2.6 液壓系統

風力發電機組的液壓系統屬于風力發電機組的一種動力系統，液壓系統是以有壓液體為介質，實現動力傳輸和運動控制的機械單元。液壓系統具有傳動平穩、功率密度大、容易實現五級變速、易于更換元件和過載保護可靠等特點，為風力發電機上一切使用液壓作為驅動力的裝置提供動力。風力發電機組的液壓系統和剎車機構是一個整體。在定槳距風力發電機組中，液壓系統的主要任務是驅動風力發電機組的氣動剎車和機械剎車；在變槳距風力發電機組中，液壓系統主要控制變距機構，實現風力發電機組的轉速控制、功率控制，同時也制控機械剎車機構。

2.6.1 定槳距風力發電機組液壓系統

定槳距風力發電機組的液壓系統實際上是制動系統的驅動機構，主要用來執行風力機的開關機指令。通常它由兩個壓力保持回路組成：一路通過蓄能器供給葉尖擾流器；另一路通過蓄能器供給機械剎車機構。這兩個回路的工作任務是使機組運行時制動機構始終保持壓力。當需要停機時，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，氣動剎車動作；稍后，機械剎車一路壓力油進入剎車液壓缸，驅動剎車夾鉗，使風輪停止轉動。在兩個回路中各裝有兩個壓力傳感器，以指示系統壓力，控制液壓泵站補油和確定剎車機構的狀態。

圖2-22所示為FD43-600kW風力發電機組的液壓系統。由于偏航機構也引入了液壓回路，它由3個壓力保持回路組成。圖左側是氣動剎車壓力保持回路，壓力油經液壓泵2、精濾油器4進入系統。溢流閥6用來限制系統最高壓力。開機時電磁閥12-1接通，壓力油經單向閥7-2進入蓄能器8-2，并通過單向閥7-3和旋轉接頭進入氣動剎車液壓缸。壓力開關9-2由蓄能器的壓力控制，當蓄能器壓力達到設定值時，開關動作，電磁閥12-1關閉。運行時，回路壓力主要由蓄能器保持，通過液壓缸上的鋼索拉住葉尖擾流器，使之與槳葉主體緊密結合。

電磁閥12-2為停機閥，用來釋放氣動剎車液壓缸的液壓油，使葉尖擾流器在離心力作用下滑出；突開閥15用于超速保護，當風輪飛車時，擾流器作用在鋼索上的離心力增大，通過活塞的作用，使回路內壓力升高；當壓力達到一定值時，突開閥開啟，壓力油泄回油箱。突開閥不受控制系統的指令控制，是獨立的安全保護裝置。

圖2-22中間是兩個獨立的高速軸制動器回路，通過電磁閥13-1、13-2分別控制制動器中壓力油的進出，從而控制制動器動作。工作壓力由蓄能器8-1保持。壓力開關9-1根據蓄能器的壓力控制液壓泵電動機的停/啟。壓力開關9-3、9-4用來指示制動器的工作狀態。

圖2-22右側為偏航系統回路，偏航系統有兩個工作壓力，分別提供偏航時的阻尼和偏航結束時的制動力。工作壓力仍由蓄能器8-1保持。由于機艙有很大的慣性，調向過程必須確保系統的穩定性，此時偏航制動器用作阻尼器。工作時，4YA得電，電磁閥16左側接通，回路壓力由溢流閥保持，以提供調向系統足夠的阻尼，調向結束時，4YA失電，電磁閥右側接通，制動壓力由蓄能器直接提供。

由于系統的內泄漏、油溫的變化及電磁閥的動作，液壓系統的工作壓力實際上始終處于變化的狀態之中。其氣動剎車與機械剎車回路的工作壓力如圖2-23所示。

圖2-23中虛線之間為設定的工作范圍。當壓力由于溫升或壓力開關失靈超出該范圍一定值時，會導致突開閥誤動作，因此必須對系統壓力進行限制，系統最高壓力由溢流閥調節。而當壓力同樣由于壓力開關失靈或液壓泵站故障低于工作壓力下限時，系統設置了低壓警告線，以免在緊急狀態下，機械剎車中的壓力不足以制動風力機。

