淺談液壓系統(tǒng)在風力發(fā)電機中的應用

    風力發(fā)電這個目前處于非常熱門的產(chǎn)業(yè)投資中，由電子自動控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)相結合的技術被更多的應用于其中。如在風力發(fā)電機的設計中將整機的變槳系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)高速軸的制動子系統(tǒng)都采用電子伺服液壓控制來實現(xiàn)自動控制與調整。目前，絕大多數(shù)的風力發(fā)電機都采用自動變槳距技術，通過一系列的檢測信號可以更為有效可靠的收集和利用當?shù)氐娘L能資源。變槳距設計是指葉片繞著葉片中心軸旋轉，使葉片攻角在一定范圍內(nèi)變化，以便調節(jié)輸出功率不超過設計的容許值，在機組出故障或由于特殊情況需要緊急停機時，一般先使葉片順槳，這樣機組結構中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。而變槳距風力發(fā)電機一般采用液壓執(zhí)行機構或電動執(zhí)行機構進行設計，但是對于電動機構的變槳距控制，一般需要可靠的電源，以便實現(xiàn)更為安全有效的失效模式下的控制。這需要配備體積大而且價格昂貴的蓄電池。對于比較成熟的變槳系統(tǒng)設計一般采用液壓自動控制的原理去實現(xiàn)，這樣一方面可以節(jié)約成本，同時可以利用液壓控制的優(yōu)點和系統(tǒng)的中心控制系統(tǒng)進行有效的結合，實現(xiàn)更為有效的安全操作。液壓變槳距的原理就是通過外界給與控制系統(tǒng)相關的信號，使液壓泵站所產(chǎn)的液壓力推動變槳油缸的直接運行，從而通過一個運動轉換裝置將直線運動轉變?yōu)閳A周運動，來推動帶有軸承的葉片的轉動，實現(xiàn)有效的變槳角度，在這個過程中必須配置一個控制精度高的比例電磁閥來直線對執(zhí)行油缸有效、準確的控制。對于小功率的風力發(fā)電機一般采用統(tǒng)一變槳控制，也就是說利用一個液壓執(zhí)行機構控制整個風機所有葉片的變槳；但是對于大功率風機的設計一般采用獨立的變槳機構，即每個液壓執(zhí)行機構去單獨控制每個葉片的有效受風角度，以便實現(xiàn)對每個槳葉控制的準確性和一致性。其中后者隨著整個風電行業(yè)的發(fā)展以及大功率風力發(fā)電機的設計和運行，這種優(yōu)勢越來越被認可和運用于實際當中，已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。將液壓控制系統(tǒng)應用在整機中，一旦發(fā)生故障，這種設計可以更為有效地使風力發(fā)電機組從滿載過渡到安全的狀態(tài)，實現(xiàn)葉片的順槳，同時實現(xiàn)停機，至少可以滿足維護人員的安全使用要求。各個風機設計和制造商利用他們成熟的技術和控制系統(tǒng)的設計，采用液壓自動控制，通過與整機的中心控制系統(tǒng)有效的鏈接，可以更為準確的進行微步控制，從而將葉片的受風面與當時風速形成一個很好的受力夾角，實現(xiàn)更為有效的、更大能量的發(fā)電。

    下面就以一例，進一步簡要說明液壓變槳控制系統(tǒng)在風機中的應用。該風機上采用的液壓變槳裝置，運用的是統(tǒng)一的液壓變槳距控制，即所有的葉片的變槳動力均來自同一個液壓執(zhí)行機構-液壓油缸。圖3即為將液壓和電子控制應用在風力發(fā)電機帶有液壓變漿系統(tǒng)的簡圖以及變漿系統(tǒng)的設計程序。
    以上述控制模塊為例，在該風機上安裝有高精度的風速傳感器（WindSpeed Sensor）,在正常的工作狀態(tài)下，當它測得外界當時的風速后會將該風速信號以某一特定信號傳遞給中央邏輯控制系統(tǒng)（PLC System），中央控制單元經(jīng)過內(nèi)部設定好的程序對比后，將對比后的執(zhí)行數(shù)據(jù)以電壓的形式傳遞到液壓系統(tǒng)中的比例電磁換向閥（Proportional Valve）兩端執(zhí)行換向功能，這個電壓的峰值為-10/+10V，比例換向閥根據(jù)給定電壓的大小，決定其閥芯開口度的大小，來決定變槳過程中液體流量的大小，從而推動系統(tǒng)中的變槳油缸，執(zhí)行相應的位移來進一步?jīng)Q定葉片角度的變化。