兆瓦级风力发电机组液压系统国产化研制

孙红梅，高明

(1. 北京电子科技职业学院，北京100029; 2. 北京京城新能源有限公司，北京100040)

兆瓦级风力发电机组是目前各风机制造商研发的主流产品，然而由于这种机组性能的要求，其体积必然十分庞大。这样就要求在生产和发电等过程中所需的动力系统和调节系统有大功率的输出、可靠的控制精度、所占空间少等特点。液压系统拥有符合上述要求的特性(单位体积小、质量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构)，所以在风电行业中液压变桨系统得到广泛应用［1－2］。目前，随着国内企业研发和加工水平的提高，叶片、轴承、齿轮箱、制动系统等很多部件都较好地实现了国产化，金风、华锐等公司也已经成功地实现兆瓦级风力发电机组的生产和吊装，且应用情况良好。本文主要从风机的实际低温工作环境出发，介绍了工作介质液压油、电机泵组、蓄能器、油缸等几个主要部件的设计计算和选型，从这几个方面阐述风机液压变桨系统的国产化。

1 液压变桨的优势

在风力发电技术比较发达的国家，如德国、丹麦等，在大型兆瓦级的风力发电机组上普遍采用液压变桨的控制方式。液压变桨与电动变桨相比，具有如下优势［3－5］:

(1)驱动力矩大、变桨平稳。对于兆瓦级的风力发电机组，桨叶长度达40 m，需要的变桨力矩较大。液压变桨系统通过油缸带动桨叶转动，最高工作压力为16 MPa，最大输出力达190 kN，使变桨过程平稳可靠。

(2)变桨速度快。液压变桨的油缸直接带动桨叶转动，没有中间环节，变桨速度快。而电动变桨因为功率限制，电动机需要经过多级减速才能驱动桨叶转动，变桨速度慢。

(3)安全性高。液压变桨系统使用蓄能器作为备用动力，当电源失去时，依靠蓄能器内储存的能量驱动桨叶回到顺桨位置。电动变桨无论使用蓄电池还是超级电容，可靠性差，易出现故障。

这些优势使得液压变桨更适合应用于大型兆瓦级风力发电机组上。

我国的风力发电主要是走引进技术国产化的道路。液压系统作为风力发电机组的关键部件，往往整套从国外采购，成本很高。另外，我国的风力资源集中在北方地区，冬季极端气温很低，必须使用低温型液压系统。低温型风力发电机组的温度要求为－30 ℃工作，－45 ℃生存，而国外的液压系统基本上都只能满足最低－20 ℃的工作要求。所以，低温型变桨液压系统的研制既可以打破国外对变桨液压系统的垄断，又能适应我国风机实际使用的需要，具有重要的现实意义和商业价值［6］。

2 液压元件及其材料的理论分析与设计计算

2.1 液压油的选择

风力发电机组的液压系统工作环境在夏季和冬季温差很大，对液压油的要求很高，要求液压油的黏度指数要高，即油的黏度不能受温度影响太大。同时，液压系统在低温下工作，要求液压油在低温下具有良好的流动性，满足液压泵和液压阀的工作要求。

根据这个要求，选择3 种液压油进行对比，其性能对比见表1。

表1 3 种液压油的参数对比

通过比较3 种液压油的各项参数，可知壳牌得力士Arctic32 最适合应用于风力发电机组液压系统。该液压油既能保证低温的启动性能又能保证高温时的润滑性能，适应温度范围广。

2.2 电机泵组的选型要求

电机泵组用于输出液压系统工作所需的压力油。一旦电机泵组出现故障，就会造成整套液压系统停止运行。所以，电机泵组是液压系统的关键元件，对可靠性要求很高。同时，电机泵组长期不间断运行，对寿命也有很高的要求。

