液壓技術在風電機組中的應用現狀

文／田德 錢家驥

液壓技術在風電機組中的應用現狀

文／田德 錢家驥

在資源環境形勢日益嚴峻的今天，風力發電經過不斷發展已經成為可再生能源領域中技術最成熟，最具商業化發展潛力的發電方式之一。但是現有的風力發電技術還不能完全滿足實際應用中的需求，技術的缺陷仍是限制風電行業進一步發展的重大阻礙之一。風力發電技術涉及到眾多科技領域，其中液壓技術憑借其輸出功率大，控制精度高，占用空間少等優勢，在風力發電系統中得到廣泛應用。在風電機組中液壓技術的應用涉及到液壓變槳系統、液壓主軸剎車、液壓傳動系統、液壓偏航系統、液壓儲能器等，如圖1所示。

液壓功率控制系統

一、定槳距功率控制

定槳距風力機的控制主要通過葉片翼型的氣動特性以及葉尖擾流期實現，風輪吸收功率隨風速的變化而變化。當風速超過額定風速時，必須通過葉片失速效應來降低風能利用率，從而維持發電機輸出功率恒定。失速控制較為常見的是采用液壓系統驅動的葉尖擾流器控制，正常運行時葉尖擾流器與葉片主體部分精密地合為一體或收回，需要安全停機時，液壓系統按控制指令將葉尖擾流器釋放，形成阻尼板，產生氣動阻力使風力發電機減速。

二、變槳距功率控制

從空氣動力學的角度來考慮，當風速過高時，只有調節風電機組的槳葉槳距，才能改變葉片攻角，進而改變機組的空氣動力轉矩，從而保證輸出功率的穩定。同時在啟動過程中，風力機也需要依靠變距獲得啟動轉矩。變槳距技術是目前大型風電機組普遍采用的技術。

風力機的變槳系統按照變槳執行機構不同具體劃分為：液壓變槳距系統和電伺服變槳距系統，表1是兩者特性對比。液壓變槳距系統主要由動力源液壓泵站、控制模塊、蓄能器與執行機構油缸構成，代表廠商有Vestas、Gamesa、Acciona、Dewind和三菱重工等。電伺服變槳系統主要由伺服電機、伺服驅動器、儲能裝置與執行機構減速機組成，代表廠商有GE、Nordex、Suzlon、Repower、金風和華銳等。在全球的風電市場中，液壓變槳技術和電伺服變槳技術在市場占有率不基本持平，國內液壓變槳技術應用相對較少。

圖1 液壓傳動型風電機組系統

表1 液壓變槳和電動變槳的比較

液壓變槳根據槳距角給定指令驅動液壓缸，液壓缸帶動推動桿和同步盤運動，同步盤通過短轉軸、連桿和長轉軸推動偏心盤轉動，偏心盤帶動槳葉進行變槳。由于液壓變槳系統具有起動力矩大、定位精確、執行機構動態響應快等優點，因此被很多風電機組采用。針對液壓變槳系統的執行機構相對復雜，非線性嚴重，存在漏油、卡澀等機械故障，導致液壓機構故障占風電機組故障的比例很高，有學者提出采用冗余控制和在線監測技術避免液壓系統故障引起的問題，但系統復雜，實現難度高。液壓變槳系統電氣布線和布液壓油路困難、風輪重量增加以及輪轂制造難度提高，對于兆瓦級風電機組，采用液壓變槳系統實現獨立變槳距控制有較大難度。浙江大學李偉教授等在《風力發電中液壓技術的應用研究》中指出電伺服變槳系統的應用也有其限制，如電機本身如果連續頻繁地調節槳葉，將產生過量的熱負荷易使電機損壞。隨著液壓技術不斷發展，在風電機組日益大型化的趨勢下，液壓變槳系統仍具有很大的優勢和發展潛力。

偏航系統中液壓技術應用

風電機組偏航系統的主要功能是使風輪始終處于迎風狀態并且提供必要的鎖緊力矩，以保障風電機組的安全運行，即驅動與制動兩部分功能。大型風電機組通常采用主動偏航技術，就是采用電力或液壓驅動裝置來完成對風動作，常見的有齒輪驅動和液壓滑動兩種形式。對于并網的大型風電機組，通常都采用主動偏航中的齒輪驅動形式，液壓滑動形式應用較少。但是隨著風電機組的不斷大型化，液壓偏航有取代電機偏航的趨勢。偏航制動器一般采用液壓裝置，該技術已經比較成熟，得到廣泛的應用。但是液

