浅析两种1.5MW风力发电机组机械刹车系统

孙建

摘 要：目前风电场较为常用的GE1.5S和华锐SL1500两种风电机组的制动系统均为顺桨制动联合高速轴液压驱动机械制动，这两种机型所采用的高速轴液压驱动机械制动装置作为机组的二级制动在功能上基本相同，但在操作原理上截然相反。文章分析了以上两种机组典型液压刹车系统的结构特征，并对不同工况下的作业过程进行了比较，帮助风电场生产人员在工作中更好地辨识这两种刹车系统，掌握兆瓦级变桨距风机液压刹车系统的工作原理，进而对风电机组的选型和日常运行维护起到一定的指导作用。

关键词：气动；液压；主动刹车；被动刹车；弹簧刹车片；刹车盘；电磁阀

引言

现代兆瓦级变桨距风力发电机的制动广泛采用气动制动联合高速轴机械制动的制动系统，气动制动装置分为叶尖制动装置和叶片顺桨制动装置，机械制动装置采用钳盘式制动装置，具有力矩调整、间隙补偿、随位和退距均等功能，其驱动机构分为电磁驱动机构和液压驱动机构。风机在正常停机、紧急停机时制动系统会按照预定程序分别投入一二级制动装置，实现对风机的安全制动。目前，风电场较为常用的两种风力发电机组机型分别是GE1.5S和华锐SL1500，两种机型的制动系统均为顺桨制动联合传动系统中的高速轴液压驱动机械制动。这两种机型各自采用的高速轴液压驱动机械制动（以下简称液压刹车）系统作为机组的二级制动在功能上基本相同，但在动作原理上截然相反，它们分别由德国BSAK和BSFI公司生产。GE1.5S采用的是主动刹车，而华锐SL1500采用的是被动刹车。文章分别结合其原理图对这两种机型的停机过程进行比较分析。

1 液压刹车的分类定义

从刹车的动作原理上分可以将刹车系统分为主动刹车和被动刹车。主动刹车是指在正常运行时作用在动作缸上的油压为零，弹簧刹车片与刹车盘释放打开，当需要刹车时，作用在动作缸上的油压将达到额定值，弹簧被挤压，刹车片与刹车盘抱死；被动刹车与其相反，即当正常运行时额定的油压将弹簧刹车片与刹车盘分离打开，当需要刹车时，油压泄为零，弹簧刹车片返回与刹车盘抱死。

2 两种风机各种运行状态时，刹车系统的工作情况

2.1 GE1.5S型风机BSAK系统（见图1）

（1）正常运行：电磁阀20、21、22、23均得电，那么阀20、21、22均关闭 ，泄压阀23打开，压力表P1指示为零。可调限流阀21.1一般情况下都处于关闭状态，只有当需要手动泻压时才打开。油泵启动受40处压力开关的控制，当压力低于60bar时，油泵启动，始终让储压灌的压力保持在60bar，以便下次能够可靠刹车。

（2）正常停机和一般故障停机：制动装置采取分时分级投入方式。按照预定程序先投入一级制动，待叶片顺桨后，按照预定程序投入二级制动装置，电磁阀21、23、22同时失电，阀21、22同时打开，泄压阀23关闭，高压油通过限流阀19、阀21、液压缸挤压刹车片，但由于限流阀19的作用，管内油流有一定延时，从而减慢了弹簧刹车片的移动速度，使得刹车片与刹车盘摩擦但不会抱死，转子速度迅速降低降低。几秒后，当转速度低于某一设定值时，电磁阀21、23、22开始得电打开，刹车释放，风机处于顺桨空转状态。

（3）紧急停机和安全链停机：一二级制动装置同时按照预定程序投入到制动状态，叶片加速顺桨，电磁阀20、21、22、23同时失电，阀20、21、22同时打开，泄压阀23关闭，油管内的高压油迅速挤压弹簧刹车片，将刹车盘抱死。在刹车过程前期由于管内油压有50多bar高于刹车的额定压力50bar，电磁阀22打开，高压油经限压阀22.1流回油箱，待管内油压低于50bar后，限压阀22.1截止，同时电磁阀22得电关闭。在整个刹车过程中，由于储压罐压力低于20bar，油泵会启动打压，达到60bar时停止打压。

