基于AMESim兆瓦級風電機組機械制動分析

文 | 鞠彬，王兵會

基于AMESim兆瓦級風電機組機械制動分析

文 | 鞠彬，王兵會

風力發電是一種新型、無污染的生產能源方式，逐漸受到人們廣泛的關注。隨著風力發電技術的廣泛使用，風電機組也逐漸向著大型化發展。在風電產業發展的過程中，許多安全性、自動化、人性化的技術設計問題突顯出來，其中風電機組的液壓系統面臨著技術攻關問題。機組的液壓系統屬于動力系統，它為機組上一切以液壓為驅動力裝置提供動力。在定槳距機組中，液壓系統的主要任務是驅動機組的氣動剎車和機械剎車；在變槳距機組中，液壓系統通過控制變距機構，從而實現機組的轉速控制和功率控制，同時也控制機械剎車機構。當液壓系統提供驅動力時，載荷波動會造成液壓系統壓力沖擊頻繁。同時，載荷引起的峰值壓力也會破壞液壓系統中各零部件穩定的工作狀態，增加工作應力，降低液壓元件的壽命與安全性，容易引起安全事故。

而蓄能器對上述由波動載荷引起的壓力沖擊與脈動具有一定的吸收作用，同時蓄能器在系統中也可儲存能量和作應急動力源。在機組掉網或者發生故障時，蓄能器將儲備能量送回系統中，為機械制動或者葉片收槳提供動力。本文以維斯塔斯V90-2.0MW機組為例，分析液壓系統中的蓄能器、蓄能器預充壓力、節流孔對風電機組機械制動性能的影響。

V90-2.0MW風電機組機械制動液壓回路分析

一、V90-2.0MW風電機組機械制動原理

V90-2.0MW風電機組制動系統設計成在最初的30 分鐘內可以按下急停按鈕來啟動機械制動。

如圖1中V90-2.0MW風電機組機械制動液壓回路所示，在V90-2.0MW機組的液壓系統中，動力源通過減壓閥（2V01）向剎車系統提供壓力，而蓄能器（2Z01）保證在動力源未給壓力的情況下仍能進行剎車。如果機組緊急鏈斷開或者啟動急停程序，電磁閥（2V02、2V05、2V08）失電，電磁閥（2V03）得電，蓄能器（2Z01）向制動裝置提供壓力對剎車盤施加壓力進行制動。當在減壓閥（2V01）出現故障或蓄能器（2Z01、2Z05）過度加熱時，安全閥（2V04）不僅可以防止制動系統內壓力過高造成液壓元件損壞，也可以防止剎車壓力過大導致剎車力矩過大，從而造成剎車盤和剎車片熱損傷。

圖1 V90-2.0MW風電機組機械制動液壓回路

二、機械制動液壓回路簡化及AMESim建模

本文針對風電機組掉網或者斷電時進行機械制動時分析液壓系統的響應，液壓系統的動力源在電磁閥（2V02）失電前為蓄能器（2Z01）儲備能量。在進行機械制動時，制動裝置的制動壓力由蓄能器（2Z01）提供，所以在進行機械制動分析時可將V90-2.0MW風電機組機械制動液壓回路進行簡化。

機械制動系統簡化液壓回路如圖2所示，蓄能器（2Z01）腔內儲備有一定壓力的液壓油，當電磁閥（2V05）失電時，蓄能器（2Z01）作為動力源將液壓油提供給制動裝置，從而達到機械制動剎車的效果。

AMESim是一款多學科領域復雜系統建模與仿真軟件，為機電系統尤其是液壓和氣動系統的熱設計和仿真分析提供了很好的技術支持和優化設計分析環境。本文利用AMESim仿真軟件對V90-2.0MW風電機組機械制動液壓簡化回路進行建模，液壓回路仿真圖如圖3所示。

由于制動裝置是盤式制動器，在液壓油壓力的作用下將摩擦片與風電機組高速軸進行摩擦并夾緊達到制動效果。摩擦片在制動過程中位移極小，可忽略不計，故設置執行油缸活塞桿行程為0。系統中蓄能器（2Z01）體積為1.4L，預充氮氣壓力為60bar，儲備液壓油壓力為P=92bar。蓄能器（2Z05）體積為0.32L，預充氮氣壓力為43bar，無儲備壓力油。節流孔（2V07、2V11）孔徑均為0.6mm，順序閥（2V10）設置壓差為60bar，電磁閥（2V05）在第1S時動作開通。

