兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 李 強(qiáng) 曹晟磊 中電（福建）電力開發(fā)有限公司 程 霄

蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司 王 瀟

隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)數(shù)量的不斷增多，加之風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境惡劣和結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)成本急劇攀升，業(yè)主對(duì)其可靠性提出了要求。于此同時(shí)，在國(guó)家倡導(dǎo)高質(zhì)量發(fā)展的新形勢(shì)下對(duì)其可靠性提出了更高的要求。液壓系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)、變槳?jiǎng)恿椭鬏S剎車制動(dòng)等起著重要作用。

液壓系統(tǒng)主要為風(fēng)電機(jī)組提供偏航制動(dòng)阻尼和主軸剎車制動(dòng)壓力，因此液壓系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行和安全至關(guān)重要，由于雙饋機(jī)組所屬液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，雙饋機(jī)組在運(yùn)行后期液壓系統(tǒng)中會(huì)經(jīng)常報(bào)錯(cuò)，如：液壓油泵啟動(dòng)次數(shù)過多、液壓站壓力低、剎車自檢失敗等故障，該故障處理棘手，導(dǎo)致機(jī)組電量損失，部分故障還會(huì)加速液壓油高溫變質(zhì)，導(dǎo)致建壓效率降低，提高風(fēng)電場(chǎng)廠用電量和的維護(hù)成本，同時(shí)機(jī)組液壓油泄漏會(huì)造成機(jī)組內(nèi)部油液污染。為提高液壓站建壓效率和使用壽命，消除機(jī)組安全隱患提高機(jī)組可利用率，特對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 運(yùn)行工況

1.1 偏航靜止?fàn)顟B(tài)

1.5MW 雙饋機(jī)組在不偏航時(shí)，其偏航處于液壓制動(dòng)狀態(tài)，即全制動(dòng)狀態(tài)，偏航液壓對(duì)偏航系統(tǒng)提供足夠的阻尼力矩，以抵制風(fēng)速對(duì)風(fēng)輪平面的側(cè)傾力矩，使之保持靜止，此時(shí)P=160bar，液壓偏航壓力與系統(tǒng)壓力貫通一致，此時(shí)壓力在正常狀態(tài)無流失。

1.2 偏航對(duì)風(fēng)狀態(tài)

機(jī)組在偏航對(duì)風(fēng)時(shí)，液壓站偏航剎車壓力處于半釋放狀態(tài)（P1=45bar），但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行在20bar 左右，而偏航剎車的進(jìn)油回路一直處于供壓狀態(tài)（P=160bar），故液壓站在偏航半釋放電磁泄壓閥230.1和溢流閥240的作用下一直泄壓，偏航回路壓力檢測(cè)點(diǎn)為170.3，系統(tǒng)壓力檢測(cè)點(diǎn)為170.1，如圖1所示。在液壓系統(tǒng)壓力低于140bar時(shí)進(jìn)行自啟動(dòng)建壓，P 為液壓站自啟停止打壓的上限，即一般為160bar，在偏航對(duì)風(fēng)過程中液壓站為保證140bar～160bar 的系統(tǒng)壓力，進(jìn)行間斷性建壓，系統(tǒng)壓力圖顯示為鋸齒狀，ΔP1為液壓站在偏航對(duì)風(fēng)過程中任意時(shí)刻損失的壓力，即：ΔP1=PP1=115bar。

圖1 上海伊頓液壓系統(tǒng)圖

1.3 偏航解纜狀態(tài)

機(jī)組在偏航解纜狀態(tài)時(shí)機(jī)組停機(jī)，為使機(jī)組更快的進(jìn)行解纜并降低偏航的摩擦損耗，液壓站偏航剎車壓力處于全釋放狀態(tài)（P2=0bar），此時(shí)偏航剎車的進(jìn)油回路也一直處于供壓狀態(tài)（P=160bar），故液壓站在偏航全釋放電磁泄壓閥230.2的作用下一直泄壓，系統(tǒng)壓力圖是更為尖銳的鋸齒狀。ΔP2為液壓站在偏航解纜過程中任意時(shí)刻損失的壓力，即：ΔP2=P-P2=160bar。

根據(jù)偏航狀態(tài)的不同，繪出圖2所示的液壓系統(tǒng)壓力和建壓時(shí)序圖，壓力圖呈現(xiàn)“鋸齒狀”，圖中曲線上坡為液壓系統(tǒng)建壓動(dòng)作，在偏航動(dòng)作過程中液壓系統(tǒng)均處于泄壓狀態(tài)，因建壓速率比泄壓速率快，因此系統(tǒng)壓力圖顯示為鋸齒狀，壓力圖“上坡”較陡說明液壓系統(tǒng)建壓效率良好，“下坡”較緩說明壓力釋放為較慢。因偏航解纜泄壓較多導(dǎo)致系統(tǒng)壓力曲線比偏航對(duì)風(fēng)更陡峭，在整個(gè)偏航過程中，液壓系統(tǒng)壓力均在泄放狀態(tài)，故其曲線建壓的頻次跟偏航動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間成正相關(guān)，持續(xù)的偏航動(dòng)作導(dǎo)致液壓系統(tǒng)建壓動(dòng)作啟動(dòng)頻繁[1]。

