一、液壓技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的重要性
自19世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)以來，歐美各國加快了對風(fēng)電發(fā)電的研究，風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力機(jī)組向大型化方向發(fā)展。目前，在歐美等國生產(chǎn)的中大型風(fēng)機(jī)中，安全與功率控制單元幾乎都是液壓系統(tǒng)控制的。
風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而變化，假如沒有可靠的安全制動(dòng)裝置，隨著風(fēng)速的增大，將會使風(fēng)輪的超速造成風(fēng)機(jī)的損壞。安全液壓制動(dòng)系統(tǒng)在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常發(fā)電、防止事故發(fā)生、對風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)控制起到
不可或缺的作用。
理論上，風(fēng)速是無限的，發(fā)電機(jī)的輸出功率也是無限的，但是還是要受到電機(jī)和變速箱轉(zhuǎn)速限制以及電機(jī)和其他電氣元件的功率限制，風(fēng)機(jī)輸出電能不能超過發(fā)電機(jī)額定輸出功率。而風(fēng)機(jī)功率控制系統(tǒng)將有助于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命，減小風(fēng)力對槳葉的沖擊。現(xiàn)在常見的大中型水平軸風(fēng)力發(fā)電的功率控制采用定槳距控制或變槳距控制，而這兩種控制方式大多采用液壓系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航迎風(fēng)結(jié)構(gòu)，也會因液壓傳動(dòng)扭矩大、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制的特點(diǎn)，取代機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓控制偏航迎風(fēng)系統(tǒng)。
二、風(fēng)機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)
對于不同型號的風(fēng)機(jī)，制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械卡緊結(jié)構(gòu)不盡相同。如NTK300采用安裝在齒輪箱
體高速軸兩側(cè)的制動(dòng)鉗制動(dòng)，丹麥麥康公司采用的兩剎車片抱緊剎車圓盤制動(dòng)等等。但是無論制動(dòng)卡緊機(jī)構(gòu)采取何種形式，起原理相同，制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力也都來自液壓力。
圖1為風(fēng)機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要求剎車釋放，此時(shí)電磁鐵換向閥通電，回油路斷開。液壓泵供油時(shí)，油液通過單向閥進(jìn)入油缸，蓄能器充油，當(dāng)供油壓力大于剎車制動(dòng)力，推動(dòng)液壓缸活塞向左運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)鉗或剎車片松開，剎車釋放。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，油液泵停止工作，系統(tǒng)壓力由蓄能器提供，維持剎車釋放狀態(tài)，知道由于泄露造成壓力下降，壓力繼電器發(fā)訊號，液壓泵工作，向系統(tǒng)提供油液。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)，要求剎車抱緊，電磁換向閥斷電，液壓缸的油液回油箱，系統(tǒng)壓力卸荷，在剎車彈簧力的作用下，制動(dòng)鉗或剎車片抱緊，風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng).
二、風(fēng)機(jī)偏航迎風(fēng)液壓系統(tǒng)
風(fēng)機(jī)帶有自主偏航系統(tǒng)，在風(fēng)力不大的情況下可以主動(dòng)將迎風(fēng)面對準(zhǔn)風(fēng)向，以得到******的迎風(fēng)面積，提高風(fēng)機(jī)的工作效率。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)機(jī)艙必須轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置。因此，必須將偏航驅(qū)動(dòng)裝置的制動(dòng)器產(chǎn)生的夾緊壓力減小到打滑壓力，整個(gè)機(jī)艙才能在偏航驅(qū)
動(dòng)裝置的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。只要機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)到新的位置，夾緊壓力就會恢復(fù)到原來的值，并使偏航驅(qū)動(dòng)裝置卸載。
圖2為黎航液壓的迎風(fēng)偏航液壓系統(tǒng)原理圖，其工作原理如下所述。當(dāng)風(fēng)機(jī)要偏航時(shí)，要求剎車釋放，此時(shí)電磁截止閥、電磁卸荷閥同時(shí)得電，制動(dòng)器壓力釋放，剎車松開。電磁截止閥、電磁卸荷閥斷電關(guān)閉左側(cè)油路，電磁換向閥切換，控制偏航馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行偏航任務(wù)。當(dāng)風(fēng)機(jī)對風(fēng)時(shí)，電磁換向閥關(guān)閉，偏航馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁截止閥得電打開，制動(dòng)器液壓力上升到設(shè)定的夾緊壓力，偏航剎車動(dòng)作，偏航任務(wù)完成。
三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制液壓系統(tǒng)
隨著風(fēng)力技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制系統(tǒng)也在不斷改進(jìn)。主要方式有定槳距控制和變槳距控制。
1. 