电动机采用特殊定制的低温型电动机。电动机功率30 kW，工作电压690 V、50 Hz，防护等级IP55，绝缘等级F 级。为了能在低温下工作，该电动机还配有加热带、金属风叶及用于低温的轴承润滑脂。在电动机停止时加热带工作，避免低温下电机因结露而烧毁。考虑到低温情况下液压油的黏度比较高，要求油泵的自吸性能要好。选择力士乐公司的内啮合齿轮泵作为液压系统的主油泵，该油泵启动黏度达2 ×10－3m2/s，可在黏度为5 ×10－4m2/s 的条件下长期工作，适合于在－30 ℃的温度下连续工作。

2.3 蓄能器的设计计算

蓄能器对于风力发电机组变桨液压系统至关重要。系统中共有两组蓄能器:一组为主蓄能器，负责向液压系统提供压力，保证油泵间歇工作;另一组为安全蓄能器，当液压系统失去动力时，利用蓄能器内储存的能量推动桨叶回到顺桨位置。

选择蓄能器时需要考虑在低温下蓄能器的寿命和低温对蓄能器有效容积的影响。对于普通的皮囊式蓄能器，皮囊材料为丁氰橡胶，当温度低于－10 ℃时，该橡胶件就会产生冷脆现象，在充油放油的过程中极易损坏。如果要在－30 ℃温度下工作，皮囊必须选用耐低温的ECO 材料或低温丁晴橡胶。

下面比较一下不同温度下蓄能器有效容积的变化。

把蓄能器充放油过程按照绝热过程考虑，根据公式(1)计算蓄能器的有效容积:

式中:ΔV 为蓄能器的有效容积(当压力由p2变为p1时蓄能器排出的油量);

V0为蓄能器容积;

K 为绝热系数，K=1.4;

p0为蓄能器充气压力，系统中为6 MPa (20 ℃时数值);

p1为蓄能器最低工作压力，系统中为6.5 MPa;

p2为蓄能器最高工作压力，系统中为16.5 MPa。

在不同温度下，根据公式(2)计算不同温度下蓄能器的有效容积:

式中:T 为绝对温度(K)。

计算结果如表2 所示。

表2 不同温度下蓄能器的有效容积ΔV L

根据计算结果可知:在低温下蓄能器的有效容积会减少。

主蓄能器采用3 个50 L 的蓄能器，在低温下有效容积总共减少11.7 L，可以通过增加泵的启动时间来弥补。而对于安全蓄能器，其储存的能量用作停电状态下驱动桨叶到顺桨位置，功能十分重要。所以，低温下需采用2 个24.5 L 蓄能器替代1 个35 L 蓄能器来作为安全蓄能器，以保证有足够能量来推动安全油泵动作［7］。

2.4 油缸的设计

液压系统共有3 个控制油缸和3 个安全油缸来完成变桨功能。控制油缸受比例阀控制，根据功率输出要求实时调节桨叶的角度;安全油缸接收风机安全系统的信号，当出现停机信号时，推动桨叶回到顺桨位置［8］。

油缸的设计重点要考虑工作温度和使用寿命。冲击功是检验材料寿命的一个重要指标，经过低温测试，普通的碳钢材料(如45 号钢)在－40 ℃左右时，冲击功下降，不适合用作油缸筒体的材料。而Q345E 材料，在－40 ℃的冲击功大于27 J，故选择Q345E 材料作为油缸筒的材料。

对于Q345E 材料制成的油缸筒体，强度校核如下:

油缸体壁厚按下面公式计算:

取:pmax=25 MPa

D=0.125 m

σs=345 MPa，取n=2，则［σ］=172.5 MPa

计算得，δ≥9.7 mm

设计中取δ =12.5 mm，可以保证足够的安全系数。

对于活塞杆，选择40CrNiMoA 材料。活塞杆直径d=65 mm，因为LB≥10d，所以要进行压杆稳定性校核。

式中:E=210 ×103MPa;

J=0.049d4;

K=1;

