风电原理及其液压系统

风力发电基础知识及风电液压应用一、风的形成地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的流动--风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。风能是地球表面空气移动时产生的动能，即风的动能，是太阳能的一种表现形式。二、风力发电的原理及优缺点风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如图1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。风力发电的原理这么简单，为什么仅20世纪的中后期才获得应用呢？第一，常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电问题。第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能，20世纪初期是造不出现代风力发电机的。风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,海关，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。我们这里所说的风力发电都是指大功率风机并网发电。风力发电的优缺点三、现代风机的结构与技术特点。图一所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，四、风力发电机组的分类和主要构成一）、风力发电机组的构成风力发电机组的主要组成部分：-叶轮：将风能转变为机械能。-传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额定转速-发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。-偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。-其它部件：如塔架、机舱等-控制系统：使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。1、叶轮由叶片和轮毂组成，是机组中最重要的部件：决定其性能和成本，目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。叶片与轮毂的连接有固定式（定桨距），及可动式（变桨距）。叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。2、传动系统由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组中多用行星式（具有重量和尺寸优势）。有些机组无齿轮箱，即直驱式。传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。齿轮箱可以将很低的风轮转速（17-48转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件。3、机舱与偏航机构包括机舱盖，底板和偏航系统。机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。偏航机构是驱动机舱在回转轴承上相对塔架转动的装置，也称为对风装置，其作用是能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能，偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。上风式机组采用主动偏航，由偏航电机或液压马达驱动，由偏航控制系统控制。偏航刹车用来固定机舱位置。4、控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。以600千瓦风机为例，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。二）、风力发电机组的分类及特征1、风力发电机组--定桨距失速调节型定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。2、风力发电机组--变桨距调节型变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45°，当转速达到一定时，再调节到0°，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。3、风力发电机组--定速机型：--发电方式简单，造价低；--对电网依赖程度高。4、风力发电机组--变速机型：--电气设备价高；--电能品质好。五、风电技术发展趋势1、更大的尺寸和功率叶片直径/功率比逐年增加.以1.5MW风机为例,自1997、2000、2003年直径分别为65米、69米、74米2、海上风场的建设成为未来发展趋势风机噪声将随叶尖速度急剧上升.