圖2 液壓系統(tǒng)壓力及建壓時(shí)序圖

綜上所述，液壓站在后面兩種狀態(tài)下，為維持一定的系統(tǒng)工作壓力，保證液壓系統(tǒng)對(duì)偏航和主軸剎車的安全控制，液壓系統(tǒng)油泵時(shí)斷時(shí)續(xù)地處于工作狀態(tài)，偏航剎車的液壓油經(jīng)液壓站泵通過偏航剎車卡鉗再回到油箱，即在偏航過程中，偏航液壓油與液壓系統(tǒng)之間的油路一直處于油循環(huán)狀態(tài)，齒輪油泵在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的累積下，造成齒輪泵加速磨損以致油泵建壓效率降低，建壓磨損釋放的熱量又導(dǎo)致液壓油溫度持續(xù)升高，油溫過高使液壓油密度急速下降，從而加速液壓油變質(zhì)，液壓油中磨損的雜質(zhì)顆粒又導(dǎo)致油泵系統(tǒng)產(chǎn)生液壓油泄漏，隨后油泵建壓效率逐漸降低，這幾者之間復(fù)雜的相互疊加作用促使液壓系統(tǒng)惡性循環(huán)持續(xù)加深，極大的降低液壓站的建壓效率和使用壽命，同時(shí)增加液壓系統(tǒng)電量損耗，甚至造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全事故[2]。

2 優(yōu)化方案

2.1 硬件配置

為降低機(jī)組在偏航過程中偏航壓力的泄放、能量浪費(fèi)以及提高液壓系統(tǒng)的效率和壽命，本方案以調(diào)節(jié)建壓時(shí)間為目標(biāo)，以控制偏航供壓為方向，以電磁閥控制為方式，對(duì)液壓系統(tǒng)偏航供壓回路進(jìn)行優(yōu)化，將液壓系統(tǒng)圖中節(jié)流閥140.3改為兩位兩通電磁閥（圖3）。使用兩位兩通閥，可將偏航供油回路進(jìn)行控制，在偏航靜止時(shí)可與系統(tǒng)壓力保持一致，在偏航動(dòng)作時(shí)，及時(shí)將偏航供油回路截?cái)?，確保系統(tǒng)壓力不被泄放，而直流電磁閥所具備的快速性、靈敏性可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)偏航壓力的控制。

圖3 偏航供油回路閥體優(yōu)化

2.2 軟件配置

在偏航階段使用電磁閥鎖定偏航壓力，控制偏航進(jìn)壓，即阻斷與系統(tǒng)壓力之間的橋梁，偏航的目標(biāo)壓力僅由偏航釋放閥控制；在靜止階段解鎖偏航壓力與系統(tǒng)壓力是一個(gè)封閉系統(tǒng)，偏航壓力與系統(tǒng)壓力保持一致，形成相對(duì)穩(wěn)定的通路壓力系統(tǒng)，使其液壓系統(tǒng)具備壓力柔性，均衡壓力分布，增強(qiáng)阻尼特性。根據(jù)偏航階段的時(shí)間長(zhǎng)短設(shè)定電磁閥失電導(dǎo)通解鎖和得電關(guān)斷鎖定邏輯，偏航動(dòng)作如表1所示。

表1 偏航電磁閥動(dòng)作表

為實(shí)現(xiàn)對(duì)偏航鎖壓電磁閥104.3的硬件控制，提出兩種控制方法，具體如下：

通過主控系統(tǒng)，即在機(jī)艙柜內(nèi)倍福DO 模塊（KL2424）增加一組控制通道來實(shí)現(xiàn)，軟件控制需要在PLC 主控所屬偏航控制策略程序中寫入組態(tài)和控制邏輯，即偏航制動(dòng)時(shí)失電解鎖，偏航動(dòng)作時(shí)得電鎖定（此設(shè)計(jì)保證控制系統(tǒng)故障失電時(shí)，偏航回路有足夠的壓力），控制電源為24VDC 來實(shí)現(xiàn)，其倍福系統(tǒng)控制編譯靈活、反應(yīng)速度快、安全可靠，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)分析設(shè)計(jì)控制邏輯（圖4）。

圖4 倍福KL2424增加偏航鎖壓通道

通過控制電路，利用主控PLC 對(duì)偏航電機(jī)電磁剎車的控制信號(hào)，從機(jī)艙控制柜24VDC 配電端子取一組線，將偏航電機(jī)電磁剎車接觸器的386KM4的空置主觸點(diǎn)3、4腳接到偏航鎖壓電磁閥104.3上，因其控制簡(jiǎn)單，無需改寫控制程序，技改成本低效率高（圖5）。