LB=0.9 m。

计算得，FK=2 238 121 N，取nK=3.5，得

F≤639 463 N

当pmax=25 MPa 时，F =306 796 N ＜639 463 N，压杆稳定性符合要求。

3 试验测试与使用考核

在消化吸收国外先进技术的基础上，结合我国风场的实际使用情况，研制出低温型的风机变桨液压系统样机。为检验样机的各项性能指标及考核使用效果，对样机进行了性能测试和实际使用考核。

3.1 常规试验

按照“液压系统通用技术条件”的要求，在常温下对风机变桨液压系统进行性能试验。试验内容包括:耐压试验、油泵承卸载试验、内泄漏试验、跑合试验、加载试验、控制闭环试验等。经过试验，各项静动态指标均达到了设计要求。

3.2 低温试验

风机变桨液压系统要求能在－30 ℃温度下工作，－45 ℃温度下生存。为检验低温下的各项性能指标，对样机进行了低温工作试验，就是将样机置于低温箱中，在低温下完成各种动作试验(如图1)。低温试验过程如下:

(1)将常温试验合格的样机置于低温箱中，将环境温度冷却至－30 ℃;

(2)待到油温达到－30 ℃后启动电机，观察压力和温度的变化;

(3)通过驱动各电磁阀，检验液压系统的各个动作;

(4)比例阀、油缸、位移传感器组成闭环回路，通过外加信号测量闭环运动曲线，与常温状态下的曲线进行对比;

(5)系统停机，将温度冷却至－ 45 ℃，保温12 h 以上;

(6)将温度恢复至－30 ℃，进行液压系统的各种动作试验，检查各项指标及外泄漏;

(7)将温度恢复到常温，在常温下重新进行试验，将试验数据与低温试验前数据进行对比分析。

图1 低温试验

3.3 油缸寿命试验

为考核油缸的长期工作性能，对油缸进行了20万次动作试验。

选取一套控制油缸和一套安全油缸，组成相互加载回路进行测试。测试压力为10 MPa，动作速度为100 mm/s，油缸行程为450 mm。

经过20 万次动作试验后，测试油缸的滞缓率曲线(如图2)和内泄漏量与测试前对比，滞缓率曲线没有变化，内泄漏量从0 增加到2 滴/min。可以证明两套油缸经过长期工作以后，各方面性能指标都没有下降。

图2 控制油缸的滞缓率曲线

3.4 实际使用考核

完成各项试验之后，样机安装在内蒙古霍林河风场，进行实际发电考核。经过两年的运行，国产化的变桨液压系统各项性能指标完全能满足风机的使用要求，已经超过进口产品的水平。

4 结论

结合我国风场主要分布在内蒙、东北、西北地区的实际情况，在消化吸收国外先进技术的基础上，研制的低温型风机变桨液压系统能满足风机的使用需要，并通过了实际使用考核。这套液压系统的研制，填补了我国兆瓦级风力发电机组变桨液压系统的空白，打破了国外供应商垄断的局面，大大降低了风力发电机组液压系统的采购价格，初步预计将降低30%，为国内风机设备供应商生产成本的降低起到了积极的作用。

【1】胡东，赵湘文，蔡旭. 基于SimHydraulics 的兆瓦级风机液压型变桨系统仿真［J］. 机床与液压，2009，37(10):205 －208.

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【3】陈晓波，林勇刚，李伟.基于Bladed 的电液比例变桨距.风力机半物理仿真平台［J］. 机床与液压，2006(12):l16 －l17.

【4】孟晓凤，邹文杰. 一种750 kW 风力发电机组的液压变桨机构［J］.科技与生活，2010(16):137，170.

【5】王树强，刘绍杰.兆瓦级风力发电机液压变桨距系统设计及建模［J］.沈阳工业学院学报，2004(3):32 －34.

【6】屈 圭，梅沪光，吴晓丹. 大型风电机综合液压系统设计［J］.机电产品开发与创新，2009(7):29 －31.

【7】叶航冶.风力发电控制系统［M］. 北京:机械工业出版社，2002.

【8】李永堂，雷步芳，高雨茁.液压系统建模与仿真［M］.北京:冶金工业出版社，2003.