中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 李 強 曹晟磊 中電（福建）電力開發(fā)有限公司 程 霄

蕪湖發(fā)電有限責任公司 王 瀟

隨著風電機組裝機數(shù)量的不斷增多，加之風電機組工作環(huán)境惡劣和結(jié)構(gòu)的日趨復雜，風電機組的設(shè)計、制造和運行維護成本急劇攀升，業(yè)主對其可靠性提出了要求。于此同時，在國家倡導高質(zhì)量發(fā)展的新形勢下對其可靠性提出了更高的要求。液壓系統(tǒng)作為風電機組的重要組成部分，對風電機組偏航制動、變槳動力和主軸剎車制動等起著重要作用。

液壓系統(tǒng)主要為風電機組提供偏航制動阻尼和主軸剎車制動壓力，因此液壓系統(tǒng)對機組的運行和安全至關(guān)重要，由于雙饋機組所屬液壓系統(tǒng)的設(shè)計缺陷，雙饋機組在運行后期液壓系統(tǒng)中會經(jīng)常報錯，如：液壓油泵啟動次數(shù)過多、液壓站壓力低、剎車自檢失敗等故障，該故障處理棘手，導致機組電量損失，部分故障還會加速液壓油高溫變質(zhì)，導致建壓效率降低，提高風電場廠用電量和的維護成本，同時機組液壓油泄漏會造成機組內(nèi)部油液污染。為提高液壓站建壓效率和使用壽命，消除機組安全隱患提高機組可利用率，特對液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 運行工況

1.1 偏航靜止狀態(tài)

1.5MW 雙饋機組在不偏航時，其偏航處于液壓制動狀態(tài)，即全制動狀態(tài)，偏航液壓對偏航系統(tǒng)提供足夠的阻尼力矩，以抵制風速對風輪平面的側(cè)傾力矩，使之保持靜止，此時P=160bar，液壓偏航壓力與系統(tǒng)壓力貫通一致，此時壓力在正常狀態(tài)無流失。

1.2 偏航對風狀態(tài)

機組在偏航對風時，液壓站偏航剎車壓力處于半釋放狀態(tài)（P1=45bar），但現(xiàn)場實際運行在20bar 左右，而偏航剎車的進油回路一直處于供壓狀態(tài)（P=160bar），故液壓站在偏航半釋放電磁泄壓閥230.1和溢流閥240的作用下一直泄壓，偏航回路壓力檢測點為170.3，系統(tǒng)壓力檢測點為170.1，如圖1所示。在液壓系統(tǒng)壓力低于140bar時進行自啟動建壓，P 為液壓站自啟停止打壓的上限，即一般為160bar，在偏航對風過程中液壓站為保證140bar～160bar 的系統(tǒng)壓力，進行間斷性建壓，系統(tǒng)壓力圖顯示為鋸齒狀，ΔP1為液壓站在偏航對風過程中任意時刻損失的壓力，即：ΔP1=PP1=115bar。

圖1 上海伊頓液壓系統(tǒng)圖

1.3 偏航解纜狀態(tài)

機組在偏航解纜狀態(tài)時機組停機，為使機組更快的進行解纜并降低偏航的摩擦損耗，液壓站偏航剎車壓力處于全釋放狀態(tài)（P2=0bar），此時偏航剎車的進油回路也一直處于供壓狀態(tài)（P=160bar），故液壓站在偏航全釋放電磁泄壓閥230.2的作用下一直泄壓，系統(tǒng)壓力圖是更為尖銳的鋸齒狀。ΔP2為液壓站在偏航解纜過程中任意時刻損失的壓力，即：ΔP2=P-P2=160bar。

根據(jù)偏航狀態(tài)的不同，繪出圖2所示的液壓系統(tǒng)壓力和建壓時序圖，壓力圖呈現(xiàn)“鋸齒狀”，圖中曲線上坡為液壓系統(tǒng)建壓動作，在偏航動作過程中液壓系統(tǒng)均處于泄壓狀態(tài)，因建壓速率比泄壓速率快，因此系統(tǒng)壓力圖顯示為鋸齒狀，壓力圖“上坡”較陡說明液壓系統(tǒng)建壓效率良好，“下坡”較緩說明壓力釋放為較慢。因偏航解纜泄壓較多導致系統(tǒng)壓力曲線比偏航對風更陡峭，在整個偏航過程中，液壓系統(tǒng)壓力均在泄放狀態(tài)，故其曲線建壓的頻次跟偏航動作的持續(xù)時間成正相關(guān)，持續(xù)的偏航動作導致液壓系統(tǒng)建壓動作啟動頻繁[1]。

