兆瓦級風力發電機組液壓系統國產化研制

孫紅梅，高明

(1. 北京電子科技職業學院，北京100029; 2. 北京京城新能源有限公司，北京100040)

兆瓦級風力發電機組是目前各風機制造商研發的主流產品，然而由于這種機組性能的要求，其體積必然十分龐大。這樣就要求在生產和發電等過程中所需的動力系統和調節系統有大功率的輸出、可靠的控制精度、所占空間少等特點。液壓系統擁有符合上述要求的特性(單位體積小、質量輕、動態響應好、扭矩大并且無需變速機構)，所以在風電行業中液壓變槳系統得到廣泛應用［1－2］。目前，隨著國內企業研發和加工水平的提高，葉片、軸承、齒輪箱、制動系統等很多部件都較好地實現了國產化，金風、華銳等公司也已經成功地實現兆瓦級風力發電機組的生產和吊裝，且應用情況良好。本文主要從風機的實際低溫工作環境出發，介紹了工作介質液壓油、電機泵組、蓄能器、油缸等幾個主要部件的設計計算和選型，從這幾個方面闡述風機液壓變槳系統的國產化。

1 液壓變槳的優勢

在風力發電技術比較發達的國家，如德國、丹麥等，在大型兆瓦級的風力發電機組上普遍采用液壓變槳的控制方式。液壓變槳與電動變槳相比，具有如下優勢［3－5］:

(1)驅動力矩大、變槳平穩。對于兆瓦級的風力發電機組，槳葉長度達40 m，需要的變槳力矩較大。液壓變槳系統通過油缸帶動槳葉轉動，最高工作壓力為16 MPa，最大輸出力達190 kN，使變槳過程平穩可靠。

(2)變槳速度快。液壓變槳的油缸直接帶動槳葉轉動，沒有中間環節，變槳速度快。而電動變槳因為功率限制，電動機需要經過多級減速才能驅動槳葉轉動，變槳速度慢。

(3)安全性高。液壓變槳系統使用蓄能器作為備用動力，當電源失去時，依靠蓄能器內儲存的能量驅動槳葉回到順槳位置。電動變槳無論使用蓄電池還是超級電容，可靠性差，易出現故障。

這些優勢使得液壓變槳更適合應用于大型兆瓦級風力發電機組上。

我國的風力發電主要是走引進技術國產化的道路。液壓系統作為風力發電機組的關鍵部件，往往整套從國外采購，成本很高。另外，我國的風力資源集中在北方地區，冬季極端氣溫很低，必須使用低溫型液壓系統。低溫型風力發電機組的溫度要求為－30 ℃工作，－45 ℃生存，而國外的液壓系統基本上都只能滿足最低－20 ℃的工作要求。所以，低溫型變槳液壓系統的研制既可以打破國外對變槳液壓系統的壟斷，又能適應我國風機實際使用的需要，具有重要的現實意義和商業價值［6］。

2 液壓元件及其材料的理論分析與設計計算

2.1 液壓油的選擇

風力發電機組的液壓系統工作環境在夏季和冬季溫差很大，對液壓油的要求很高，要求液壓油的黏度指數要高，即油的黏度不能受溫度影響太大。同時，液壓系統在低溫下工作，要求液壓油在低溫下具有良好的流動性，滿足液壓泵和液壓閥的工作要求。

根據這個要求，選擇3 種液壓油進行對比，其性能對比見表1。

表1 3 種液壓油的參數對比

通過比較3 種液壓油的各項參數，可知殼牌得力士Arctic32 最適合應用于風力發電機組液壓系統。該液壓油既能保證低溫的啟動性能又能保證高溫時的潤滑性能，適應溫度范圍廣。

2.2 電機泵組的選型要求

電機泵組用于輸出液壓系統工作所需的壓力油。一旦電機泵組出現故障，就會造成整套液壓系統停止運行。所以，電機泵組是液壓系統的關鍵元件，對可靠性要求很高。同時，電機泵組長期不間斷運行，對壽命也有很高的要求。