定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制液壓系統(tǒng)
在定槳距控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)輪吸收功率隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，必須通過葉片失速效應(yīng)來降低風(fēng)能利用率Cp，從而維持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定。較為常見的失速控制采用葉尖擾流器控制。其方法是在葉輪輪轂處裝一微型液壓動(dòng)力單元，在每個(gè)槳葉端部各安裝一只液壓缸，葉尖擾流器同液壓單元相連，通過連接在液壓缸的活塞桿和葉尖軸之間的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)葉尖運(yùn)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)輸出功率小于額定功率時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)葉尖收回
，使葉尖與葉片主體靠攏成一條直線。當(dāng)風(fēng)速超速，發(fā)電機(jī)輸出功率超過******功率限度時(shí)，液壓系統(tǒng)泄壓，葉尖在離心力和彈簧力的作用下彈出，在葉尖軸上的螺旋導(dǎo)槽的作用下，與葉片主體成90度角，起到空氣阻尼的作用，使葉輪轉(zhuǎn)速降低。
圖3為葉尖擾流器的液壓系統(tǒng)原理圖，其工作原理如下所述。啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，電磁換向閥通電，斷開液壓缸的的回油路，液壓泵輸出壓力油，收緊葉尖。液壓繼續(xù)上升，到過壓繼電器控制動(dòng)作的壓力時(shí)，過壓繼電器發(fā)出信號，經(jīng)控制器延時(shí)后，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在延時(shí)過程中，壓力繼續(xù)上升，達(dá)到溢流閥設(shè)定的壓力值時(shí)溢流閥動(dòng)作，系統(tǒng)壓力不再升高。由于液壓系統(tǒng)不可避免的泄露，使壓力缸壓力下降，當(dāng)?shù)陀诘蛪豪^電器設(shè)定壓力時(shí)，低壓繼電器發(fā)出型號，液壓泵重新啟動(dòng)，補(bǔ)充油壓。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率超過最高功率限制時(shí)，電磁換向閥斷電，液壓缸的油液回油箱，系統(tǒng)泄壓，葉尖在離心力的和彈簧力作用下打開，葉輪轉(zhuǎn)速降低。
2.變槳距風(fēng)力機(jī)功率液壓控制系統(tǒng)
變槳距風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力機(jī)發(fā)展的趨勢。據(jù)有關(guān)資料的記載和研究 ，反映風(fēng)力機(jī)獲取的風(fēng)能和實(shí)際風(fēng)力的能量之間比值的風(fēng)能利用系數(shù)c 可近似用以下公式表示：
Cp=(0．44-0．0167β)sin【 QUOTE 
】-0.00184(λ一3) QUOTE
其中口為節(jié)距角，A為尖速比即槳葉尖部的線度與風(fēng)速的比：λ= QUOTE 
由公式（1）得變槳距風(fēng)力特性曲線(Cp-TSR) 如圖3所示。從圖中可知槳葉節(jié)距角β增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp明顯減小，風(fēng)力機(jī)獲取的能量也相應(yīng)的減小。因此當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，通過增大節(jié)距角，使發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率上，減少風(fēng)速劇變對風(fēng)力機(jī)的沖擊；而當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，減小節(jié)距角，使槳葉處于******捕獲風(fēng)能的位置(一般為3 QUOTE 左右)，發(fā)電機(jī)輸出******的功率。
風(fēng)力機(jī)的槳距控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以由伺服電機(jī)或液壓系統(tǒng)構(gòu)成。但電機(jī)本身慣量就比較大，隨著風(fēng)力機(jī)組單機(jī)容量的增大，慣量將變的更大，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性將會很差。而且電機(jī)本身如果連續(xù)頻繁地調(diào)節(jié)槳葉，將產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷使電機(jī)損壞，所以電機(jī)控制時(shí)變槳距速率相對于液壓控制是有很大的限制的。國外研制的大型特別是2MW 以上的變槳距風(fēng)力機(jī)基本上大都采用液壓系統(tǒng)。
風(fēng)力機(jī)組液壓變槳距機(jī)構(gòu)原理圖如圖4所示。槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，節(jié)距角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動(dòng)到******位置時(shí)
，節(jié)距角為88 QUOTE ，而活塞桿向右移動(dòng)******位置時(shí)，節(jié)距角一般為一5 QUOTE。液壓缸的位移由電液比例換向閥控制。電液比例技術(shù)具有制精度高、抗油污能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)程控制、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，是目前液壓控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。電液比例閥的控制電壓與液壓缸的位移變化量(流量)成正比，為進(jìn)行液壓缸位置閉環(huán)控制引入了PID調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障需緊急制動(dòng)時(shí)，立即斷開電源，液壓泵緊急關(guān)閉，順槳的油液由蓄能器單獨(dú)提供。如果蓄能器內(nèi)的液壓油不夠液壓缸走完全程，即槳葉未達(dá)到順槳位置時(shí)，由風(fēng)力將槳葉自動(dòng)調(diào)到順槳狀態(tài)。液壓缸內(nèi)所需的油液由液壓缸前端的油通過兩位三通換向閥c、和單向閥進(jìn)入油缸后端，并且部分油液在大氣壓的作用下通過單向閥從油箱進(jìn)入油缸后端，使槳葉達(dá)到順槳位置。