圖2 液壓系統(tǒng)壓力及建壓時序圖

綜上所述，液壓站在后面兩種狀態(tài)下，為維持一定的系統(tǒng)工作壓力，保證液壓系統(tǒng)對偏航和主軸剎車的安全控制，液壓系統(tǒng)油泵時斷時續(xù)地處于工作狀態(tài)，偏航剎車的液壓油經(jīng)液壓站泵通過偏航剎車卡鉗再回到油箱，即在偏航過程中，偏航液壓油與液壓系統(tǒng)之間的油路一直處于油循環(huán)狀態(tài)，齒輪油泵在長時間運行的累積下，造成齒輪泵加速磨損以致油泵建壓效率降低，建壓磨損釋放的熱量又導致液壓油溫度持續(xù)升高，油溫過高使液壓油密度急速下降，從而加速液壓油變質(zhì)，液壓油中磨損的雜質(zhì)顆粒又導致油泵系統(tǒng)產(chǎn)生液壓油泄漏，隨后油泵建壓效率逐漸降低，這幾者之間復雜的相互疊加作用促使液壓系統(tǒng)惡性循環(huán)持續(xù)加深，極大的降低液壓站的建壓效率和使用壽命，同時增加液壓系統(tǒng)電量損耗，甚至造成風力發(fā)電機組的安全事故[2]。

2 優(yōu)化方案

2.1 硬件配置

為降低機組在偏航過程中偏航壓力的泄放、能量浪費以及提高液壓系統(tǒng)的效率和壽命，本方案以調(diào)節(jié)建壓時間為目標，以控制偏航供壓為方向，以電磁閥控制為方式，對液壓系統(tǒng)偏航供壓回路進行優(yōu)化，將液壓系統(tǒng)圖中節(jié)流閥140.3改為兩位兩通電磁閥（圖3）。使用兩位兩通閥，可將偏航供油回路進行控制，在偏航靜止時可與系統(tǒng)壓力保持一致，在偏航動作時，及時將偏航供油回路截斷，確保系統(tǒng)壓力不被泄放，而直流電磁閥所具備的快速性、靈敏性可實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)偏航壓力的控制。

圖3 偏航供油回路閥體優(yōu)化

2.2 軟件配置

在偏航階段使用電磁閥鎖定偏航壓力，控制偏航進壓，即阻斷與系統(tǒng)壓力之間的橋梁，偏航的目標壓力僅由偏航釋放閥控制；在靜止階段解鎖偏航壓力與系統(tǒng)壓力是一個封閉系統(tǒng)，偏航壓力與系統(tǒng)壓力保持一致，形成相對穩(wěn)定的通路壓力系統(tǒng)，使其液壓系統(tǒng)具備壓力柔性，均衡壓力分布，增強阻尼特性。根據(jù)偏航階段的時間長短設(shè)定電磁閥失電導通解鎖和得電關(guān)斷鎖定邏輯，偏航動作如表1所示。

表1 偏航電磁閥動作表

為實現(xiàn)對偏航鎖壓電磁閥104.3的硬件控制，提出兩種控制方法，具體如下：

通過主控系統(tǒng)，即在機艙柜內(nèi)倍福DO 模塊（KL2424）增加一組控制通道來實現(xiàn)，軟件控制需要在PLC 主控所屬偏航控制策略程序中寫入組態(tài)和控制邏輯，即偏航制動時失電解鎖，偏航動作時得電鎖定（此設(shè)計保證控制系統(tǒng)故障失電時，偏航回路有足夠的壓力），控制電源為24VDC 來實現(xiàn)，其倍福系統(tǒng)控制編譯靈活、反應(yīng)速度快、安全可靠，可根據(jù)風電機組進行協(xié)調(diào)分析設(shè)計控制邏輯（圖4）。

圖4 倍福KL2424增加偏航鎖壓通道

通過控制電路，利用主控PLC 對偏航電機電磁剎車的控制信號，從機艙控制柜24VDC 配電端子取一組線，將偏航電機電磁剎車接觸器的386KM4的空置主觸點3、4腳接到偏航鎖壓電磁閥104.3上，因其控制簡單，無需改寫控制程序，技改成本低效率高（圖5）。

