兆瓦級風電機組液壓系統的優化設計

中電華創（蘇州）電力技術研究有限公司 李 強 曹晟磊 中電（福建）電力開發有限公司 程 霄

蕪湖發電有限責任公司 王 瀟

隨著風電機組裝機數量的不斷增多，加之風電機組工作環境惡劣和結構的日趨復雜，風電機組的設計、制造和運行維護成本急劇攀升，業主對其可靠性提出了要求。于此同時，在國家倡導高質量發展的新形勢下對其可靠性提出了更高的要求。液壓系統作為風電機組的重要組成部分，對風電機組偏航制動、變槳動力和主軸剎車制動等起著重要作用。

液壓系統主要為風電機組提供偏航制動阻尼和主軸剎車制動壓力，因此液壓系統對機組的運行和安全至關重要，由于雙饋機組所屬液壓系統的設計缺陷，雙饋機組在運行后期液壓系統中會經常報錯，如：液壓油泵啟動次數過多、液壓站壓力低、剎車自檢失敗等故障，該故障處理棘手，導致機組電量損失，部分故障還會加速液壓油高溫變質，導致建壓效率降低，提高風電場廠用電量和的維護成本，同時機組液壓油泄漏會造成機組內部油液污染。為提高液壓站建壓效率和使用壽命，消除機組安全隱患提高機組可利用率，特對液壓系統進行優化設計。

1 運行工況

1.1 偏航靜止狀態

1.5MW 雙饋機組在不偏航時，其偏航處于液壓制動狀態，即全制動狀態，偏航液壓對偏航系統提供足夠的阻尼力矩，以抵制風速對風輪平面的側傾力矩，使之保持靜止，此時P=160bar，液壓偏航壓力與系統壓力貫通一致，此時壓力在正常狀態無流失。

1.2 偏航對風狀態

機組在偏航對風時，液壓站偏航剎車壓力處于半釋放狀態（P1=45bar），但現場實際運行在20bar 左右，而偏航剎車的進油回路一直處于供壓狀態（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，偏航回路壓力檢測點為170.3，系統壓力檢測點為170.1，如圖1所示。在液壓系統壓力低于140bar時進行自啟動建壓，P 為液壓站自啟停止打壓的上限，即一般為160bar，在偏航對風過程中液壓站為保證140bar～160bar 的系統壓力，進行間斷性建壓，系統壓力圖顯示為鋸齒狀，ΔP1為液壓站在偏航對風過程中任意時刻損失的壓力，即：ΔP1=PP1=115bar。

圖1 上海伊頓液壓系統圖

1.3 偏航解纜狀態

機組在偏航解纜狀態時機組停機，為使機組更快的進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（P2=0bar），此時偏航剎車的進油回路也一直處于供壓狀態（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刻損失的壓力，即：ΔP2=P-P2=160bar。

根據偏航狀態的不同，繪出圖2所示的液壓系統壓力和建壓時序圖，壓力圖呈現“鋸齒狀”，圖中曲線上坡為液壓系統建壓動作，在偏航動作過程中液壓系統均處于泄壓狀態，因建壓速率比泄壓速率快，因此系統壓力圖顯示為鋸齒狀，壓力圖“上坡”較陡說明液壓系統建壓效率良好，“下坡”較緩說明壓力釋放為較慢。因偏航解纜泄壓較多導致系統壓力曲線比偏航對風更陡峭，在整個偏航過程中，液壓系統壓力均在泄放狀態，故其曲線建壓的頻次跟偏航動作的持續時間成正相關，持續的偏航動作導致液壓系統建壓動作啟動頻繁[1]。

圖2 液壓系統壓力及建壓時序圖

綜上所述，液壓站在后面兩種狀態下，為維持一定的系統工作壓力，保證液壓系統對偏航和主軸剎車的安全控制，液壓系統油泵時斷時續地處于工作狀態，偏航剎車的液壓油經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之間的油路一直處于油循環狀態，齒輪油泵在長時間運行的累積下，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致液壓油溫度持續升高，油溫過高使液壓油密度急速下降，從而加速液壓油變質，液壓油中磨損的雜質顆粒又導致油泵系統產生液壓油泄漏，隨后油泵建壓效率逐漸降低，這幾者之間復雜的相互疊加作用促使液壓系統惡性循環持續加深，極大的降低液壓站的建壓效率和使用壽命，同時增加液壓系統電量損耗，甚至造成風力發電機組的安全事故[2]。

2 優化方案

2.1 硬件配置

為降低機組在偏航過程中偏航壓力的泄放、能量浪費以及提高液壓系統的效率和壽命，本方案以調節建壓時間為目標，以控制偏航供壓為方向，以電磁閥控制為方式，對液壓系統偏航供壓回路進行優化，將液壓系統圖中節流閥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行控制，在偏航靜止時可與系統壓力保持一致，在偏航動作時，及時將偏航供油回路截斷，確保系統壓力不被泄放，而直流電磁閥所具備的快速性、靈敏性可實現對液壓系統偏航壓力的控制。

