淺談液壓系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

    風(fēng)力發(fā)電這個(gè)目前處于非常熱門的產(chǎn)業(yè)投資中，由電子自動(dòng)控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)被更多的應(yīng)用于其中。如在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中將整機(jī)的變槳系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸的制動(dòng)子系統(tǒng)都采用電子伺服液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與調(diào)整。目前，絕大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都采用自動(dòng)變槳距技術(shù)，通過(guò)一系列的檢測(cè)信號(hào)可以更為有效可靠的收集和利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源。變槳距設(shè)計(jì)是指葉片繞著葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角在一定范圍內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過(guò)設(shè)計(jì)的容許值，在機(jī)組出故障或由于特殊情況需要緊急停機(jī)時(shí)，一般先使葉片順槳，這樣機(jī)組結(jié)構(gòu)中受力小，可以保證機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。而變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是對(duì)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)的變槳距控制，一般需要可靠的電源，以便實(shí)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(jià)格昂貴的蓄電池。對(duì)于比較成熟的變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用液壓自動(dòng)控制的原理去實(shí)現(xiàn)，這樣一方面可以節(jié)約成本，同時(shí)可以利用液壓控制的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)的中心控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更為有效的安全操作。液壓變槳距的原理就是通過(guò)外界給與控制系統(tǒng)相關(guān)的信號(hào)，使液壓泵站所產(chǎn)的液壓力推動(dòng)變槳油缸的直接運(yùn)行，從而通過(guò)一個(gè)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，來(lái)推動(dòng)帶有軸承的葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效的變槳角度，在這個(gè)過(guò)程中必須配置一個(gè)控制精度高的比例電磁閥來(lái)直線對(duì)執(zhí)行油缸有效、準(zhǔn)確的控制。對(duì)于小功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用統(tǒng)一變槳控制，也就是說(shuō)利用一個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制整個(gè)風(fēng)機(jī)所有葉片的變槳；但是對(duì)于大功率風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)一般采用獨(dú)立的變槳機(jī)構(gòu)，即每個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)去單獨(dú)控制每個(gè)葉片的有效受風(fēng)角度，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)槳葉控制的準(zhǔn)確性和一致性。其中后者隨著整個(gè)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展以及大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，這種優(yōu)勢(shì)越來(lái)越被認(rèn)可和運(yùn)用于實(shí)際當(dāng)中，已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。將液壓控制系統(tǒng)應(yīng)用在整機(jī)中，一旦發(fā)生故障，這種設(shè)計(jì)可以更為有效地使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從滿載過(guò)渡到安全的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)葉片的順槳，同時(shí)實(shí)現(xiàn)停機(jī)，至少可以滿足維護(hù)人員的安全使用要求。各個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造商利用他們成熟的技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用液壓自動(dòng)控制，通過(guò)與整機(jī)的中心控制系統(tǒng)有效的鏈接，可以更為準(zhǔn)確的進(jìn)行微步控制，從而將葉片的受風(fēng)面與當(dāng)時(shí)風(fēng)速形成一個(gè)很好的受力夾角，實(shí)現(xiàn)更為有效的、更大能量的發(fā)電。

    下面就以一例，進(jìn)一步簡(jiǎn)要說(shuō)明液壓變槳控制系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。該風(fēng)機(jī)上采用的液壓變槳裝置，運(yùn)用的是統(tǒng)一的液壓變槳距控制，即所有的葉片的變槳?jiǎng)恿鶃?lái)自同一個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)-液壓油缸。圖3即為將液壓和電子控制應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶有液壓變漿系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖以及變漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序。
    以上述控制模塊為例，在該風(fēng)機(jī)上安裝有高精度的風(fēng)速傳感器（WindSpeed Sensor）,在正常的工作狀態(tài)下，當(dāng)它測(cè)得外界當(dāng)時(shí)的風(fēng)速后會(huì)將該風(fēng)速信號(hào)以某一特定信號(hào)傳遞給中央邏輯控制系統(tǒng)（PLC System），中央控制單元經(jīng)過(guò)內(nèi)部設(shè)定好的程序?qū)Ρ群螅瑢?duì)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(gè)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(kāi)口度的大小，來(lái)決定變槳過(guò)程中液體流量的大小，從而推動(dòng)系統(tǒng)中的變槳油缸，執(zhí)行相應(yīng)的位移來(lái)進(jìn)一步?jīng)Q定葉片角度的變化。在整個(gè)變槳過(guò)程中還有另外一個(gè)信號(hào)檢測(cè)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(cè)我們油缸行程的準(zhǔn)確位置，這種微脈沖位移傳感器，通過(guò)定位磁環(huán)移動(dòng)形成的有效磁場(chǎng)，進(jìn)行對(duì)液壓油缸活塞位移的有效距離進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的信號(hào)傳遞到PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的快速而準(zhǔn)確的對(duì)比，從而更準(zhǔn)確地決定和驗(yàn)證葉片角度與當(dāng)時(shí)風(fēng)速是否在我們?cè)O(shè)定的最佳狀態(tài)范圍內(nèi)。