風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)研究

摘 要：【目的】研究蓄能器公稱(chēng)容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長(zhǎng)度及通徑、油液黏度等因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。【方法】以實(shí)際生產(chǎn)中使用的某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在仿真軟件中構(gòu)建系統(tǒng)模型，采用控制變量法分別對(duì)單一影響因素進(jìn)行仿真分析。【結(jié)果】對(duì)比不同條件下偏航系統(tǒng)的卸壓與建壓響應(yīng)時(shí)間及液壓系統(tǒng)補(bǔ)壓頻率，得到不同變量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。【結(jié)論】研究結(jié)果為偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；偏航；液壓制動(dòng)系統(tǒng)；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：1003-5168（2023）12-0014-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.003

Research on Yaw Hydraulic Braking System of Wind Turbine

LEI Chao" " SONG Zhao" " WEI Zhanxu

（Ming Yang Smart Energy Group Limited， Zhongshan 528400， China）

Abstract： [Purposes] To study the influence of accumulator nominal volume， precharging pressure， hydraulic hose length and diameter， oil viscosity and other factors on the performance of the yaw hydraulic brake system of wind turbine.[Methods] Taking the yaw hydraulic braking system of a certain type of wind turbine used in actual production as the research object， the system model is constructed in the simulation software， and the single influencing factor is simulated and analyzed by the control variable method.[Findings] The effects of different variables on the system were obtained by comparing the pressure relief and building response time of the yaw system and the pressure compensation frequency of the hydraulic system under different conditions.[Conclusions] The research results provide reference for the design and selection of yaw hydraulic braking system.

Keywords： wind turbine; yaw; hydraulic braking system; simulation

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由多個(gè)元器件組成的，具有綠色環(huán)保、建設(shè)周期短、環(huán)境要求低、風(fēng)資源儲(chǔ)量豐富、利用率高［1］等優(yōu)點(diǎn)，從而被大規(guī)模應(yīng)用。偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，為機(jī)組阻尼偏航及剎車(chē)提供制動(dòng)動(dòng)力［2］，是保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，因風(fēng)速、風(fēng)向具有較大的隨機(jī)性，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)向來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)艙位置，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)。因此，其液壓制動(dòng)系統(tǒng)要具備良好的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性［3］。

目前，已有學(xué)者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)研究。管小興等［4］在偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)回路中單獨(dú)增設(shè)一組蓄能器，可有效改善偏航過(guò)程中液壓油泵電機(jī)頻繁啟停的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；肖旺等［5］在對(duì)低溫環(huán)境中偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)能力研究的基礎(chǔ)上，提出一種將多組偏航制動(dòng)器“串聯(lián)+并聯(lián)”的管路連接方案，來(lái)減小液壓系統(tǒng)阻力，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了該方案的可行性。本研究以某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)仿真軟件來(lái)構(gòu)建液壓系統(tǒng)模型，采用控制變量法來(lái)分析蓄能器公稱(chēng)容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長(zhǎng)度及通徑、油液黏度等因素對(duì)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成

為便于研究，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中使用的某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將不影響研究結(jié)果的空氣過(guò)濾器、液位傳感器、溫度傳感器等部件省略，系統(tǒng)原理如圖1所示，采用8組并聯(lián)的偏航制動(dòng)器進(jìn)行偏航制動(dòng)。

由圖1可知，齒輪泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，液壓油從油箱中被抽出，經(jīng)單向閥、過(guò)濾器后進(jìn)入系統(tǒng)。溢流閥起到安全保護(hù)的作用，用于調(diào)定液壓系統(tǒng)的最大壓力值。壓力傳感器用于檢測(cè)液壓系統(tǒng)壓力，蓄能器作為輔助動(dòng)力源，起到壓力緩沖的作用。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力低時(shí)，蓄能器為系統(tǒng)補(bǔ)壓；當(dāng)系統(tǒng)壓力高時(shí)，蓄能器充壓，截止閥起到泄壓的作用；當(dāng)系統(tǒng)要維護(hù)時(shí)，打開(kāi)截止閥，卸掉系統(tǒng)壓力。液壓系統(tǒng)中的液壓油經(jīng)單向閥、節(jié)流閥、電磁換向閥后，會(huì)進(jìn)入到偏航制動(dòng)器中，為制動(dòng)器提供制動(dòng)壓力。其中，壓力傳感器用于檢測(cè)偏航回路的壓力，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)偏航回路的流量。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行偏航全釋放時(shí)，偏航回路中的液壓油經(jīng)過(guò)濾器、電磁閥流回油箱；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行偏航半釋放時(shí)，偏航回路中的液壓油經(jīng)過(guò)濾器、電磁閥、溢流閥流回油箱。其中，溢流閥用于設(shè)定偏航半釋放壓力值。

