風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)研究

摘 要：【目的】研究蓄能器公稱容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長度及通徑、油液黏度等因素對風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。【方法】以實際生產(chǎn)中使用的某型風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)為研究對象，在仿真軟件中構(gòu)建系統(tǒng)模型，采用控制變量法分別對單一影響因素進行仿真分析。【結(jié)果】對比不同條件下偏航系統(tǒng)的卸壓與建壓響應(yīng)時間及液壓系統(tǒng)補壓頻率，得到不同變量對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。【結(jié)論】研究結(jié)果為偏航液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計和選型提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；偏航；液壓制動系統(tǒng)；仿真

中圖分類號：TH137" " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0014-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.003

Research on Yaw Hydraulic Braking System of Wind Turbine

LEI Chao" " SONG Zhao" " WEI Zhanxu

（Ming Yang Smart Energy Group Limited， Zhongshan 528400， China）

Abstract： [Purposes] To study the influence of accumulator nominal volume， precharging pressure， hydraulic hose length and diameter， oil viscosity and other factors on the performance of the yaw hydraulic brake system of wind turbine.[Methods] Taking the yaw hydraulic braking system of a certain type of wind turbine used in actual production as the research object， the system model is constructed in the simulation software， and the single influencing factor is simulated and analyzed by the control variable method.[Findings] The effects of different variables on the system were obtained by comparing the pressure relief and building response time of the yaw system and the pressure compensation frequency of the hydraulic system under different conditions.[Conclusions] The research results provide reference for the design and selection of yaw hydraulic braking system.

Keywords： wind turbine; yaw; hydraulic braking system; simulation

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機組是由多個元器件組成的，具有綠色環(huán)保、建設(shè)周期短、環(huán)境要求低、風(fēng)資源儲量豐富、利用率高［1］等優(yōu)點，從而被大規(guī)模應(yīng)用。偏航液壓制動系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組的重要部件，為機組阻尼偏航及剎車提供制動動力［2］，是保障機組安全、穩(wěn)定運行的重要工作裝置。風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中，因風(fēng)速、風(fēng)向具有較大的隨機性，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)向來實時調(diào)整機艙位置，才能實現(xiàn)準(zhǔn)確對風(fēng)。因此，其液壓制動系統(tǒng)要具備良好的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性［3］。

目前，已有學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)展開研究。管小興等［4］在偏航液壓制動系統(tǒng)回路中單獨增設(shè)一組蓄能器，可有效改善偏航過程中液壓油泵電機頻繁啟停的問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；肖旺等［5］在對低溫環(huán)境中偏航液壓制動系統(tǒng)響應(yīng)能力研究的基礎(chǔ)上，提出一種將多組偏航制動器“串聯(lián)+并聯(lián)”的管路連接方案，來減小液壓系統(tǒng)阻力，通過仿真分析驗證了該方案的可行性。本研究以某型風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)為研究對象，通過仿真軟件來構(gòu)建液壓系統(tǒng)模型，采用控制變量法來分析蓄能器公稱容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長度及通徑、油液黏度等因素對偏航液壓制動系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，為風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計和選型提供參考。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成

為便于研究，對實際生產(chǎn)中使用的某型風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)進行簡化處理，將不影響研究結(jié)果的空氣過濾器、液位傳感器、溫度傳感器等部件省略，系統(tǒng)原理如圖1所示，采用8組并聯(lián)的偏航制動器進行偏航制動。