圖5 偏航電磁松閘控制圖

對該偏航控制的兼容性進行探討：依據(jù)偏航啟停時序策略就偏航對風狀態(tài)進行分析，即偏航半釋放啟動過程：開啟偏航半釋放、延時1秒鐘、打開電磁抱閘、延時1秒、啟動偏航電機，偏航停止過程與之相反，故該控制方法在偏航啟動初期系統(tǒng)壓力會對偏航產(chǎn)生2s 的泄壓時間，其不會對系統(tǒng)壓力造成較大的損失，同時較小偏航液壓油循環(huán)可改善偏航系統(tǒng)油液的溫度和過濾出雜質(zhì)顆粒；在偏航停止過程中會提前給偏航系統(tǒng)供壓，保證偏航壓力及時建立，提高偏航剎車響應(yīng)實現(xiàn)偏航制動，保護偏航電機電磁抱閘損傷。

綜上所述，優(yōu)選方法二對控制偏航鎖壓電磁閥104.3進行控制，其控制邏輯兼容性較好，技改簡單成本低，運行安全可靠，方案實施簡單，具有良好的經(jīng)濟效益。

2.3 優(yōu)化效果

安全性。液壓系統(tǒng)的可靠性對機組的安全舉足輕重，通過對液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，考慮風力發(fā)電機組和液壓系統(tǒng)的異常工況，即在該電磁閥失電或故障失效的情況下，也可保證液壓站偏航系統(tǒng)正常運行，不會對液壓系統(tǒng)和機組的安全造成負面影響，本液壓系統(tǒng)優(yōu)化方案可降低液壓站泵心磨損，提高建壓效率，延長液壓站使用壽命，切實提高機組運行的安全系數(shù)。

經(jīng)濟性。在液壓系統(tǒng)優(yōu)化后，在不同的偏航運行狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)壓力及時序圖如圖6，在偏航解纜和偏航對風的初期，由于系統(tǒng)釋放壓力導致系統(tǒng)壓力有所下降，偏航對風狀態(tài)系統(tǒng)壓力變化相對平緩，但在動作過程中系統(tǒng)壓力將保持恒定，系統(tǒng)壓力僅與偏航次數(shù)有關(guān)，而與偏航時長無關(guān)，這極大的降低了液壓系統(tǒng)的啟動次數(shù)。

圖6 液壓系統(tǒng)壓力及建壓時序圖

液壓站系統(tǒng)優(yōu)化方案可降低機組在偏航過程中偏航壓力能量的泄放和機組電量損耗，以甘肅酒泉地區(qū)盛行東、西風的風場為例，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計機組平均每天的偏航時間，即近似為液壓系統(tǒng)驅(qū)動電機的啟動時間，經(jīng)統(tǒng)計約為2h，液壓站驅(qū)動電機功率為0.75kW，則損耗為1.5kWh，以334臺機組的風場為例，每年節(jié)約機組損耗用電18.036萬kWh，同時降低了液壓系統(tǒng)的耗材、油液、備件等維護成本，該液壓站系統(tǒng)優(yōu)化方案技改成本低，在提高上網(wǎng)電量的同時可降低下網(wǎng)電量，風電場經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié)語

該設(shè)計方案可極大的阻斷偏航油路在偏航動作過程中的油循環(huán)和壓力泄放，優(yōu)點如下：降低液壓系統(tǒng)的啟動時間和啟動頻率，防止液壓系統(tǒng)頻發(fā)啟動對液壓電機造成的損傷，同時可延長齒輪泵的使用壽命，保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，極大的提高液壓系統(tǒng)的健康水平；保證液壓能在風電機組運行中的存儲時間和能量的使用效率，降低風電機組啟動耗電損失和風電場的廠用電率達到節(jié)能降耗的目的；液壓系統(tǒng)改造簡單，改造成本低廉，運行安全降低了液壓系統(tǒng)維護成本，是風電機組提質(zhì)增效中的重要舉措。

綜上，液壓系統(tǒng)對機組的安全運行舉足輕重，通過對偏航液壓系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化設(shè)計，提高了液壓站建壓效率和機組可利用率，同時可降低液壓站的電量損耗和維護費用。該設(shè)計方案在風力發(fā)電機組經(jīng)濟性和安全性上有了極大的提升，實現(xiàn)了機組液壓系統(tǒng)優(yōu)化的目的，極具推廣性。