圖5 偏航電磁松閘控制圖

對(duì)該偏航控制的兼容性進(jìn)行探討：依據(jù)偏航啟停時(shí)序策略就偏航對(duì)風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行分析，即偏航半釋放啟動(dòng)過程：開啟偏航半釋放、延時(shí)1秒鐘、打開電磁抱閘、延時(shí)1秒、啟動(dòng)偏航電機(jī)，偏航停止過程與之相反，故該控制方法在偏航啟動(dòng)初期系統(tǒng)壓力會(huì)對(duì)偏航產(chǎn)生2s 的泄壓時(shí)間，其不會(huì)對(duì)系統(tǒng)壓力造成較大的損失，同時(shí)較小偏航液壓油循環(huán)可改善偏航系統(tǒng)油液的溫度和過濾出雜質(zhì)顆粒；在偏航停止過程中會(huì)提前給偏航系統(tǒng)供壓，保證偏航壓力及時(shí)建立，提高偏航剎車響應(yīng)實(shí)現(xiàn)偏航制動(dòng)，保護(hù)偏航電機(jī)電磁抱閘損傷。

綜上所述，優(yōu)選方法二對(duì)控制偏航鎖壓電磁閥104.3進(jìn)行控制，其控制邏輯兼容性較好，技改簡(jiǎn)單成本低，運(yùn)行安全可靠，方案實(shí)施簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 優(yōu)化效果

安全性。液壓系統(tǒng)的可靠性對(duì)機(jī)組的安全舉足輕重，通過對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和液壓系統(tǒng)的異常工況，即在該電磁閥失電或故障失效的情況下，也可保證液壓站偏航系統(tǒng)正常運(yùn)行，不會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)和機(jī)組的安全造成負(fù)面影響，本液壓系統(tǒng)優(yōu)化方案可降低液壓站泵心磨損，提高建壓效率，延長(zhǎng)液壓站使用壽命，切實(shí)提高機(jī)組運(yùn)行的安全系數(shù)。

經(jīng)濟(jì)性。在液壓系統(tǒng)優(yōu)化后，在不同的偏航運(yùn)行狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)壓力及時(shí)序圖如圖6，在偏航解纜和偏航對(duì)風(fēng)的初期，由于系統(tǒng)釋放壓力導(dǎo)致系統(tǒng)壓力有所下降，偏航對(duì)風(fēng)狀態(tài)系統(tǒng)壓力變化相對(duì)平緩，但在動(dòng)作過程中系統(tǒng)壓力將保持恒定，系統(tǒng)壓力僅與偏航次數(shù)有關(guān)，而與偏航時(shí)長(zhǎng)無關(guān)，這極大的降低了液壓系統(tǒng)的啟動(dòng)次數(shù)。

圖6 液壓系統(tǒng)壓力及建壓時(shí)序圖

液壓站系統(tǒng)優(yōu)化方案可降低機(jī)組在偏航過程中偏航壓力能量的泄放和機(jī)組電量損耗，以甘肅酒泉地區(qū)盛行東、西風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)為例，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)組平均每天的偏航時(shí)間，即近似為液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)約為2h，液壓站驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為0.75kW，則損耗為1.5kWh，以334臺(tái)機(jī)組的風(fēng)場(chǎng)為例，每年節(jié)約機(jī)組損耗用電18.036萬kWh，同時(shí)降低了液壓系統(tǒng)的耗材、油液、備件等維護(hù)成本，該液壓站系統(tǒng)優(yōu)化方案技改成本低，在提高上網(wǎng)電量的同時(shí)可降低下網(wǎng)電量，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案可極大的阻斷偏航油路在偏航動(dòng)作過程中的油循環(huán)和壓力泄放，優(yōu)點(diǎn)如下：降低液壓系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)頻率，防止液壓系統(tǒng)頻發(fā)啟動(dòng)對(duì)液壓電機(jī)造成的損傷，同時(shí)可延長(zhǎng)齒輪泵的使用壽命，保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，極大的提高液壓系統(tǒng)的健康水平；保證液壓能在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的存儲(chǔ)時(shí)間和能量的使用效率，降低風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)耗電損失和風(fēng)電場(chǎng)的廠用電率達(dá)到節(jié)能降耗的目的；液壓系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單，改造成本低廉，運(yùn)行安全降低了液壓系統(tǒng)維護(hù)成本，是風(fēng)電機(jī)組提質(zhì)增效中的重要舉措。

綜上，液壓系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行舉足輕重，通過對(duì)偏航液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了液壓站建壓效率和機(jī)組可利用率，同時(shí)可降低液壓站的電量損耗和維護(hù)費(fèi)用。該設(shè)計(jì)方案在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性上有了極大的提升，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組液壓系統(tǒng)優(yōu)化的目的，極具推廣性。