2.6.2 變槳距風力發電機組的液壓系統

變槳距風力發電機組的液壓系統中采用了比例控制技術。

2.6.2.1 比例控制技術

比例控制技術是在開關控制技術和伺服控制技術間的過渡技術，它具有控制原理簡單、控制精度高、抗污染能力強、價格適中，受到人們的普遍重視，進而使該技術得到飛速發展。比例閥是在普通液壓閥的基礎上，用比例電磁鐵取代閥的調節機構及普通電磁鐵構成。采用比例放大器控制比例電磁鐵就可實現對比例閥進行遠距離連續控制，從而實現對液壓系統壓力、流量、方向的無級調節。

比例控制技術基本工作原理是：根據輸入電信號電壓值的大小，通過放大器，將該輸入電壓信號（一般在-9～+9V之間）轉換成相應的電流信號，如1mV電壓對應1mA電流。這個電流信號作為輸入量被送入比例電磁鐵，從而產生和輸入信號成比例的輸出量——力或位移，該力或位移又作為輸入量加給比例閥，后者產生一個與前者成比例的流量或壓力。通過這樣的轉換，一個輸入電壓信號的變化，不但能控制執行元件和機械設備上工作部件的運動方向，而且可對其作用力和運動速度進行無級調節。此外，還能對相應的時間過程，如在一段時間內流量的變化、加速度的變化或減速度的變化等進行連續調節。

當需要更高的閥性能時，可在閥或電磁鐵上接裝一個位置傳感器以提供一個與閥芯位置成比例的電信號。此位置信號向閥的控制器提供一個反饋，使閥芯可以由一個閉環配置來定位，如圖2-24所示，一個輸入信號供至放大器，該放大器本身又產生相應的輸出信號去驅動電磁鐵。電磁鐵推動閥芯，直到來自位置傳感器的反饋信號與輸入信號相等為止。因而此技術能使閥芯在閥體中準確地定位，而由摩擦力、液動力或液壓力所引起的任何干擾都被自動地糾正。

1．位置傳感器

通常用于閥芯位置反饋的傳感器為非接觸式LVDT（線性可變差動變壓器），其工作原理如圖2-25所示。LVDT由繞在與電磁鐵推桿相連的鐵芯上的一個一次線圈和兩個二次線圈組成。一次線圈由一高頻交流電源供電，它在鐵芯中產生變化磁場，該磁場通過變壓器作用在兩個二次線圈中感應出電壓。如果兩個二次線圈對置連接，則當鐵芯居中時，每個線圈中產生的感應電壓將抵消而產生的凈輸出為零。隨著鐵芯離開中心移動，一個二次線圈中的感應電壓升高而另一個中的降低。于是產生一個凈輸出電壓，其大小與運動量成比例而相位移指示運動方向。該輸出可供至一個相敏整流器（解調器），該整流器將產生一個與運動成比例且極性取決于運動方向的直流信號。

2．控制放大器

控制放大器原理如圖2-26所示。輸入信號可以是可變電流或電壓。根據輸入信號的極性，閥芯兩端的電磁鐵將有一個通電，使閥芯向某一側移動。放大器為兩個運動方向設置了單獨的增益調整，可用于微調閥的特性或設定最大流量，還設置了一個斜坡發生器，進行適當的接線，可啟動或禁止該發生器，并且設置了斜坡時間調整，針對每個輸出極設置了死區補償調整，這使得可用電子方法消除閥芯遮蓋的影響。使用位置傳感器的比例閥意味著閥芯由位置控制，即閥芯在閥體中的位置僅取決于輸入信號，而與流量、壓力或摩擦力無關。位置傳感器提供一個LVDT反饋信號。此反饋信號與輸入信號相加所得到的誤差信號驅動放大器的輸出級。在放大器面板上設有輸入信號和LVDT反饋信號的監測點。

當比例控制系統設有反饋信號時，可實現控制精度較好的閉環控制，其系統框圖如圖2-27所示。

2.6.2.2 液壓系統

變槳距風力發電機組的液壓系統與定槳距風力發電機組的液壓系統很相似，也由兩個壓力保持回路組成：一路由蓄能器通過電液比例閥供給槳葉變距液壓缸；另一路由蓄能器供給高速軸上的機械剎車機構。

2.6.2.3 液壓泵站

如圖2-28所示，液壓泵站的動力源是液壓泵5，為變槳距回路和制動器回路所共有。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過聯軸器6，由油箱上部的電動機驅動。泵的流量變化根據負荷而定。

