兆瓦级风电机组液压系统的优化设计

中电华创（苏州）电力技术研究有限公司 李 强 曹晟磊 中电（福建）电力开发有限公司 程 霄

芜湖发电有限责任公司 王 潇

随着风电机组装机数量的不断增多，加之风电机组工作环境恶劣和结构的日趋复杂，风电机组的设计、制造和运行维护成本急剧攀升，业主对其可靠性提出了要求。于此同时，在国家倡导高质量发展的新形势下对其可靠性提出了更高的要求。液压系统作为风电机组的重要组成部分，对风电机组偏航制动、变桨动力和主轴刹车制动等起着重要作用。

液压系统主要为风电机组提供偏航制动阻尼和主轴刹车制动压力，因此液压系统对机组的运行和安全至关重要，由于双馈机组所属液压系统的设计缺陷，双馈机组在运行后期液压系统中会经常报错，如：液压油泵启动次数过多、液压站压力低、刹车自检失败等故障，该故障处理棘手，导致机组电量损失，部分故障还会加速液压油高温变质，导致建压效率降低，提高风电场厂用电量和的维护成本，同时机组液压油泄漏会造成机组内部油液污染。为提高液压站建压效率和使用寿命，消除机组安全隐患提高机组可利用率，特对液压系统进行优化设计。

1 运行工况

1.1 偏航静止状态

1.5MW 双馈机组在不偏航时，其偏航处于液压制动状态，即全制动状态，偏航液压对偏航系统提供足够的阻尼力矩，以抵制风速对风轮平面的侧倾力矩，使之保持静止，此时P=160bar，液压偏航压力与系统压力贯通一致，此时压力在正常状态无流失。

1.2 偏航对风状态

机组在偏航对风时，液压站偏航刹车压力处于半释放状态（P1=45bar），但现场实际运行在20bar 左右，而偏航刹车的进油回路一直处于供压状态（P=160bar），故液压站在偏航半释放电磁泄压阀230.1和溢流阀240的作用下一直泄压，偏航回路压力检测点为170.3，系统压力检测点为170.1，如图1所示。在液压系统压力低于140bar时进行自启动建压，P 为液压站自启停止打压的上限，即一般为160bar，在偏航对风过程中液压站为保证140bar～160bar 的系统压力，进行间断性建压，系统压力图显示为锯齿状，ΔP1为液压站在偏航对风过程中任意时刻损失的压力，即：ΔP1=PP1=115bar。

图1 上海伊顿液压系统图

1.3 偏航解缆状态

机组在偏航解缆状态时机组停机，为使机组更快的进行解缆并降低偏航的摩擦损耗，液压站偏航刹车压力处于全释放状态（P2=0bar），此时偏航刹车的进油回路也一直处于供压状态（P=160bar），故液压站在偏航全释放电磁泄压阀230.2的作用下一直泄压，系统压力图是更为尖锐的锯齿状。ΔP2为液压站在偏航解缆过程中任意时刻损失的压力，即：ΔP2=P-P2=160bar。

根据偏航状态的不同，绘出图2所示的液压系统压力和建压时序图，压力图呈现“锯齿状”，图中曲线上坡为液压系统建压动作，在偏航动作过程中液压系统均处于泄压状态，因建压速率比泄压速率快，因此系统压力图显示为锯齿状，压力图“上坡”较陡说明液压系统建压效率良好，“下坡”较缓说明压力释放为较慢。因偏航解缆泄压较多导致系统压力曲线比偏航对风更陡峭，在整个偏航过程中，液压系统压力均在泄放状态，故其曲线建压的频次跟偏航动作的持续时间成正相关，持续的偏航动作导致液压系统建压动作启动频繁[1]。

图2 液压系统压力及建压时序图

综上所述，液压站在后面两种状态下，为维持一定的系统工作压力，保证液压系统对偏航和主轴刹车的安全控制，液压系统油泵时断时续地处于工作状态，偏航刹车的液压油经液压站泵通过偏航刹车卡钳再回到油箱，即在偏航过程中，偏航液压油与液压系统之间的油路一直处于油循环状态，齿轮油泵在长时间运行的累积下，造成齿轮泵加速磨损以致油泵建压效率降低，建压磨损释放的热量又导致液压油温度持续升高，油温过高使液压油密度急速下降，从而加速液压油变质，液压油中磨损的杂质颗粒又导致油泵系统产生液压油泄漏，随后油泵建压效率逐渐降低，这几者之间复杂的相互叠加作用促使液压系统恶性循环持续加深，极大的降低液压站的建压效率和使用寿命，同时增加液压系统电量损耗，甚至造成风力发电机组的安全事故[2]。

2 优化方案

2.1 硬件配置

为降低机组在偏航过程中偏航压力的泄放、能量浪费以及提高液压系统的效率和寿命，本方案以调节建压时间为目标，以控制偏航供压为方向，以电磁阀控制为方式，对液压系统偏航供压回路进行优化，将液压系统图中节流阀140.3改为两位两通电磁阀（图3）。使用两位两通阀，可将偏航供油回路进行控制，在偏航静止时可与系统压力保持一致，在偏航动作时，及时将偏航供油回路截断，确保系统压力不被泄放，而直流电磁阀所具备的快速性、灵敏性可实现对液压系统偏航压力的控制。