圖3 偏航供油回路閥體優化

2.2 軟件配置

在偏航階段使用電磁閥鎖定偏航壓力，控制偏航進壓，即阻斷與系統壓力之間的橋梁，偏航的目標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壓力是一個封閉系統，偏航壓力與系統壓力保持一致，形成相對穩定的通路壓力系統，使其液壓系統具備壓力柔性，均衡壓力分布，增強阻尼特性。根據偏航階段的時間長短設定電磁閥失電導通解鎖和得電關斷鎖定邏輯，偏航動作如表1所示。

表1 偏航電磁閥動作表

為實現對偏航鎖壓電磁閥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，即在機艙柜內倍福DO 模塊（KL2424）增加一組控制通道來實現，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和控制邏輯，即偏航制動時失電解鎖，偏航動作時得電鎖定（此設計保證控制系統故障失電時，偏航回路有足夠的壓力），控制電源為24VDC 來實現，其倍福系統控制編譯靈活、反應速度快、安全可靠，可根據風電機組進行協調分析設計控制邏輯（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 對偏航電機電磁剎車的控制信號，從機艙控制柜24VDC 配電端子取一組線，將偏航電機電磁剎車接觸器的386KM4的空置主觸點3、4腳接到偏航鎖壓電磁閥104.3上，因其控制簡單，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

對該偏航控制的兼容性進行探討：依據偏航啟停時序策略就偏航對風狀態進行分析，即偏航半釋放啟動過程：開啟偏航半釋放、延時1秒鐘、打開電磁抱閘、延時1秒、啟動偏航電機，偏航停止過程與之相反，故該控制方法在偏航啟動初期系統壓力會對偏航產生2s 的泄壓時間，其不會對系統壓力造成較大的損失，同時較小偏航液壓油循環可改善偏航系統油液的溫度和過濾出雜質顆粒；在偏航停止過程中會提前給偏航系統供壓，保證偏航壓力及時建立，提高偏航剎車響應實現偏航制動，保護偏航電機電磁抱閘損傷。

綜上所述，優選方法二對控制偏航鎖壓電磁閥104.3進行控制，其控制邏輯兼容性較好，技改簡單成本低，運行安全可靠，方案實施簡單，具有良好的經濟效益。

2.3 優化效果

安全性。液壓系統的可靠性對機組的安全舉足輕重，通過對液壓系統進行優化設計，考慮風力發電機組和液壓系統的異常工況，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正常運行，不會對液壓系統和機組的安全造成負面影響，本液壓系統優化方案可降低液壓站泵心磨損，提高建壓效率，延長液壓站使用壽命，切實提高機組運行的安全系數。

經濟性。在液壓系統優化后，在不同的偏航運行狀態下，液壓系統壓力及時序圖如圖6，在偏航解纜和偏航對風的初期，由于系統釋放壓力導致系統壓力有所下降，偏航對風狀態系統壓力變化相對平緩，但在動作過程中系統壓力將保持恒定，系統壓力僅與偏航次數有關，而與偏航時長無關，這極大的降低了液壓系統的啟動次數。

圖6 液壓系統壓力及建壓時序圖

液壓站系統優化方案可降低機組在偏航過程中偏航壓力能量的泄放和機組電量損耗，以甘肅酒泉地區盛行東、西風的風場為例，根據大數據統計機組平均每天的偏航時間，即近似為液壓系統驅動電機的啟動時間，經統計約為2h，液壓站驅動電機功率為0.75kW，則損耗為1.5kWh，以334臺機組的風場為例，每年節約機組損耗用電18.036萬kWh，同時降低了液壓系統的耗材、油液、備件等維護成本，該液壓站系統優化方案技改成本低，在提高上網電量的同時可降低下網電量，風電場經濟效益顯著。

3 結語

該設計方案可極大的阻斷偏航油路在偏航動作過程中的油循環和壓力泄放，優點如下：降低液壓系統的啟動時間和啟動頻率，防止液壓系統頻發啟動對液壓電機造成的損傷，同時可延長齒輪泵的使用壽命，保持較高的能量轉換效率，極大的提高液壓系統的健康水平；保證液壓能在風電機組運行中的存儲時間和能量的使用效率，降低風電機組啟動耗電損失和風電場的廠用電率達到節能降耗的目的；液壓系統改造簡單，改造成本低廉，運行安全降低了液壓系統維護成本，是風電機組提質增效中的重要舉措。

綜上，液壓系統對機組的安全運行舉足輕重，通過對偏航液壓系統進行分析和優化設計，提高了液壓站建壓效率和機組可利用率，同時可降低液壓站的電量損耗和維護費用。該設計方案在風力發電機組經濟性和安全性上有了極大的提升，實現了機組液壓系統優化的目的，極具推廣性。