電動機采用特殊定制的低溫型電動機。電動機功率30 kW，工作電壓690 V、50 Hz，防護等級IP55，絕緣等級F 級。為了能在低溫下工作，該電動機還配有加熱帶、金屬風葉及用于低溫的軸承潤滑脂。在電動機停止時加熱帶工作，避免低溫下電機因結露而燒毀。考慮到低溫情況下液壓油的黏度比較高，要求油泵的自吸性能要好。選擇力士樂公司的內嚙合齒輪泵作為液壓系統的主油泵，該油泵啟動黏度達2 ×10－3m2/s，可在黏度為5 ×10－4m2/s 的條件下長期工作，適合于在－30 ℃的溫度下連續工作。

2.3 蓄能器的設計計算

蓄能器對于風力發電機組變槳液壓系統至關重要。系統中共有兩組蓄能器:一組為主蓄能器，負責向液壓系統提供壓力，保證油泵間歇工作;另一組為安全蓄能器，當液壓系統失去動力時，利用蓄能器內儲存的能量推動槳葉回到順槳位置。

選擇蓄能器時需要考慮在低溫下蓄能器的壽命和低溫對蓄能器有效容積的影響。對于普通的皮囊式蓄能器，皮囊材料為丁氰橡膠，當溫度低于－10 ℃時，該橡膠件就會產生冷脆現象，在充油放油的過程中極易損壞。如果要在－30 ℃溫度下工作，皮囊必須選用耐低溫的ECO 材料或低溫丁晴橡膠。

下面比較一下不同溫度下蓄能器有效容積的變化。

把蓄能器充放油過程按照絕熱過程考慮，根據公式(1)計算蓄能器的有效容積:

式中:ΔV 為蓄能器的有效容積(當壓力由p2變為p1時蓄能器排出的油量);

V0為蓄能器容積;

K 為絕熱系數，K=1.4;

p0為蓄能器充氣壓力，系統中為6 MPa (20 ℃時數值);

p1為蓄能器最低工作壓力，系統中為6.5 MPa;

p2為蓄能器最高工作壓力，系統中為16.5 MPa。

在不同溫度下，根據公式(2)計算不同溫度下蓄能器的有效容積:

式中:T 為絕對溫度(K)。

計算結果如表2 所示。

表2 不同溫度下蓄能器的有效容積ΔV L

根據計算結果可知:在低溫下蓄能器的有效容積會減少。

主蓄能器采用3 個50 L 的蓄能器，在低溫下有效容積總共減少11.7 L，可以通過增加泵的啟動時間來彌補。而對于安全蓄能器，其儲存的能量用作停電狀態下驅動槳葉到順槳位置，功能十分重要。所以，低溫下需采用2 個24.5 L 蓄能器替代1 個35 L 蓄能器來作為安全蓄能器，以保證有足夠能量來推動安全油泵動作［7］。

2.4 油缸的設計

液壓系統共有3 個控制油缸和3 個安全油缸來完成變槳功能。控制油缸受比例閥控制，根據功率輸出要求實時調節槳葉的角度;安全油缸接收風機安全系統的信號，當出現停機信號時，推動槳葉回到順槳位置［8］。

油缸的設計重點要考慮工作溫度和使用壽命。沖擊功是檢驗材料壽命的一個重要指標，經過低溫測試，普通的碳鋼材料(如45 號鋼)在－40 ℃左右時，沖擊功下降，不適合用作油缸筒體的材料。而Q345E 材料，在－40 ℃的沖擊功大于27 J，故選擇Q345E 材料作為油缸筒的材料。

對于Q345E 材料制成的油缸筒體，強度校核如下:

油缸體壁厚按下面公式計算:

取:pmax=25 MPa

D=0.125 m

σs=345 MPa，取n=2，則［σ］=172.5 MPa

計算得，δ≥9.7 mm

設計中取δ =12.5 mm，可以保證足夠的安全系數。

對于活塞桿，選擇40CrNiMoA 材料。活塞桿直徑d=65 mm，因為LB≥10d，所以要進行壓桿穩定性校核。

式中:E=210 ×103MPa;

J=0.049d4;

K=1;