當(dāng)該風(fēng)機(jī)處于緊急狀態(tài)時(shí)，如風(fēng)速傳感器檢測(cè)到的風(fēng)速大于或接近風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的安全運(yùn)行風(fēng)速的時(shí)候，PLC控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比；當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)的電源斷開(kāi)時(shí)等等情況，諸如此類緊急狀態(tài)發(fā)生時(shí)，中心控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出緊急信號(hào)給液壓控制單元，這時(shí)依靠液壓系統(tǒng)本身的蓄能設(shè)備給系統(tǒng)補(bǔ)充動(dòng)力，變槳油缸會(huì)在液壓力的控制下推動(dòng)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(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)同時(shí)以便于為風(fēng)機(jī)的下一步操作做好安全措施，如進(jìn)行維護(hù)或修理等等。
    除了將液壓設(shè)計(jì)運(yùn)用于風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)之外，許多風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造公司還將液壓系統(tǒng)運(yùn)用到風(fēng)機(jī)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸以及整個(gè)偏航系統(tǒng)的剎車功能。諸如，運(yùn)用液壓子系統(tǒng)來(lái)控制偏航制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的剎車制動(dòng)。
    將風(fēng)機(jī)的剎車系統(tǒng)采用液壓來(lái)控制也是其應(yīng)用之一，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)將風(fēng)機(jī)的齒輪箱高速軸輸出端設(shè)定一個(gè)剎車卡鉗，給剎車系統(tǒng)引入制動(dòng)控制端，制動(dòng)動(dòng)力源來(lái)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(dòng)卡鉗的受力面。由于它只是在葉片變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)或手動(dòng)安全剎車失效之后才發(fā)生作用，可以認(rèn)為極少會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)循環(huán)，以及需要對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。但是，風(fēng)機(jī)在每次啟動(dòng)之前，該制動(dòng)會(huì)作為一個(gè)剎車信號(hào)來(lái)檢測(cè)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(shè)計(jì)，必須使制動(dòng)時(shí)的力矩對(duì)應(yīng)于風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)剎車發(fā)生作用時(shí)，必須保證風(fēng)機(jī)的安全停止。
    在風(fēng)機(jī)的偏航系統(tǒng)中運(yùn)用液壓剎車制動(dòng)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(jī)艙和塔筒連接處回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的剎車盤上。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，剎車處于待工作狀態(tài)下，當(dāng)收到信號(hào)需要對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行剎車時(shí)，該組卡鉗便會(huì)在液壓系統(tǒng)控制下釋放液壓力，對(duì)偏航的剎車盤進(jìn)行制動(dòng)控制。為了使風(fēng)機(jī)按照變化的風(fēng)向定位，剎車卡鉗的壓力等級(jí)由中央控制單元控制。剎車釋放的剩余壓力會(huì)與偏航系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)均衡的力矩，與改變外部偏航的力矩相抵消，保證驅(qū)動(dòng)齒輪不會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。
    此外，許多風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造公司在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及制造中，對(duì)整機(jī)性能和智能化操作中均采用液壓控制單元，世界著名的風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)和制造商Vestas公司在變槳方面采用了全智能化和先進(jìn)的液壓控制單元，同時(shí)在
    其傳動(dòng)系統(tǒng)的高速軸上同樣采用了液壓制動(dòng)系統(tǒng)，在現(xiàn)有的系統(tǒng)控制單元基礎(chǔ)上增加該功能，不僅充分利用了液壓設(shè)計(jì)的最基本原理，使對(duì)高速軸制動(dòng)更加平穩(wěn)，可靠，而且更加發(fā)揮了液壓在其過(guò)程中所起到的積極作用，從而也保證了風(fēng)機(jī)的安全性和穩(wěn)定操作性。
    風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和緊急保護(hù)需要進(jìn)行制動(dòng)控制，必須能夠自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)在緊急情況下的停止以及解除制動(dòng)后的重新啟動(dòng)，使風(fēng)機(jī)更好處于智能化操作過(guò)程。利用風(fēng)機(jī)本身的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，將液壓控制部分很好的與整個(gè)系統(tǒng)的控制進(jìn)行有效的鏈接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓?jiǎn)卧刂频募皶r(shí)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(shí)可以利用先進(jìn)的傳感設(shè)備對(duì)采集數(shù)據(jù)的識(shí)辨，從而可以更為合理的控制風(fēng)機(jī)的各個(gè)功能和動(dòng)作，同時(shí)有效的利用了本地的風(fēng)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(shù)在悄然的出現(xiàn)，使風(fēng)機(jī)可以在無(wú)人的狀態(tài)下進(jìn)行全程監(jiān)控和操作。液壓控制傳動(dòng)以其自身的優(yōu)點(diǎn)，以及與電子自動(dòng)控制方面的有效鏈接性，得到了更多風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者的考慮和思索，將電子-液壓-機(jī)械這三者有效的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的全程監(jiān)控、操作、維護(hù)，使風(fēng)機(jī)的安全性、穩(wěn)定性以及有效性得到更大的發(fā)展和提高。