1.2 工作原理

液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力設(shè)定為16～18 MPa，動(dòng)力源為一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)的壓力低于16 MPa時(shí)，主控控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，為液壓系統(tǒng)補(bǔ)壓；當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)的壓力高于18 MPa時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全壓制動(dòng)、阻尼偏航及偏航解纜這三種動(dòng)作。

1.2.1 全壓制動(dòng)。當(dāng)機(jī)組正常發(fā)電及停機(jī)維護(hù)時(shí)，機(jī)艙的位置保持不變，二位二通常開(kāi)電磁閥換向閥、二位二通常閉電磁閥換向閥均失電，壓力油經(jīng)電磁閥進(jìn)到偏航回路中，二位二通常閉電磁閥換向閥處于截止?fàn)顟B(tài)，液壓系統(tǒng)為偏航制動(dòng)器提供制動(dòng)壓力。

1.2.2 阻尼偏航。當(dāng)機(jī)組要偏航對(duì)風(fēng)時(shí)，偏航制動(dòng)器要提供一定的阻力，用于確保機(jī)艙偏航過(guò)程中平穩(wěn)順暢。此時(shí)，二位二通常開(kāi)電磁閥換向閥、左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電，右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥失電，二位二通常開(kāi)電磁閥換向閥、右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電處于截止?fàn)顟B(tài)，左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)中的液壓油不進(jìn)入偏航回路中，偏航回路中的液壓油經(jīng)溢流閥建立適當(dāng)?shù)谋硥海瑢?shí)現(xiàn)機(jī)組阻力偏航。

1.2.3 偏航解纜。機(jī)組多次向同一方向偏航時(shí)，電纜會(huì)出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象，要快速反方向轉(zhuǎn)動(dòng)解纜。此時(shí)，二位二通常開(kāi)電磁閥換向閥、右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電，左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥失電，二位二通常開(kāi)電磁閥換向閥、左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥處于截止?fàn)顟B(tài)，右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)中的液壓油不進(jìn)入偏航回路，偏航回路的液壓油通過(guò)右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥卸壓。

2 系統(tǒng)建模

按照偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理，使用某仿真軟件來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)模型，如圖2所示。由于軟件液壓庫(kù)中沒(méi)有二位二通常開(kāi)電磁換向閥，利用軟件中的HCD庫(kù)元件進(jìn)行建模。在實(shí)際建模過(guò)程中，將上下兩半偏航制動(dòng)器等效為一個(gè)，使用彈簧系統(tǒng)來(lái)模擬摩擦片的壓縮，用HCD庫(kù)元件進(jìn)行建模。通過(guò)一個(gè)液阻來(lái)模擬齒輪泵的容積損失，電磁閥的得電和失電動(dòng)作是由信號(hào)與控制庫(kù)中的信號(hào)元件來(lái)控制的。左側(cè)壓力傳感器輸出的壓力信號(hào)在經(jīng)函數(shù)運(yùn)算后輸出信號(hào)，可控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，用來(lái)模擬控制實(shí)際工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的啟停。模型中部分液壓元件的仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

3 仿真分析

為研究蓄能器的公稱(chēng)容積及預(yù)充壓力、軟管長(zhǎng)度及通徑、油液黏度等因素對(duì)偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響，在偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，采用控制變量法進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真軟件的批處理功能，研究單一因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