由圖1可知，齒輪泵在電動機的帶動下，液壓油從油箱中被抽出，經(jīng)單向閥、過濾器后進入系統(tǒng)。溢流閥起到安全保護的作用，用于調(diào)定液壓系統(tǒng)的最大壓力值。壓力傳感器用于檢測液壓系統(tǒng)壓力，蓄能器作為輔助動力源，起到壓力緩沖的作用。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力低時，蓄能器為系統(tǒng)補壓；當(dāng)系統(tǒng)壓力高時，蓄能器充壓，截止閥起到泄壓的作用；當(dāng)系統(tǒng)要維護時，打開截止閥，卸掉系統(tǒng)壓力。液壓系統(tǒng)中的液壓油經(jīng)單向閥、節(jié)流閥、電磁換向閥后，會進入到偏航制動器中，為制動器提供制動壓力。其中，壓力傳感器用于檢測偏航回路的壓力，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)偏航回路的流量。當(dāng)系統(tǒng)進行偏航全釋放時，偏航回路中的液壓油經(jīng)過濾器、電磁閥流回油箱；當(dāng)系統(tǒng)進行偏航半釋放時，偏航回路中的液壓油經(jīng)過濾器、電磁閥、溢流閥流回油箱。其中，溢流閥用于設(shè)定偏航半釋放壓力值。

1.2 工作原理

液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力設(shè)定為16～18 MPa，動力源為一臺三相異步電動機。當(dāng)壓力傳感器檢測到系統(tǒng)的壓力低于16 MPa時，主控控制電動機啟動，為液壓系統(tǒng)補壓；當(dāng)壓力傳感器檢測到系統(tǒng)的壓力高于18 MPa時，控制電動機停止運轉(zhuǎn)。根據(jù)機組的運行狀況，風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)可實現(xiàn)全壓制動、阻尼偏航及偏航解纜這三種動作。

1.2.1 全壓制動。當(dāng)機組正常發(fā)電及停機維護時，機艙的位置保持不變，二位二通常開電磁閥換向閥、二位二通常閉電磁閥換向閥均失電，壓力油經(jīng)電磁閥進到偏航回路中，二位二通常閉電磁閥換向閥處于截止?fàn)顟B(tài)，液壓系統(tǒng)為偏航制動器提供制動壓力。

1.2.2 阻尼偏航。當(dāng)機組要偏航對風(fēng)時，偏航制動器要提供一定的阻力，用于確保機艙偏航過程中平穩(wěn)順暢。此時，二位二通常開電磁閥換向閥、左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電，右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥失電，二位二通常開電磁閥換向閥、右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電處于截止?fàn)顟B(tài)，左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)中的液壓油不進入偏航回路中，偏航回路中的液壓油經(jīng)溢流閥建立適當(dāng)?shù)谋硥海瑢崿F(xiàn)機組阻力偏航。

1.2.3 偏航解纜。機組多次向同一方向偏航時，電纜會出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象，要快速反方向轉(zhuǎn)動解纜。此時，二位二通常開電磁閥換向閥、右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥得電，左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥失電，二位二通常開電磁閥換向閥、左側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥處于截止?fàn)顟B(tài)，右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)中的液壓油不進入偏航回路，偏航回路的液壓油通過右側(cè)二位二通常閉電磁閥換向閥卸壓。

2 系統(tǒng)建模

按照偏航液壓制動系統(tǒng)原理，使用某仿真軟件來構(gòu)建系統(tǒng)模型，如圖2所示。由于軟件液壓庫中沒有二位二通常開電磁換向閥，利用軟件中的HCD庫元件進行建模。在實際建模過程中，將上下兩半偏航制動器等效為一個，使用彈簧系統(tǒng)來模擬摩擦片的壓縮，用HCD庫元件進行建模。通過一個液阻來模擬齒輪泵的容積損失，電磁閥的得電和失電動作是由信號與控制庫中的信號元件來控制的。左側(cè)壓力傳感器輸出的壓力信號在經(jīng)函數(shù)運算后輸出信號，可控制電動機的運轉(zhuǎn)，用來模擬控制實際工作過程中電動機的啟停。模型中部分液壓元件的仿真參數(shù)見表1。

3 仿真分析

為研究蓄能器的公稱容積及預(yù)充壓力、軟管長度及通徑、油液黏度等因素對偏航液壓制動系統(tǒng)性能的影響，在偏航液壓制動系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，采用控制變量法進行仿真分析，通過仿真軟件的批處理功能，研究單一因素對系統(tǒng)性能的影響。