壓偏航制動系統在實際使用中存在較嚴重的滲漏油問題。國內很多風電場的風電機組偏航制動器在運行1至2年后，開始出現不同程度的滲漏油，通過更換密封件后又很快重復出現滲油，只能更換剎車器來延長維修周期，極大地增加了維護成本，是風電機組維護中不易處理的難題，目前仍沒有很好的解決方式。

主軸剎車

風電機組停機分為正常停機與故障停機，又將故障停機分解為安全停機(即非主要部件出現故障，為機組安全而停機，如溫度傳感器、通訊等出現故障)和緊急停機(即機組的主要部件如槳葉、齒輪箱、發電機出現故障，繼續運行將會造成嚴重損傷)。

傳統機械剎車的剎車閘主要安裝在高速軸或低速軸上，安裝在高速軸上剎車力矩小，容易安裝，但齒輪箱可能會經常過載，動態載荷對齒輪箱沖擊較大，容易造成齒輪箱損壞。安裝在低速軸上可以減小齒輪箱的沖擊，避免齒輪箱受沖擊載荷損壞，但這樣就需要剎車力矩很大，剎車閘的尺寸也較大，安裝會有困難，同時較大的剎車力矩又對液壓系統的密封性有更高的要求。

安全停機時，定槳距風力機釋放葉尖擾流器或變槳距風力機順槳，同時由液壓換向閥切換投入第一組(對稱兩套)剎車液壓缸，當發電機轉速降到同步轉速時，發電機主接觸器調開，第二組剎車液壓缸也切入；正常停機時同樣主要由一組剎車液壓缸起作用。緊急停機則是剎車開始時全部制動力都投入。鑒于一般傳統機械剎車存在機械振動大、齒輪箱經常過載、剎車片磨損大等問題，許多風電廠家對機械剎車系統進行了改進。德國的Svendborg剎車制造公司于二十一世紀初研制了風力機柔性剎車產品(SoftBrakingoption,SOBO)，控制器根據高速軸轉速，通過電液比例換向閥，實時調節制動力以減小傳動軸的力矩波動和摩擦片磨損，該產品已成功應用許多風力機上，如SUZLON1.25MW、SIMENS一BONUS3.6MW、GE2. xMW、NORDEX一N802.SMW等。目前國內也開展了柔性剎車技術的研究。柔性控制方式下軸速減少的過程相對平滑而緩慢程度，主軸力矩在可控方式下比不可控方式下有明顯的減少。整個過程中力矩的變化不大，波動也較少。這種剎車策略不僅減少主軸上的力矩波動，同時大幅減少具有破壞性振動的持續時間，這對于減小齒輪箱的扭矩波動疲勞損失十分有利。但是柔性剎車設備價格相對比較昂貴，容易產生卡塞現象。

液壓傳動型風電機組

液壓傳動型風電機組采用液壓傳動形式，實現傳動比實時可調，系統靈活性較高，且可實現柔性控制，可抑制風速波動對電能質量的影響；實現勵磁同步發電機在風電機組領域的使用，以準同期方式接入電網；省去變頻逆變設備，降低對電網的沖擊，無諧波，可根據電網的需求調整功率因數，相應發出有功功率和無功功率；省去齒輪箱、逆變器和箱式變壓器，減少功率損耗，大大減小風電機組的重量，降低裝機成本，能很好地適應陸地和海上風電機組的需求。可見研究液壓型風電機組具有重要的理論與現實意義。

液壓傳動型的風力發電裝置國內外還沒有用于商業用途的成品，大多還處在理論研究和樣機實驗階段。對于液壓型傳動風電機組的研究，國外最早的應是1995年英國愛丁堡大學的教授及其團隊，經過十幾年的研究推出了液壓風力發電系統，目前其研究成果已經賣給了一家日本公司；丹麥奧爾堡大學投入8個博士研究生正在研發新型液壓海上風力機原理圖，希望采用海水作為傳動介質； 2007年，挪威 ChapDrive 公司研發出 900kW 液壓傳動式風電機組，目前ChapDrive 正在研制具有更高效率的5MW 機型；2009年，蘇格蘭 Artemis Intelligent Power 公司在英國碳基金會的支持下，成功完成了1.5MW 液壓型風電機組模型，獲得了碳基金會創新獎；2010 年，德國亞琛大學在實驗室搭建液壓傳動風電機組實驗平臺，完成理論仿真分析以及實驗臺數據分析對比；2010 年，美國伊頓公司提出一種方案，將 90%的設備安裝在地面，此種方式更適用于中小型風電機組，降低安裝成本、減少機艙重量、大大減少了維修次數。美國于1979年，加拿大于2003 年，挪威于2006年分別在相關理論中申請專利。