3.1 蓄能器對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在液壓系統(tǒng)中，蓄能器起到儲(chǔ)存能量、補(bǔ)償泄漏及降低系統(tǒng)流量和壓力脈動(dòng)的作用［6］。其中，公稱(chēng)容積和預(yù)充壓力為蓄能器的兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)。對(duì)不同公稱(chēng)容積、不同預(yù)充壓力的蓄能器下的偏航系統(tǒng)壓力進(jìn)行仿真分析。

不同公稱(chēng)容積蓄能器下偏航系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化如圖3所示。蓄能器的公稱(chēng)容積分別為1 L、2.8 L、6 L時(shí)，偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)從全制動(dòng)切換為半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時(shí)間相同，均為2.5 s；偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)從半釋放切換到全制動(dòng)時(shí)，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，建壓時(shí)間分別為2.27 s、1.75 s、1.69 s。由此可知，蓄能器容積越大，系統(tǒng)建壓時(shí)間越短，相比于公稱(chēng)容積為1 L的蓄能器，蓄能器公稱(chēng)容積為2.8 L、6 L的系統(tǒng)建壓時(shí)間分別縮短了22.9%、25.6%。偏航結(jié)束后，偏航壓力恢復(fù)到系統(tǒng)壓力，分別穩(wěn)定在16.11 MPa、17.23 MPa、17.61 MPa，即蓄能器容積越大，偏航結(jié)束穩(wěn)定后的壓力越大。系統(tǒng)壓力低于16 MPa時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)啟動(dòng)，為液壓系統(tǒng)補(bǔ)壓，蓄能器公稱(chēng)容積過(guò)小的機(jī)組在偏航時(shí)會(huì)導(dǎo)致液壓電機(jī)頻繁啟動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

不同預(yù)充壓力蓄能器下的偏航系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化，如圖4所示。蓄能器預(yù)充壓力分別為8.5 MPa、12 MPa、15.5 MPa時(shí)，偏航系統(tǒng)從全制動(dòng)切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時(shí)間相同，均為2.5 s。偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動(dòng)，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，系統(tǒng)建壓時(shí)間分別為1.78 s、1.75 s、1.73 s。由此可知，提升蓄能器預(yù)充壓力不能有效縮短偏航系統(tǒng)建壓時(shí)間，但進(jìn)行多次偏航動(dòng)作后，蓄能器預(yù)充壓力越低，液壓電機(jī)啟動(dòng)補(bǔ)壓就會(huì)越頻繁。蓄能器預(yù)充壓力為8.5 MPa時(shí)，在第3次偏航動(dòng)作后會(huì)啟動(dòng)電機(jī)為系統(tǒng)補(bǔ)壓。此外，若預(yù)充壓力設(shè)置過(guò)高，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于16 MPa時(shí)，因系統(tǒng)存在時(shí)滯性，導(dǎo)致液壓電機(jī)還未啟動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)掉壓，若壓力低于蓄能器預(yù)充壓力，系統(tǒng)的壓力會(huì)陡然下降，觸發(fā)機(jī)組故障報(bào)警。因此，蓄能器的預(yù)充壓力過(guò)高也會(huì)降低液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 軟管對(duì)系統(tǒng)性能的影響

液壓系統(tǒng)與偏航制動(dòng)器是通過(guò)軟管總成連接在一起的，分析不同軟管長(zhǎng)度、不同軟管內(nèi)徑對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

不同軟管總長(zhǎng)下的偏航系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化，如圖5所示。當(dāng)偏航系統(tǒng)軟管總長(zhǎng)分別為8 m、10 m、12 m時(shí)，系統(tǒng)從全制動(dòng)切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時(shí)間分別為2.5 s、3.0 s、3.57 s；系統(tǒng)從半釋放切換到全制動(dòng)時(shí)，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，系統(tǒng)建壓時(shí)間分別為1.75 s、2.12 s、2.51 s。相比于8 m長(zhǎng)的軟管，軟管長(zhǎng)為10 m、12 m的系統(tǒng)卸壓時(shí)間分別縮短了20%、42.8%，建壓時(shí)間分別縮短了21.1%、43.4%。軟管的體積膨脹特性會(huì)造成系統(tǒng)流量和壓力的損耗，縮短軟管長(zhǎng)度后，能明顯提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