3.1 蓄能器對系統(tǒng)性能的影響

在液壓系統(tǒng)中，蓄能器起到儲存能量、補償泄漏及降低系統(tǒng)流量和壓力脈動的作用［6］。其中，公稱容積和預(yù)充壓力為蓄能器的兩個主要技術(shù)參數(shù)。對不同公稱容積、不同預(yù)充壓力的蓄能器下的偏航系統(tǒng)壓力進行仿真分析。

不同公稱容積蓄能器下偏航系統(tǒng)壓力隨時間變化如圖3所示。蓄能器的公稱容積分別為1 L、2.8 L、6 L時，偏航液壓制動系統(tǒng)從全制動切換為半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時間相同，均為2.5 s；偏航液壓制動系統(tǒng)從半釋放切換到全制動時，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，建壓時間分別為2.27 s、1.75 s、1.69 s。由此可知，蓄能器容積越大，系統(tǒng)建壓時間越短，相比于公稱容積為1 L的蓄能器，蓄能器公稱容積為2.8 L、6 L的系統(tǒng)建壓時間分別縮短了22.9%、25.6%。偏航結(jié)束后，偏航壓力恢復(fù)到系統(tǒng)壓力，分別穩(wěn)定在16.11 MPa、17.23 MPa、17.61 MPa，即蓄能器容積越大，偏航結(jié)束穩(wěn)定后的壓力越大。系統(tǒng)壓力低于16 MPa時電動機會啟動，為液壓系統(tǒng)補壓，蓄能器公稱容積過小的機組在偏航時會導(dǎo)致液壓電機頻繁啟動，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

不同預(yù)充壓力蓄能器下的偏航系統(tǒng)壓力隨時間變化，如圖4所示。蓄能器預(yù)充壓力分別為8.5 MPa、12 MPa、15.5 MPa時，偏航系統(tǒng)從全制動切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時間相同，均為2.5 s。偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，系統(tǒng)建壓時間分別為1.78 s、1.75 s、1.73 s。由此可知，提升蓄能器預(yù)充壓力不能有效縮短偏航系統(tǒng)建壓時間，但進行多次偏航動作后，蓄能器預(yù)充壓力越低，液壓電機啟動補壓就會越頻繁。蓄能器預(yù)充壓力為8.5 MPa時，在第3次偏航動作后會啟動電機為系統(tǒng)補壓。此外，若預(yù)充壓力設(shè)置過高，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于16 MPa時，因系統(tǒng)存在時滯性，導(dǎo)致液壓電機還未啟動，系統(tǒng)會繼續(xù)掉壓，若壓力低于蓄能器預(yù)充壓力，系統(tǒng)的壓力會陡然下降，觸發(fā)機組故障報警。因此，蓄能器的預(yù)充壓力過高也會降低液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 軟管對系統(tǒng)性能的影響

液壓系統(tǒng)與偏航制動器是通過軟管總成連接在一起的，分析不同軟管長度、不同軟管內(nèi)徑對系統(tǒng)性能的影響。

不同軟管總長下的偏航系統(tǒng)壓力隨時間變化，如圖5所示。當(dāng)偏航系統(tǒng)軟管總長分別為8 m、10 m、12 m時，系統(tǒng)從全制動切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，系統(tǒng)卸壓時間分別為2.5 s、3.0 s、3.57 s；系統(tǒng)從半釋放切換到全制動時，偏航壓力從4 MPa升到16 MPa，系統(tǒng)建壓時間分別為1.75 s、2.12 s、2.51 s。相比于8 m長的軟管，軟管長為10 m、12 m的系統(tǒng)卸壓時間分別縮短了20%、42.8%，建壓時間分別縮短了21.1%、43.4%。軟管的體積膨脹特性會造成系統(tǒng)流量和壓力的損耗，縮短軟管長度后，能明顯提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