在國內，2007年吳運生在發明專利無齒輪箱高速同步風力發電機(200710156585.6)中，描述了一種液壓式風力發電機。2009 年，王延忠、海錦濤、陳燕燕在發明專利中，描述了一種風力發電傳動裝置：風力機帶動變排量液壓泵，通過容積調速回路保證定排量液壓馬達的轉速，液力傳遞部分還包括一個蓄能器用于提供輔助動力；2009 年，蘭州電源車輛研究所有限公司的陳建業、周強等人開展在齒輪箱與發電機之間引入變量泵控定量馬達液壓系統的研究并申請專利；2010 年，上海僖舜萊機電設備制造有限公司的陳忠衛、溫熙森等在發明專利中提出一種液控穩頻發電方法；2010 年，大連星火新能源發展有限公司成套引進挪威ChapDrive 公司液壓主傳動風電機組技術，其中1.5MW實驗臺已完成；2011 年，浙江大學李偉教授在潮流能發電系統中采用液壓傳動方式；2012 年，燕山大學孔祥東教授對液壓型風電機組主傳動系統恒轉速輸出和功率控制做了理論與實驗研究。可見液壓傳動型風力發電技術受到了國內外研究人員的廣泛關注，并進行了大量的研究。

對于風力發電液壓系統來說，可以使用從油箱中獲取油源的開式系統，和不經過油箱油液直接被利用的閉式系統。兩種循環方式性能對比見表2。

表2 循環方式性能對比

為使液壓馬達輸出轉速恒定，液壓基本回路是速度控制回路。速度控制回路主要是控制系統中流量的變化，流量控制大致有三種形式：第一種是由定量泵加流量控制閥形式構成的節流調速回路；第二種是由變量泵和變量馬達形式構成的容積調速回路；第三種是由上述兩者融合構成的容積節流調速回路。節流調速回路是通過控制流量控制閥來控制執行元件的速度，效率很低。容積節流調速回路是采用特定的變量泵和調速閥組成的，兼有節流調速回路和容積調速回路的優點，效率較高，調節方便，該種類型的系統常用于功率不大、速度范圍大的液壓系統中。容積調速回路是通過改變變量泵或變量馬達的斜盤傾角來改變泵或馬達排量，從而實現調整速度的目的。容積調速回路上沒有節流元件減少節流損失，溢流閥通常起的是安全闊的作用，所以也沒有溢流損失，效率比其他回路高，多用于大功率的液壓系統中。液壓型風電機組多采用容積調速回路。

目前定量泵和變量馬達閉式液壓回路是理論研究的主流方向，大連理工大學、燕山大學等都有相關研究，他們大部分以風力機驅動定量液壓泵，帶動斜盤式軸向柱塞變量馬達，組成液壓回路，由馬達驅動發電機。當風力機輸出不同的轉速時，泵輸出流量發生變化，據此調節變量馬達的斜盤傾角，使馬達排量穩定，輸出穩定轉速。

當馬達高速運轉而排量較小時，定量泵-變量馬達閉式液壓傳動系統的速度剛性很低，且調速范圍較小。針對這個問題，國內外進行了很多研究，美國普渡大學設計和驗證了電控定量泵-變量馬達系統；廣西大學劉克銘針對定量泵-變量馬達容積調速回路做了靜態特性分析；燕山大學對定量泵-變量馬達系統、變轉速輸入-恒轉速輸出控制特性進行仿真與實驗研究；查普驅動公司在發明專利-渦輪機驅動電力產生系統及其控制方法中，提出采用定量泵-變量馬達組成的風力機靜液壓傳動系統。