在整個變槳過程中還有另外一個信號檢測和反饋元件起到了非常重要的作用，那就是在變槳油缸中安置的位移傳感器（Stroke Sensor），它可以檢測我們油缸行程的準確位置，這種微脈沖位移傳感器，通過定位磁環(huán)移動形成的有效磁場，進行對液壓油缸活塞位移的有效距離進行檢測，并將檢測的信號傳遞到PLC控制系統(tǒng)進行相應的快速而準確的對比，從而更準確地決定和驗證葉片角度與當時風速是否在我們設定的最佳狀態(tài)范圍內(nèi)。當該風機處于緊急狀態(tài)時，如風速傳感器檢測到的風速大于或接近風機設計的安全運行風速的時候，PLC控制系統(tǒng)會自動進行數(shù)據(jù)對比；當動力系統(tǒng)的電源斷開時等等情況，諸如此類緊急狀態(tài)發(fā)生時，中心控制系統(tǒng)會發(fā)出緊急信號給液壓控制單元，這時依靠液壓系統(tǒng)本身的蓄能設備給系統(tǒng)補充動力，變槳油缸會在液壓力的控制下推動液壓油缸活塞桿全部伸出，使葉片處于順槳的安全狀態(tài)，對風機進行實時保護同時以便于為風機的下一步操作做好安全措施，如進行維護或修理等等。
    除了將液壓設計運用于風機變槳系統(tǒng)之外，許多風機設計和制造公司還將液壓系統(tǒng)運用到風機齒輪箱傳動系統(tǒng)高速軸以及整個偏航系統(tǒng)的剎車功能。諸如，運用液壓子系統(tǒng)來控制偏航制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的剎車制動。
    將風機的剎車系統(tǒng)采用液壓來控制也是其應用之一，設計者在設計時將風機的齒輪箱高速軸輸出端設定一個剎車卡鉗，給剎車系統(tǒng)引入制動控制端，制動動力源來自液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)在接到控制單元的指令后釋放壓力將作用在制動卡鉗的受力面。由于它只是在葉片變槳調節(jié)系統(tǒng)或手動安全剎車失效之后才發(fā)生作用，可以認為極少會出現(xiàn)制動循環(huán)，以及需要對齒輪傳動系統(tǒng)進行制動時出現(xiàn)。但是，風機在每次啟動之前，該制動會作為一個剎車信號來檢測剎車功能和液壓子系統(tǒng)的安全性和可靠性。而剎車系統(tǒng)的液壓回路的設計，必須使制動時的力矩對應于風機的額定轉矩。當剎車發(fā)生作用時，必須保證風機的安全停止。
    在風機的偏航系統(tǒng)中運用液壓剎車制動主要包括液壓激活的剎車卡鉗和系統(tǒng)管路，卡鉗被安裝在機艙和塔筒連接處回轉機構的剎車盤上。在風機正常運轉期間，剎車處于待工作狀態(tài)下，當收到信號需要對偏航系統(tǒng)進行剎車時，該組卡鉗便會在液壓系統(tǒng)控制下釋放液壓力，對偏航的剎車盤進行制動控制。為了使風機按照變化的風向定位，剎車卡鉗的壓力等級由中央控制單元控制。剎車釋放的剩余壓力會與偏航系統(tǒng)產(chǎn)生一個均衡的力矩，與改變外部偏航的力矩相抵消，保證驅動齒輪不會出現(xiàn)反轉。
    此外，許多風機設計和制造公司在其產(chǎn)品設計以及制造中，對整機性能和智能化操作中均采用液壓控制單元，世界著名的風力發(fā)電設計和制造商Vestas公司在變槳方面采用了全智能化和先進的液壓控制單元，同時在
    其傳動系統(tǒng)的高速軸上同樣采用了液壓制動系統(tǒng)，在現(xiàn)有的系統(tǒng)控制單元基礎上增加該功能，不僅充分利用了液壓設計的最基本原理，使對高速軸制動更加平穩(wěn)，可靠，而且更加發(fā)揮了液壓在其過程中所起到的積極作用，從而也保證了風機的安全性和穩(wěn)定操作性。
    風力發(fā)電機的正常運行和緊急保護需要進行制動控制，必須能夠自動控制風機在緊急情況下的停止以及解除制動后的重新啟動，使風機更好處于智能化操作過程。利用風機本身的實時監(jiān)控系統(tǒng)，將液壓控制部分很好的與整個系統(tǒng)的控制進行有效的鏈接，從而實現(xiàn)對液壓單元控制的及時性和有效性，這不僅在產(chǎn)品性能方面有了更好的提高，同時可以利用先進的傳感設備對采集數(shù)據(jù)的識辨，從而可以更為合理的控制風機的各個功能和動作，同時有效的利用了本地的風力資源。
   目前，隨著產(chǎn)業(yè)化的逐步發(fā)展，更為高端的技術在悄然的出現(xiàn)，使風機可以在無人的狀態(tài)下進行全程監(jiān)控和操作。液壓控制傳動以其自身的優(yōu)點，以及與電子自動控制方面的有效鏈接性，得到了更多風機設計者的考慮和思索，將電子-液壓-機械這三者有效的結合，從而實現(xiàn)對風機的全程監(jiān)控、操作、維護，使風機的安全性、穩(wěn)定性以及有效性得到更大的發(fā)展和提高。