对一定的功率而言，传动链负载与噪声之间存在此消彼长的关系，对于陆地风场，噪声是一个主要的制约；离陆地30公里以外的海上风场的风机噪声不会如此敏感；另外，风力资源和大型传动部件的运输都是海上风力发电发展的理由。3、大功率风机的叶片桨距是连续变化的，未来变桨调节控制将成为标配。4、变速恒频，利用变速恒频发电方式，风力机就可以改恒速运行为变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值。5、采用直接驱动发电机在原理上通过转子滑环与励磁电路达到同步，风力发电机直接与风机转子联接而取消齿轮箱的优势是降低的设备投资、减小了机舱重量、传动链效率损失、维修成本及维修停机时间；六、风力发电设备液压及密封应用一）、风电液压系统风机是有许多转动部件的。机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。1、驱动系统风力发电机使用两个驱动系统，即制动系统(偏转器和主轴一高速轴回转系统)和叶片角度控制及机舱偏转器回转控制系统。制动系统用液压控制，而叶片和偏转器的控制则用液压或电气驱动方式。采用那一种传动的争论在风力发电机的设计中也不例外。至于采用液压还是电气来控制叶片角度的输出功率、速度或频响，一般取决于制造厂家的经验而定。2、变桨控制系统叶片角度（变桨）控制系统设计时主要应考虑当风力发电机遇到像台风等强风力时，机组能立即停止运行，以使电源中断，而此时的叶片需要控制在和风向相平行的位置上，确保叶片不再转动，电源中断后，机组的能量贮存系统开始工作，如液压蓄能器或蓄电池。用液压控制时，用液压直线驱动器(液压缸)，用电气控制时，采用电气回转式驱动器。装在主轴内的液压直线驱动器，及停止时应用的蓄能器也装在轴内。国外液压直线驱动器是将液压、电子、电气的优点融合在一起的液压直线驱动装置（Electro-hydraulicsystem），简称Hybrid系统，这种系统节能是值得提倡。这种由液压缸、液压泵、AC马达、蓄能器、电磁阀、传感器和动力源组成的集成式电气液压伺服驱动系统具有动态性能好，输出功率大，电气安装性和维护性好等优点。它可以降低液压系统的缺点，如漏油和油污染的影响，使可靠性得到显著提高，而当电力中断时，又能充分显示出液压传动的优点，即和液压缸串联的液压缸，从蓄能器获得供油，使叶片迎风面和风向平行，使叶轮停止转动。液压系统由带位置传感器的液压缸和双向供油的齿轮泵直接供油，中间没有阀，减少了压力损失和漏油点，这种系统比伺服控制系统节能40％以上。除上述Hybrid系统外，在国外，叶片角度控制和偏转器回转也有采用直线式电液伺服比例液压缸和回转型液压比例伺服驱动马达的。这些系统具有动静态性能好，寿命长等优点，但在节省能耗和油液污染度等方面较Hybrid系统差。目前世界各大公司提供的风电液压系统，广泛采用比例伺服闭环控制系统。AAAA美国Parker公司为风力发电提供各种液压元件和成套风电系统(包括制动、偏转器和叶片角度等的控制系统)。角度控制系统由特殊设计的液压缸组成，装在风轮轮毂内，液压缸内装有位置传感器，缸上还集成了所需的液压阀，每台风电设备都设有二三套独立的角度控制系统(每个叶片一个)。该系统具有高可靠性和安全性，动静态性能好，维护方便，泄漏少等优点。系统采用高性能比例伺服控制可以由模拟信号或数字信号控制。Parke公司提供的阀总成预先都经过严格验，可减少安装调试时间，降低成本，还可节省运行维护费用,油缸。液压源由过滤性能良好的单独液压站提供。偏转器回转系统具有良好的保持叶片正确与风向对中，使风力发电具有良好的性能。Parker公司可提供电控和液压控制两种系统，液压系统可实现更加紧凑的直接驱动，还具有良好的过载保护，避免部件损坏，系统采用闭环比例伺服控制，动态和静态性能好。Parker公司为和上述三个系统配套，还提供独立的过滤性好并可在停电故障时，由蓄能器提供的液压动力源，保证安全停止和机组安全。美国伊顿（Eaton）公司在风力发电液压控制系统方面做了不少研究工作，所提供的风轮叶片角度闭环比例控制系统可承受高温、低温的工作条件，系统的动静态性能好、位置精度高。德国博世力士乐公司是欧洲风力发电液压系统和电气系统的供应商，可以成套提供机组用的增速齿轮箱、制动系统、风轮叶片控制系统、偏转器控制系统。根据用户需要可提供电气控制系统和液压比例伺服闭环系统。液压驱动系统已广泛用于大型风力发电机组。变桨控制系统实例：美国Zond公司的Z-40型液压变桨距控制机构该液压变桨距控制机构属于电液伺服系统，典型的变桨距液压执行机构原理如上图所示。桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接,节距角的变化同液压缸位移基本成正比。当液压缸活塞杆朝左移动到最大位置时,节距角为88°,而活塞向右移动到最大位置时,节距角为-5°。在系统正常工作时,两位三通电磁换向阀a,b,c都通电,液控单向阀打开,液压缸的位移由电液比例阀换向阀进行精确控制。在风速低于额定风速时,不论风速如何变化,电液比例换向阀维持桨叶节距角为3°,考虑到油缸的泄漏,电液比例换向阀进行微调,保持节距角不变;当风速高于额定风速时,根据输出功率,利用电液比例换向阀精确改变输出流量,从而控制桨叶的节距角,使输出功率恒定。3、液压制动系统机舱和主轴一高速轴回转系统采用液压圆盘片式制动器主轴高速轴回转系统是供直径60