浙江大學鮑先兵在《風力機柔性剎車技術研究》中指出，液壓傳動可在一定程度上有效減小傳動結構的力矩波動，但液壓系統總體效率低于機械齒輪傳動效率，并且與風輪直接連接的液壓泵的大排量低轉速特性需要專業性設計，其低速效率的工藝保證問題也有待進一步研究。機械液壓混合傳動模式根據風電機組運行特點，通過機械齒輪箱傳動結構與電液控制傳動結構能量流并行運行，實現機械齒輪箱傳遞能量為主，液壓控制轉速和轉矩為主的運行模式，保證傳動系統的高效性，抑制風速或負載變化造成的扭矩波動，通過改善旋轉機構的實際運行工況，使傳動部件平均使用壽命得到提高。應用到多種液壓技術的風電機組示意圖如圖2所示。

圖2 液壓技術在風電機組中應用示意圖

風電機組儲能系統液壓技術應用

風能是隨機性的能源，具有間歇性，即使在風能資源豐富的地區，把風力發電機作為獲得電能的主要方法時，也必須配備適當的蓄能裝置，才能保證發電機組的連續和平穩運行。同濟大學卞永明教授等，在《液壓儲能在風力發電儲能中的應用》中提出一種設想，風力發電的液壓儲能原理是在傳動系統中，葉輪直接驅動液壓泵轉動，輸出高壓油，油液經過液壓管路送至地面，通過穩壓泵站進入蓄能器以液壓能的形式存儲起來。需要用電時，通過穩壓泵站驅動液壓馬達轉動，液壓馬達帶動發電機轉動，液壓馬達的轉速可以通過穩壓泵站的調速回路來使之穩定，因此無需穩壓系統。當無風或風力較小時，可通過蓄能器和液壓泵同時向液壓馬達供油，來保證系統的穩定和持續發電。

液壓儲能系統應配合液壓傳動型風電機組使用，同時為風電機組內其它液壓系統提供支持，這仍處于理論研究階段。其相對于其蓄電池，超級電容器等儲能設備，有著安全，環保，重復利用率高等明顯優勢。隨著液壓傳動型風電機組技術的不斷發展和成熟，液壓儲能系統在風力發電行業中具有很大的發展潛力。

風電機組生產運輸安裝過程中液壓技術應用

兆瓦級風電機組已經是國際風電市場上的主流機型，其性能要求需要相當大的扭矩來驅動電動機，所以無論是槳葉塔架還是機艙，其體積與重量都相當巨大，從而提高了風電機組生產，運輸，安裝過程的難度。為了穩定，安全和配合等方面的要求，液壓系統以其獨特的優勢發揮了重要作用。例如在生產葉片時的模具翻轉過程中為了增加翻轉效率，保證安全，降低損壞風險，采用液壓翻轉機構代替行車；在海上風力發電裝置運輸過程中起固定作用的平衡梁抱箍器液壓系統；在安裝過程中為了防止大型組件之間發生破壞性碰撞的液壓緩沖裝置；在安裝過程中能夠使大型組件對中能夠滿足要求的自動對中液壓系統等。

結語

從風電機組的偏航系統、主軸制動、功率控制系統、液壓動力傳動、儲能系統和生產運輸安裝過程幾個方面，較為全面地介紹了液壓技術在風電機組中的應用。目前風電機組的主流技術類型是高速齒輪箱與雙饋發電機風電機組；中速齒輪箱與中速永磁風電機組；直驅永磁風電機組。雖然它們都具有各自的優勢與發展潛力，但是都不能從根本上解決風力波動造成的輸出不穩定問題。針對這一問題提出的各種解決思路中，液壓傳動型風電機組是其中理論完善，技術條件成熟，具有開發潛力的方式。利用液壓傳動系統與風電機組中其它液壓系統的集成應用，可以有效降低機艙體積，保證工作穩定性，全面提高風電機組性能。

液壓系統也有其缺點，如發熱大，相對于機械機構效率低；液壓元件加工精度要求高，造價高；液壓元件容易漏油，造成系統故障與環境污染；液壓系統的故障查找難，對操作人員的技術水平要求高。雖然液壓技術有其自身限制與缺點，但是在風電機組大型化趨勢下，通過不斷改進與完善，液壓技術在風電機組中的應用具有很大發展潛力，是引領風力發電技術創新，突破風電技術瓶頸的有效途徑。

（作者單位：新能源電力系統國家重點實驗室 華北電力大學）