機械制動液壓回路AMESim分析

一、蓄能器（2Z05）對系統壓力沖擊的影響

通過仿真軟件AMESim對有、無蓄能器的機械制動液壓回路進行模擬，可得系統壓力響應曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，在系統中設置蓄能器（2Z05）的情況下，在第1s機械制動啟動瞬時系統壓力上升至43bar左右，而后緩慢上升，直至達到穩定壓力75bar左右。在系統中不設置蓄能器（2Z05）的情況下，在第1s機械制動啟動瞬時系統壓力上升至最大壓力90bar。 通過系統內有、無蓄能器（2Z05）對比，表明蓄能器能有效吸收系統中的壓力沖擊，并能保持液壓系統的壓力穩定。由于風電機組傳動系統慣性非常大，若制動壓力瞬時達到峰值，會造成傳動部件的損壞，或者因系統壓力波動造成液壓元件的損壞。

圖2 機械制動系統簡化液壓回路

圖3 機械制動液壓回路仿真圖

圖4 系統壓力仿真曲線

二、蓄能器（2Z05）氮氣預充壓力對系統壓力沖擊的影響

蓄能器的預充氣壓力必須保持適當的水平以便在系統瞬時壓力過高時吸收高壓油，另外當蓄能器釋放液壓能時其內部壓力發生較大變化，壓力過低會大大縮短蓄能器的使用壽命。因此必須根據蓄能器的具體用途來合理選擇蓄能器的預充氣壓力，使其既具有良好的吸收作用又具有較長的使用壽命。通常情況下預充氣壓力選擇范圍為0.25Ph＜P0＜0.9P，其中Ph為系統最高壓力，P為系統穩定壓力。本文系統最高壓力Ph為92bar，穩定壓力P約為75bar，通過改變蓄能器（2Z05）氮氣預充壓力，分別對制動壓力進行分析，分析結果如圖5所示。

圖5 蓄能器2Z05預充壓力對制動性能影響

圖6 節流孔孔徑大小對制動性能影響

圖7 節流孔孔徑對順序閥2Z10開啟的影響

由圖5可以看出，隨著蓄能器（2Z05）預充壓力的增加，機械制動壓力上升速度增快。V90-2.0MW風電機組要求在制動啟動后4.5s至9s內制動壓力需要達到60.5bar，由圖5可知，預充壓力需大于40bar才可滿足要求。而蓄能器預充壓力過大，會造成制動壓力瞬時達到峰值，對系統造成損壞，所以V90-2.0MW風電機組蓄能器（2Z05）選擇預充壓力為43bar，并且要求在運營維護過程中需定期對蓄能器進行壓力檢測與維護，保證蓄能器預充壓力保持定值。

三、節流孔（2V07、2V11）對機械制動響應分析

節流孔（2V07、2V11）在系統中的作用主要是起到節流、降壓、穩壓作用，防止系統在工作過程流量過大而產生油壓大幅波動現象。節流孔孔徑的大小直接影響著其穩壓作用，因此本文針對節流孔孔徑對機械制動響應進行了分析，系統壓力響應如圖6所示。為了防止節流孔因液壓油中含有雜質而堵死，而造成制動失效，特設置順序閥（2V10），其開啟壓差為60bar。

由圖6、圖7可以得出，節流孔孔徑的大小對機械制動響應有明顯影響。節流孔孔徑過小，則會增大節流孔前后壓差，并且降低流體流量，從而使機械制動響應緩慢。當節流孔孔徑小于0.3mm時，為了避免機械制動失效，順序閥（2V10）在系統工作時會被啟動。如果節流孔孔徑過大，又會降低其穩壓效果，使系統容易產生油壓波動，對液壓元件使用壽命影響較大。通過分析，節流孔孔徑的設計至關重要，V90-2.0MW風電機組選擇節流孔孔徑為0.6mm。在后期運營維護過程中，需定期對液壓油進行取樣檢測、定期更換過濾濾芯，確保液壓油的純凈度，防止節流孔堵塞，從而可以避免機械制動失效。

結論

本文以維斯塔斯V90-2.0MW風電機組為例，利用AMESim仿真軟件對其機械制動液壓回路進行了分析。分析表明：（1）在執行機構端設置蓄能器，可以在很大程度上吸收系統的沖擊壓力，并降低壓力峰值；（2）風電機組的機械制動性能也與蓄能器的氮氣預充壓力有關，為保證制動性能良好，需定期對蓄能器進行壓力檢測與維護；（3）節流孔孔徑對機械制動響應影響明顯，在風電機組維護中應確保液壓油純凈無雜質，防止因節流孔堵塞而造成機械制動失效。

（作者單位：華潤電力風能（威海環翠）有限公司）