（4）刹车释放：电磁阀20、21、23同时得电，阀20、21关闭，泄压阀23打开，推动刹车片的油压从泄压阀23，经限流阀23.1缓慢流回油箱，油路压力缓慢下降，刹车片慢慢松开。当在刹车状态下需手动释放刹车时，只需将手动限压阀打开，高压油就会缓慢的从21.1流回油箱，刹车片就会随着管道内油压的降低慢慢松开，过程中储压罐压力低于20bar油泵会启动打压，达到60bar时停止打压。

2.2 华锐SL1500机型BSFI系统（见图2）

（1）正常运行时：电磁阀20失电导通，手动电磁两用阀21.1得电截止，高压油从阀20流过到刹车动作缸，将弹簧刹车片与刹车盘分离，当需要手动泄压时可手动将21.1打开，弹簧刹车片返回，与刹车盘抱死。油泵是否启动打压受压力开关40的控制。

（2）正常停机和一般故障停机：风机按照预定程序只投入一级制动，二级刹车不启动，风机叶片顺桨停机，转子转速度迅速降低，风机处于空转状态。

（3）紧急停机和安全链停机：一二级制动装置同时按照预定程序投入到制动状态，叶片加速顺桨，电磁阀20得电截止，油压被储存到储压罐10内，为下一次释放刹车做好准备；阀21.1失电导通，油管内的高压油又经过阀21流回油箱，弹簧刹车片返回将刹车盘抱死。

（4）刹车释放：当风机需要释放刹车时，电磁阀20失电导通，手动电磁两用阀21.1得电截止，高压油从阀20流过到刹车动作缸，将弹簧刹车片与刹车盘分离。

3 两种系统的比较

（1）主动刹车系统有独立的四个电磁阀和两个限流阀配合使用，既能实现软刹，又能实现硬刹，可以在正常停机和一般故障停机时，一级刹车顺桨桨完成后，二级刹车液压系统启动软刹，既保证了风机可靠停机，又减小了因急刹振动给风机带来的损坏和危险。机组可以在需要紧急刹车时能够实现立即停机，运行可靠性较好，但是该类系统的设计和控制过程较为复杂。

（2）被动刹车系统只有两个电磁阀和一个限流阀，通过电磁阀的截止导通实现刹车的制动释放，由于该系统不能实现软刹，一旦刹车启动就立即抱死。为减少停机时对机组的损害，这种风机在设计时针对正常停机和一般故障停机，只采用一级顺桨制动，二级液压刹车不予启动，只有在紧急停机和安全链停机的情况下才启动将主轴抱死。这种系统的最大优点是油路和电路的设计控制较为简单。

4 结束语

（1）主动刹车和被动刹车各有优缺，为保证风力发电机组运行稳定，停机安全可靠，建议在北方及沿海Ⅱ类及以上风电场采用主动刹车，在内陆Ⅲ类及以下低风速风电场两种刹车系统均可采用。

（2）无论使用哪种刹车系统，风电场运维人员都必须掌握其基本工作原理，尤其是要掌握极端天气条件下的操作要领。特别是当台风或飓风来临风场时，叶片虽然已完全顺桨，但仍会受到不同方向的巨大推力，为防止叶片受力过大折断或因刹车抱死摩擦打火引起机舱火灾，应及时采用手动和SCADA软件操控的方法将停运风机的刹车释放，使机组处于空转状态。

参考文献

[1]GB/T2900.53-2001.电工术语·风力发电机[S].

[2]DL796-2001.风力电场安全规程[S].

[3]杜广平，肖哲民.风力发电机组 制动系统 第一部分：技术条件[M].北京：机械工业出版社，JB/T 10462.1-2004.

[4]卢为平.风力发电基础[M].北京：化学工业出版社，2011，2.