图3 偏航供油回路阀体优化

2.2 软件配置

在偏航阶段使用电磁阀锁定偏航压力，控制偏航进压，即阻断与系统压力之间的桥梁，偏航的目标压力仅由偏航释放阀控制；在静止阶段解锁偏航压力与系统压力是一个封闭系统，偏航压力与系统压力保持一致，形成相对稳定的通路压力系统，使其液压系统具备压力柔性，均衡压力分布，增强阻尼特性。根据偏航阶段的时间长短设定电磁阀失电导通解锁和得电关断锁定逻辑，偏航动作如表1所示。

表1 偏航电磁阀动作表

为实现对偏航锁压电磁阀104.3的硬件控制，提出两种控制方法，具体如下：

通过主控系统，即在机舱柜内倍福DO 模块（KL2424）增加一组控制通道来实现，软件控制需要在PLC 主控所属偏航控制策略程序中写入组态和控制逻辑，即偏航制动时失电解锁，偏航动作时得电锁定（此设计保证控制系统故障失电时，偏航回路有足够的压力），控制电源为24VDC 来实现，其倍福系统控制编译灵活、反应速度快、安全可靠，可根据风电机组进行协调分析设计控制逻辑（图4）。

图4 倍福KL2424增加偏航锁压通道

通过控制电路，利用主控PLC 对偏航电机电磁刹车的控制信号，从机舱控制柜24VDC 配电端子取一组线，将偏航电机电磁刹车接触器的386KM4的空置主触点3、4脚接到偏航锁压电磁阀104.3上，因其控制简单，无需改写控制程序，技改成本低效率高（图5）。

图5 偏航电磁松闸控制图

对该偏航控制的兼容性进行探讨：依据偏航启停时序策略就偏航对风状态进行分析，即偏航半释放启动过程：开启偏航半释放、延时1秒钟、打开电磁抱闸、延时1秒、启动偏航电机，偏航停止过程与之相反，故该控制方法在偏航启动初期系统压力会对偏航产生2s 的泄压时间，其不会对系统压力造成较大的损失，同时较小偏航液压油循环可改善偏航系统油液的温度和过滤出杂质颗粒；在偏航停止过程中会提前给偏航系统供压，保证偏航压力及时建立，提高偏航刹车响应实现偏航制动，保护偏航电机电磁抱闸损伤。

综上所述，优选方法二对控制偏航锁压电磁阀104.3进行控制，其控制逻辑兼容性较好，技改简单成本低，运行安全可靠，方案实施简单，具有良好的经济效益。

2.3 优化效果

安全性。液压系统的可靠性对机组的安全举足轻重，通过对液压系统进行优化设计，考虑风力发电机组和液压系统的异常工况，即在该电磁阀失电或故障失效的情况下，也可保证液压站偏航系统正常运行，不会对液压系统和机组的安全造成负面影响，本液压系统优化方案可降低液压站泵心磨损，提高建压效率，延长液压站使用寿命，切实提高机组运行的安全系数。

经济性。在液压系统优化后，在不同的偏航运行状态下，液压系统压力及时序图如图6，在偏航解缆和偏航对风的初期，由于系统释放压力导致系统压力有所下降，偏航对风状态系统压力变化相对平缓，但在动作过程中系统压力将保持恒定，系统压力仅与偏航次数有关，而与偏航时长无关，这极大的降低了液压系统的启动次数。

图6 液压系统压力及建压时序图

液压站系统优化方案可降低机组在偏航过程中偏航压力能量的泄放和机组电量损耗，以甘肃酒泉地区盛行东、西风的风场为例，根据大数据统计机组平均每天的偏航时间，即近似为液压系统驱动电机的启动时间，经统计约为2h，液压站驱动电机功率为0.75kW，则损耗为1.5kWh，以334台机组的风场为例，每年节约机组损耗用电18.036万kWh，同时降低了液压系统的耗材、油液、备件等维护成本，该液压站系统优化方案技改成本低，在提高上网电量的同时可降低下网电量，风电场经济效益显著。

3 结语

该设计方案可极大的阻断偏航油路在偏航动作过程中的油循环和压力泄放，优点如下：降低液压系统的启动时间和启动频率，防止液压系统频发启动对液压电机造成的损伤，同时可延长齿轮泵的使用寿命，保持较高的能量转换效率，极大的提高液压系统的健康水平；保证液压能在风电机组运行中的存储时间和能量的使用效率，降低风电机组启动耗电损失和风电场的厂用电率达到节能降耗的目的；液压系统改造简单，改造成本低廉，运行安全降低了液压系统维护成本，是风电机组提质增效中的重要举措。

综上，液压系统对机组的安全运行举足轻重，通过对偏航液压系统进行分析和优化设计，提高了液压站建压效率和机组可利用率，同时可降低液压站的电量损耗和维护费用。该设计方案在风力发电机组经济性和安全性上有了极大的提升，实现了机组液压系统优化的目的，极具推广性。