不同軟管內(nèi)徑下偏航系統(tǒng)的壓力隨時間變化，如圖6所示。當(dāng)偏航系統(tǒng)的軟管內(nèi)徑分別為7.9 mm、9.5 mm、12.7 mm時，偏航系統(tǒng)從全制動切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，卸壓時間分別為1.83 s、2.52 s、4.51 s；偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動，偏航壓力從4MPa升到16 MPa，建壓時間分別為1.28 s、1.75 s、3.3 s。偏航結(jié)束后，恢復(fù)全壓后的系統(tǒng)壓力值分別為17.41 MPa、17.22 MPa、16.68 MPa。由此可知，軟管內(nèi)徑越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快，恢復(fù)全壓后的壓力值越高；軟管內(nèi)徑越小，管道內(nèi)油液的沿程壓力損失就越大，管道內(nèi)油液的體積變小。當(dāng)電磁閥動作時，系統(tǒng)的壓力波動會變大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)。

3.3 油液對系統(tǒng)性能的影響

液壓油的黏度會隨油溫變化而變化。油溫越低，液壓油的黏度越大，黏度增長速度也越快。某品牌液壓油的ISO黏度等級為32，在-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃油溫下，運動黏度分別為569.2 cSt、276.5 cSt、73.7 cSt、38.2 cSt、22.4 cSt。該品牌液壓油在不同油溫下對系統(tǒng)性能的影響如圖7所示。油溫為-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃時，偏航系統(tǒng)從全制動切換到半釋放，偏航壓力從18 MPa降到4 MPa，卸壓時間分別為4.85 s、4.15 s、2.75 s、2.5 s、2.5 s；偏航系統(tǒng)從半釋放切換到全制動，偏航壓力從4MPa升到16 MPa，建壓時間分別為2.56 s、2.37 s、1.74 s、1.65 s、1.64 s。油溫在30～50 ℃時，黏度變化較慢，系統(tǒng)卸壓和建壓時間變化不明顯。隨著油溫的降低，尤其是油溫低于10 ℃時，其黏度增長速率較快，系統(tǒng)卸壓和建壓時間增加較快，系統(tǒng)響應(yīng)時間明顯增加。

4 結(jié)論

為研究蓄能器公稱容積及預(yù)充壓力、液壓軟管長度及通徑、油液黏度等因素對風(fēng)力發(fā)電機組偏航液壓制動系統(tǒng)性能的影響，通過仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，采用控制變量法分別對單一因素進行仿真分析與對比研究，得出以下結(jié)論。①增大蓄能器容積能縮短偏航系統(tǒng)建壓時間，減少液壓電機的啟動頻率，有效提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性；提升蓄能器預(yù)充壓力，對縮短偏航系統(tǒng)卸壓和建壓時間的效果不明顯，但會減少液壓電機的啟動頻率；當(dāng)蓄能器預(yù)充壓力過高時，可能會出現(xiàn)機組液壓系統(tǒng)掉壓過快的情況。應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，合理設(shè)置蓄能器的預(yù)充壓力。②縮短液壓軟管長度、減小軟管內(nèi)徑能減小因軟管膨脹而造成系統(tǒng)流量和壓力出現(xiàn)損耗，縮短偏航系統(tǒng)卸壓及建壓時間。考慮到軟管內(nèi)徑減小后管道內(nèi)油液的沿程壓力損失增大，同時管道內(nèi)的油液體積變小，當(dāng)電磁閥動作時，系統(tǒng)壓力波動變大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)。應(yīng)綜合考慮選擇合適長度和內(nèi)徑的液壓軟管。③油液溫度越低，黏度越大，系統(tǒng)卸壓及建壓時間也越長。油溫在10 ℃以下時，系統(tǒng)響應(yīng)時間明顯增大，為避免系統(tǒng)在低溫環(huán)境下響應(yīng)遲滯甚至失效，應(yīng)盡量使用傾點低且黏度指數(shù)高的液壓油。

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