液壓泵由壓力傳感器12的信號控制。當泵停止時，系統由蓄能器15保持壓力。系統的工作壓力設定范圍為13.0～14.5MPa。當壓力降至13.0MPa以下時，泵啟動；在14.5MPa時，泵停止。在運行、暫停和停止狀態，泵根據壓力傳感器的信號自動工作，在緊急停機狀態，泵被迅速斷路而關閉。

壓力油從泵通過高壓濾清器10和單向閥11-1傳送到蓄能器15。濾清器上裝有旁通閥和污染指示器，它在旁通閥打開前起作用。單向閥11-1在泵停止時阻止回流。緊跟在高壓濾清器10外面，先后有兩個壓力表連接器（M1和M2），它們用于測量泵的壓力或濾清器兩端的壓力降。測量時將各測量點的連接器通過軟管與連接器M8上的壓力表14接通。

溢流閥13-1是防止泵在系統壓力超過14.5MPa時繼續泵油進入系統的安全閥。在蓄能器15外部加熱時，溢流閥13-1會限制氣壓及油壓升高。在檢驗蓄能器預充壓力或系統維修時可調節流閥17-1用于釋放來自蓄能器15-1的壓力油。油箱上裝有油位開關2，以防油溢出或泵在無油情況下運轉。

油箱內的油溫由裝在油池內的PT100傳感器測得，出線盒裝在油箱上部。油溫過高會導致報警，以免在高溫下泵的磨損，延長密封的使用壽命。

2.6.2.4 變槳距控制

變槳距控制系統的節距控制通過比例閥實現。如圖2-29所示，控制器根據功率或轉速信號給出一個-10～+10V的控制電壓，通過比例閥控制器轉換成一定范圍的電流信號，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點劃線內是帶控制放大器的比例閥，設有內部LVDT反饋。變槳距液壓缸按比例閥輸出的方向和流量操縱槳葉節距角在-5°～88°之間運動。為了提高整個變槳距系統的動態性能，在變距液壓缸上也設有LVDT位置傳感器，如圖2-29所示。

如圖2-28所示，在比例閥至油箱的回路上裝有0.1MPa單向閥11-4，該單向閥確保比例閥T口上總是保持0.1MPa壓力，避免比例閥阻尼室內的阻尼“消失”導致該閥不穩定而產生振動。

比例閥上的紅色LED（發光二極管）指示LVDT故障，LVDT輸出信號是比例閥上滑閥位置的測量值，控制電壓和LVDT信號相互間的關系如圖2-30所示。

變槳距速率由控制器計算給出，以0°為參考中心點。控制電壓和變槳距速率的關系如圖2-30所示。

1．液壓系統在運轉/暫停時的工作情況

如圖2-28所示，電磁閥18-1（緊急順槳閥）和18-2（緊急順槳閥）通電，使比例閥上的P口得到來自泵和蓄能器15-1的壓力。節距液壓缸的左端（前端）與比例閥的A口相連。

電磁閥20-1通電，從而使先導管路（虛線）增加壓力。先導止回閥23裝在變槳距液壓缸后端靠先導壓力打開以允許活塞雙向自由移動。

把比例閥19通電到“直接”（P-A、B-T）時，壓力油即通過單向閥11-2和電磁閥18-2傳送P-A至缸筒的前端。活塞向右移動，相應的槳葉節距向-5°方向調節，油從液壓缸右端（后端）通過先導止回閥23和比例閥19（B口至T口）回流到油箱。

把比例閥19通電到“跨接”（P-B、A-T）時，壓力油通過止回閥傳送P-B進入液壓缸后端，活塞向左移動，相應的槳葉節距向+80°方向調節，油從液壓缸左端（前端）通過電磁閥18-2和單向閥11-3回流到壓力管路。由于右端活塞面積大于左端活塞面積，使活塞右端壓力高于左端的壓力，從而能使活塞向前移動。

2．液壓系統在停機/緊急停機時的工作情況

停機指令發出后，電磁閥18-1和18-2斷電，油從蓄能器15-1通過電磁閥18-1和節流閥16-1及先導止回閥23傳送到液壓缸后端。缸筒的前端通過閥18-2和節流閥16-2排放到油箱，槳葉變距到+80°機械端點而不受來自比例閥19的影響，電磁閥20-1斷電時，先導管路壓力油排放到油箱，先導止回閥23不再保持存雙向打開位置，但仍然保持止回閥的作用，只允許壓力油流進缸筒，從而使來自風的變距力不能從液壓缸左端方向移動活塞，避免向-5°的方向調節槳葉節距。

