风电设备中液压技术的应用与分析

刘　磊,王海霞（巨力索具股份有限公司重工配件技术部,河北 徐水 072550）

风电设备中液压技术的应用与分析

刘磊,王海霞
（巨力索具股份有限公司重工配件技术部,河北 徐水 072550）

现代风机向大型化的方向快速发展，液压设备因其独有的特性在风电设备中应用广泛。本文讨论了液压技术在风电设备的制动系统、变桨系统以及最新的全液压风机等方面的应用，并对液压系统的油品、选材、维护等性能要求进行了分析。

风电设备；液压技术；应用

作为举世关注的绿色能源，风电产业迅猛发展，风电设备单机容量不断增大。液压设备由于单位体积小、自重小、可靠的控制精度以及良好的动态响应等特性在风电设备中应用广泛[1]。液压技术在风电设备中的应用主要在风机的制动系统和变桨系统。近年来，全液压风机的研究已经展开，这是大规模应用液压技术的全新概念风机，是风电一个非常重要的发展趋势。

1　风机制动系统

风机制动系统包括高速轴制动器、偏航制动器和转子锁定装置，一般由一台液压站通过不同的控制回路分别对其进行控制。如果风机仅制动系统采用液压控制，则液压站油箱容积较小，一般在10L左右即可。

高速轴制动。高速轴液压制动器一般设计为一个或两个，工作压力在7-8MPa，主要功能是保护风机。风机未运行时，制动器由弹簧作用使制动钳和刹车片夹紧高速轴制动盘，使风机处于停机状态。风机启动时，液压站向工作回路供油并使蓄能器充油，供油压力驱动制动钳松开使刹车释放，风机启动。风机正常运行时，液压站处于停止状态，蓄能器维持系统油压使制动器处于释放状态，由于泄漏等因素造成压力下降到设定值后，液压站启动向系统供油增压。风机正常或紧急停机时，液压系统卸荷，制动器在弹簧力作用下使刹车片加紧制动盘，风机停机。

偏航制动。偏航液压制动器一般设计为五个或六个，工作压力在14.5-16MPa，主要功能是使风机对准风向以及解缆等。风向变化时，为使风轮正对风向，偏航系统启动并调整机舱方位角度。偏航过程中为避免机组产生过激振动等问题，偏航制动必须提供与驱动力矩相匹配的阻尼力矩，该阻尼力矩由液压制动器提供。风机不偏航时，偏航制动系统自动锁紧使风机迎风运转。

转子锁定。风场的风机运行维护手册中均严格规定，工作人员如需登上或进入轮毂，必须进行转子锁定以确保人员安全。转子锁定装置有手动型和液压型等，随风电设备供应商的技术设计而定，应用均比较广泛。目前应用较多的是力士乐、哈威等品牌的液压元件，可通过液压系统控制完成转子的锁定与解锁。

2　风机变桨系统

风机变桨系统通常有伺服电机驱动或伺服液压驱动两种。液压驱动以其响应快、体积小和转矩大等众多优点在风机变桨设备中应用广泛，如VESTAS、EHN等国际著名风电公司的风机设备，尤其是2MW以上的大型风电设备大都采用液压变桨系统。

液压变桨系统的动力由液压站提供，通过比例电磁阀等控制元件将液压缸活塞的径向往复运动转变为变桨轴承的圆周运动从而带动桨叶实现变桨距调节。

变桨距调节范围是0~90°，其变桨动作一般分为以下三种情况：风速超过额定风速低于切出风速时的功率调节，该阶段通过微调桨距角改变桨叶的攻角，调节风机的风能利用率，保证风机恒额定功率运行并改善风载情况，变桨距范围在0~35°且变桨速度较小；风速超过切出风速时的保护性顺桨，该阶段变桨速度很大可达到10°/s，变桨范围也很大，一般在35~90°；紧急顺桨，风机从正常运行状态正常或紧急停机，液压变桨系统能在外部电力中断的情况下继续工作，并最大限度缩短风轮的惯性转动时间。

变桨系统的工作液压值通常设定在20MPa左右，不同风机设备制造商生产的风机液压系统参数一般略有不同。如果风机上的液压站同时供液压制动和液压变桨使用，并共用同一个液压油箱，则油箱容积需要在100L以上。

3　全液压风机

现代风机按传动方式分类，可分为齿轮箱式风机、直驱式风机和全液压风机三类。齿轮箱式风机由于齿轮箱制造困难，成本高，且故障率高，维修困难。

全液压风机具有如下特点：

首先，风机传动系统具有很好的柔性和灵活性，并且机组承载大，润滑好，机组设计寿命长。

第二，全液压风机由于规避了大量机械部件及复杂的控制系统，风机运行故障率低，故障停机时间很短，电能质量很高。

第三，全液压风机在制造成本、采购成本、维护成本等方面都具有很大的优势。

第四，相比于其他两种类型的风机，在机舱重量方面大大降低，如现在常见的1.5MW齿轮箱式风机仅齿轮箱重量在15t左右，机舱总重可达60t；2MW直驱式风机仅发电机重量就接近100t，机舱总重甚至达150t；而1.5MW全液压型风机的液压泵只有5t重，机舱重量相差非常悬殊。

4　风电设备液压系统分析

由于风电设备一般位于偏远地区或沿海近海，气候条件十分恶劣，或风沙大，气候干燥；或盐雾大，腐蚀性强。这就对风电设备的可靠性、环境适应性、材料等的要求很高，液压系统也不例外。

首先，液压油方面，油品要求高清洁度，要有适宜环境及其变化的黏度，要有良好的低温性能与黏温性能，要有良好的抗氧化性能等。

第二，材料方面，液压系统由液压站、管路、密封件及各种控制阀构成，考虑风机运行环境，各种材料的选择必须具有很强的环境适应性，同时还要考虑液压油品与这些材料的兼容性等。

第三，维护方面，由于风机所处环境偏远，人迹罕至，换油、维护等操作难度很大，液压系统制造商有自己的维护计划和要求，风电设备制造商也有风机通用的运行维护计划，风场业主亦有自己的工作安排，因此，液压系统的维护不一定会完全按相关的要求进行，这就对液压系统长期无人值守维护方面的要求更高。

5　总结

本文对液压技术在风电设备中的应用进行了研究并进行了相关分析讨论，目前在风机制动系统和变桨系统中应用最广，未来会在全液压风机中大量应用。风电液压系统对液压油品、选材、维护等方面都有很高的要求。

[1]贾福强等.风力发电中液压系统的应用概述[J].液压气动与密封,2010(08):11-14.

[2]TonyBurton等著;武鑫等译.风能技术[M].科学技术出版社,北京,2014.