不同軟管內(nèi)徑下偏航系統(tǒng)的壓力隨時(shí)間變化，如圖6所示。當(dāng)偏航系統(tǒng)的軟管內(nèi)徑分別為7.9 mm、9.5 mm、12.7 mm時(shí)，偏航系統(tǒng)從全制動(dòng)切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，卸壓時(shí)間分別為1.83 s、2.52 s、4.51 s；偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動(dòng)，偏航壓力從4MPa升到16 MPa，建壓時(shí)間分別為1.28 s、1.75 s、3.3 s。偏航結(jié)束后，恢復(fù)全壓后的系統(tǒng)壓力值分別為17.41 MPa、17.22 MPa、16.68 MPa。由此可知，軟管內(nèi)徑越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，恢復(fù)全壓后的壓力值越高；軟管內(nèi)徑越小，管道內(nèi)油液的沿程壓力損失就越大，管道內(nèi)油液的體積變小。當(dāng)電磁閥動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的壓力波動(dòng)會(huì)變大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)。

3.3 油液對(duì)系統(tǒng)性能的影響

液壓油的黏度會(huì)隨油溫變化而變化。油溫越低，液壓油的黏度越大，黏度增長(zhǎng)速度也越快。某品牌液壓油的ISO黏度等級(jí)為32，在-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃油溫下，運(yùn)動(dòng)黏度分別為569.2 cSt、276.5 cSt、73.7 cSt、38.2 cSt、22.4 cSt。該品牌液壓油在不同油溫下對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖7所示。油溫為-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃時(shí)，偏航系統(tǒng)從全制動(dòng)切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，卸壓時(shí)間分別為4.85 s、4.15 s、2.75 s、2.5 s、2.5 s；偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動(dòng)，偏航壓力從4MPa升到16 MPa，建壓時(shí)間分別為2.56 s、2.37 s、1.74 s、1.65 s、1.64 s。油溫在30～50 ℃時(shí)，黏度變化較慢，系統(tǒng)卸壓和建壓時(shí)間變化不明顯。隨著油溫的降低，尤其是油溫低于10 ℃時(shí)，其黏度增長(zhǎng)速率較快，系統(tǒng)卸壓和建壓時(shí)間增加較快，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間明顯增加。

4 結(jié)論

為研究蓄能器公稱(chēng)容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長(zhǎng)度及通徑、油液黏度等因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，采用控制變量法分別對(duì)單一因素進(jìn)行仿真分析與對(duì)比研究，得出以下結(jié)論。①增大蓄能器容積能縮短偏航系統(tǒng)建壓時(shí)間，減少液壓電機(jī)的啟動(dòng)頻率，有效提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性；提升蓄能器預(yù)充壓力，對(duì)縮短偏航系統(tǒng)卸壓和建壓時(shí)間的效果不明顯，但會(huì)減少液壓電機(jī)的啟動(dòng)頻率；當(dāng)蓄能器預(yù)充壓力過(guò)高時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)組液壓系統(tǒng)掉壓過(guò)快的情況。應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，合理設(shè)置蓄能器的預(yù)充壓力。②縮短液壓軟管長(zhǎng)度、減小軟管內(nèi)徑能減小因軟管膨脹而造成系統(tǒng)流量和壓力出現(xiàn)損耗，縮短偏航系統(tǒng)卸壓及建壓時(shí)間。考慮到軟管內(nèi)徑減小后管道內(nèi)油液的沿程壓力損失增大，同時(shí)管道內(nèi)的油液體積變小，當(dāng)電磁閥動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)變大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)。應(yīng)綜合考慮選擇合適長(zhǎng)度和內(nèi)徑的液壓軟管。③油液溫度越低，黏度越大，系統(tǒng)卸壓及建壓時(shí)間也越長(zhǎng)。油溫在10 ℃以下時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間明顯增大，為避免系統(tǒng)在低溫環(huán)境下響應(yīng)遲滯甚至失效，應(yīng)盡量使用傾點(diǎn)低且黏度指數(shù)高的液壓油。

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