LB=0.9 m。

計算得，FK=2 238 121 N，取nK=3.5，得

F≤639 463 N

當pmax=25 MPa 時，F =306 796 N ＜639 463 N，壓桿穩定性符合要求。

3 試驗測試與使用考核

在消化吸收國外先進技術的基礎上，結合我國風場的實際使用情況，研制出低溫型的風機變槳液壓系統樣機。為檢驗樣機的各項性能指標及考核使用效果，對樣機進行了性能測試和實際使用考核。

3.1 常規試驗

按照“液壓系統通用技術條件”的要求，在常溫下對風機變槳液壓系統進行性能試驗。試驗內容包括:耐壓試驗、油泵承卸載試驗、內泄漏試驗、跑合試驗、加載試驗、控制閉環試驗等。經過試驗，各項靜動態指標均達到了設計要求。

3.2 低溫試驗

風機變槳液壓系統要求能在－30 ℃溫度下工作，－45 ℃溫度下生存。為檢驗低溫下的各項性能指標，對樣機進行了低溫工作試驗，就是將樣機置于低溫箱中，在低溫下完成各種動作試驗(如圖1)。低溫試驗過程如下:

(1)將常溫試驗合格的樣機置于低溫箱中，將環境溫度冷卻至－30 ℃;

(2)待到油溫達到－30 ℃后啟動電機，觀察壓力和溫度的變化;

(3)通過驅動各電磁閥，檢驗液壓系統的各個動作;

(4)比例閥、油缸、位移傳感器組成閉環回路，通過外加信號測量閉環運動曲線，與常溫狀態下的曲線進行對比;

(5)系統停機，將溫度冷卻至－ 45 ℃，保溫12 h 以上;

(6)將溫度恢復至－30 ℃，進行液壓系統的各種動作試驗，檢查各項指標及外泄漏;

(7)將溫度恢復到常溫，在常溫下重新進行試驗，將試驗數據與低溫試驗前數據進行對比分析。

圖1 低溫試驗

3.3 油缸壽命試驗

為考核油缸的長期工作性能，對油缸進行了20萬次動作試驗。

選取一套控制油缸和一套安全油缸，組成相互加載回路進行測試。測試壓力為10 MPa，動作速度為100 mm/s，油缸行程為450 mm。

經過20 萬次動作試驗后，測試油缸的滯緩率曲線(如圖2)和內泄漏量與測試前對比，滯緩率曲線沒有變化，內泄漏量從0 增加到2 滴/min。可以證明兩套油缸經過長期工作以后，各方面性能指標都沒有下降。

圖2 控制油缸的滯緩率曲線

3.4 實際使用考核

完成各項試驗之后，樣機安裝在內蒙古霍林河風場，進行實際發電考核。經過兩年的運行，國產化的變槳液壓系統各項性能指標完全能滿足風機的使用要求，已經超過進口產品的水平。

4 結論

結合我國風場主要分布在內蒙、東北、西北地區的實際情況，在消化吸收國外先進技術的基礎上，研制的低溫型風機變槳液壓系統能滿足風機的使用需要，并通過了實際使用考核。這套液壓系統的研制，填補了我國兆瓦級風力發電機組變槳液壓系統的空白，打破了國外供應商壟斷的局面，大大降低了風力發電機組液壓系統的采購價格，初步預計將降低30%，為國內風機設備供應商生產成本的降低起到了積極的作用。

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【3】陳曉波，林勇剛，李偉.基于Bladed 的電液比例變槳距.風力機半物理仿真平臺［J］. 機床與液壓，2006(12):l16 －l17.

【4】孟曉鳳，鄒文杰. 一種750 kW 風力發電機組的液壓變槳機構［J］.科技與生活，2010(16):137，170.

【5】王樹強，劉紹杰.兆瓦級風力發電機液壓變槳距系統設計及建模［J］.沈陽工業學院學報，2004(3):32 －34.

【6】屈 圭，梅滬光，吳曉丹. 大型風電機綜合液壓系統設計［J］.機電產品開發與創新，2009(7):29 －31.

【7】葉航冶.風力發電控制系統［M］. 北京:機械工業出版社，2002.

【8】李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統建模與仿真［M］.北京:冶金工業出版社，2003.