在停機狀態，液壓泵繼續自動停/啟運轉。順槳由部分來自蓄能器15-1，部分直接來自液壓泵5的壓力油來完成。在緊急停機位時，泵很快斷開、順槳只由來自蓄能器15-1的壓力油來完成。為了防止在緊急停機時，蓄能器15內油量不夠變距液壓缸—個行程，緊急順槳將由來自風的自變距力完成。液壓缸右端將由兩部分液壓油來填補：一部分來自液壓缸左端通過電磁閥18-2、節流閥16-2、單向閥11-5和先導止回閥23的重復循環油；另一部分油來自油箱通過吸油管路及單向閥11-5和先導止回閥23。

2.6.2.5 制動機構

制動機構由液壓泵站通過減壓閥21供給壓力源。

蓄能器15-2確保能在即使沒有來自蓄能器15-1或泵的壓力情況下也能工作。在檢驗蓄能器15-2的預充壓力或在維修制動系統時可調節流閥17-2用于釋放來自蓄能器15-2的壓力油。壓力開關22-1是常閉的，當蓄能器15-2上的壓力降低于1.5MPa時打開報警。壓力開關22-2用于檢查制動壓力上升，包括在制動器動作時。溢流閥13-2防止制動系統在減壓閥21誤動作或在蓄能器15-2受外部加熱時，壓力過高（2.3MPa）。過高的壓力即過高的制動轉矩，會造成對傳動系統的嚴重損壞。

液壓系統在制動器一側裝有球閥，以便螺桿活塞泵在液壓系統不能加壓時用于制動風力機。打開球閥、旋上活塞泵，制動卡鉗將被加壓，單向閥11-7阻止回流油向蓄能器15-2方向流動。要防止在電磁閥20-2通電時加壓，這時制動系統的壓力油經電磁閥排回油箱，加不上來自螺桿活塞泵的壓力。在任何使用一次螺桿泵以后，球閥必須關閉。

1．運行/暫停/停機

開機指令發出后，電磁閥20-2通電后，制動卡鉗排油到油箱，剎車因此而被釋放。暫停期間保持運行時的狀態。

停機指令發出后，電磁閥20-2失電，來自蓄能器15-2的和減壓閥21壓力油可通過電磁閥20-2的3口進入制動器液壓缸，實現停機時的制動。

2．緊急停機

電磁閥20-2失電，蓄能器15-2將壓力油通過電磁閥20-2進入制動卡鉗液壓缸。制動液壓缸的速度由節流閥16-4控制。

2.6.2.6 液壓系統的試驗

1．液壓裝置試驗

（1）試驗內容在正常運行和剎車狀態，分別觀察液壓系統壓力保持能力和液壓系統各元件動作情況，記錄系統自動補充壓力的時間間隔。

（2）試驗要求在執行氣動與機械剎車指令時動作正確；在連續觀察的6h中自動補充壓力油2次，每次補油時間約2s。在保持壓力狀態24h后，無外泄漏現象。

（3）試驗方法。

1）打開油壓表，進行開機、停機操作，觀察液壓是否及時補充、回放，卡鉗補油，收回葉尖的壓力是否保持在設定值。

2）運行24h后，檢查液壓系統有無泄漏現象。

3）用電壓表測試電磁閥的工作電壓。

4）分別操作風力發電機組的開機，松剎、停機動作，觀察葉尖、卡鉗是否相應動作。

5）觀察在液壓補油，回油時是否有異常噪聲。

2．飛車試驗

飛車試驗的目的是為了設定或檢驗液壓系統中的突開閥。一般按以下步驟進行試驗：

（1）將所有過轉速保護的設置值均改為正常設定值的2倍，以免這些保護首先動作。

（2）將風力發電機組并網轉速調至5000r/min。

（3）調整好突開閥后，啟動風力發電機組。當風力發電機組轉速達到額定轉速的125%時，突開閥將打開并將氣動剎車油缸中的壓力油釋放，從而導致空氣動力剎車動作，使風輪轉速迅速降低。

（4）讀出最大風輪轉速值和風速值。

（5）試驗結果正常時，將轉速設置改為正常設定值。

3．變距系統試驗

變距系統試驗主要是測試如圖2-30所示的變距速率、位置反饋信號與控制電壓的關系。