见的故障,特别是在风力机组的应用过程中,已多次出现因滑芯卡涩产生机组损坏的事例。

变桨距液控系统关键部分是电液比例阀,如果产生滑芯的卡涩,使节距角不能按照控制规律正常变化,不仅不能使风力机输出最大的电能,而且在风速高于额定风速下将对风力机组产生冲击破坏。

本课题组在对电液比例阀在线故障诊断研究的基础上,提出了高油压并联(液压冗余)型电液比例变距执行机构,在电液比例阀出现故障,能及时判断出故障,发出警报。

同时启动冗余机构进行带伤控制,仍然能满足系统的要求。

由于系统中滑芯的卡涩往往是由油液的污染引起的,而高速开关阀在PW M 调制信号的作用下通过改变高速的通断时间实现对输出流量的控制,整个工作过程只有通和关两个位置,有很强的抗污能力,因此设计采用高速开关阀并联的冗余式数字电液比例系统。

如图5所示,在电液比例阀正常工作时,两位三
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通电磁换向阀4和5失电(图示位置),系统压力由电液比例阀控制。

当电液比例阀出现故障时,通过在线的故障诊断装置立即作出判断,不论滑芯处于什么11电液比例换向阀　2、31高速开关阀　4、51电磁换向阀
图5　并列冗余式数字 电液比例原理图位置,两位三通电磁换向阀4和5同时都得电,断开电液比例阀1的出口,系统油液由高速开关阀2和3控制,假如A 口接变桨距油缸的前端,B 口接后端,当风速高于额定风速时,要求液压缸活塞杆
向前运动,此时高速开关阀2不得电,液压缸前端的油液通过阀2的排油口流回油箱,同时通过调整PW M 信号的占空比实现对
高速开关阀3的控制,从而控制B 口输出流量达到对油缸活塞杆前进位移的控制。

411　电液比例换向阀在线故障诊断
实时对卡紧故障进行振动是冗余控制的前提。

现有滑阀卡紧信息的获取,主要是通过对液压系统压力、流量、位移等参量的检测来实现,属于间接检测诊断的方法。

为了更直接地监测滑阀机构工作是否正常,在阀芯上安装了微型加速度传感器。

由于伺服阀、比例阀的放大电路中通常都设计有颤振回路,使阀芯在工作点附近作某一频率的小幅值对称振动,而颤振运动的减弱或消失将直接意味着卡紧故障的出现(在电路完好的条件下),所以从加速度传感器的输出信号能够判断出卡紧故障是否发生。

412　二位三通高速开关阀特性
参见图5,两位三通高速开关阀由PW M 信号控制,断电时控制口的油液是与排油口相连回油箱;而得电时供油口和控制口相连进油。

在PW M 控制方式中,载波周期T 是恒定不变的,通过改变导通脉宽T P 来改变占空比,即占空比τ=T P /T 。

设Q 为开关阀全开时的流量,T Pi 为第i 个周期输入的脉宽,则在一个载波周期内的进入控制腔的平均流量为通电时的进油流量减去排油时的回油流量。

(忽略供油口和控制油口的压力差和控制油口与排油口压力差的不同):
珚Q =(QT Pi -Q (T -T Pi )) T =Q (2τi -1)
(2)由于主阀有一定惯性作用,若T 较小,使得被控主阀在这一间隔时间内的输出变化很小,这样当输入T P 连续变化时,就可以用这一平均流量作为瞬时流量。

当输入T P 连续变化时,得到与占空比τ成比例的广义的连续输出珚Q 。

但实际上输出流量为:
Q =D
τΔp 1-D (1-τ)Δp 2(3)D =C d wx m sin φ
2/ρ
(4)
式中:C d —流量系数;
　w —阀芯面积梯度;　x m —阀口最大开度;　φ—阀芯圆锥角;　ρ—油液密度;　Δp 1—阀供油口、控制口压力差;　Δp 2—阀控制口、回油口压力差。

风速是不断变化的,供油口的压力也是不断变化的,所以占空比与瞬时流量不是线性变化的,同时有液压缸活塞杆位置反馈装置,才能实现对液压缸活塞杆位置精确的控制。

5　总结
文章详尽地阐述了液压技术在风力发电机液压制动系统、定桨距功率控制系统、变桨距功率控制系统中的应用。

同时提出了变桨距机构液压在线故障诊断冗余控制的方案。

将具有抗污染能力强的PW M 高速开关阀与电液比例方向阀并联,能及时诊断电液比例方向阀阀心出现卡滞故障,高速开关阀能主动替代电液比例方向阀实现对变桨距机构的带伤工作。

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作者简介:刘湘琪,浙江大学2001级研究生,研究方向风力发电机变桨距控制系统。

收稿时间:2003-07-22
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收稿时间:2003-06-20
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