风力发电机组偏航液压制动系统研究_雷超.pdf

河南科技Henan Science and Technology电气与信息工程总第806期第12期2023年6月风力发电机组偏航液压制动系统研究雷超宋昭魏湛栩（明阳智慧能源集团股份公司，广东中山528400）摘要：【目的目的】研究蓄能器公称容积及预充压力、液压软管长度及通径、油液黏度等因素对风力发电机组偏航液压制动系统性能产生的影响。【方法方法】以实际生产中使用的某型风力发电机组偏航液压制动系统为研究对象，在仿真软件中构建系统模型，采用控制变量法分别对单一影响因素进行仿真分析。【结果结果】对比不同条件下偏航系统的卸压与建压响应时间及液压系统补压频率，得到不同变量对系统产生的影响。【结论结论】研究结果为偏航液压制动系统的设计和选型提供参考。关键词：风力发电机组；偏航；液压制动系统；仿真中图分类号：TH137文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0014-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.003Research on Yaw Hydraulic Braking System of Wind TurbineLEI ChaoSONG ZhaoWEI 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 hydraulicbrake system of wind turbine.Methods Taking the yaw hydraulic braking system of a certain type ofwind turbine used in actual production as the research object,the system model is constructed in thesimulation software,and the single influencing factor is simulated and analyzed by the control variablemethod.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 thehydraulic system under different conditions.Conclusions The research results provide reference for thedesign and selection of yaw hydraulic braking system.Keywords:wind turbine;yaw;hydraulic braking system;simulation0引言风力发电机组是由多个元器件组成的，具有绿色环保、建设周期短、环境要求低、风资源储量丰富、利用率高1等优点，从而被大规模应用。偏航液压制动系统是风力发电机组的重要部件，为机组阻尼偏航及刹车提供制动动力2，是保障机组安全、稳定运行的重要工作装置。风力发电机组在运行过程中，因风速、风向具有较大的随机性，导致偏航系统要根据风向来实时调整机舱位置，才能实现准确对风。因此，其液压制动系统要具备良好的响应能力和稳定性3。目前，已有学者对风力发电机组偏航液压制动系统展开研究。管小兴等4在偏航液压制动系统回路中单独增设一组蓄能器，可有效改善偏航过程中液压油泵电机频繁启停的问题，提高系统的稳定性；肖旺等5在对低温环境中偏航液压制动系统响应能力研究的基础上，提出一种将多组偏航制动器收稿日期：2022-12-07作者简介：雷超（1991），男，硕士，工程师，研究方向：液压润滑冷却系统。第12期15“串联+并联”的管路连接方案，来减小液压系统阻力，通过仿真分析验证了该方案的可行性。本研究以某型风力发电机组偏航液压制动系统为研究对象，通过仿真软件来构建液压系统模型，采用控制变量法来分析蓄能器公称容积及预充压力、液压软管长度及通径、油液黏度等因素对偏航液压制动系统性能产生的影响，为风力发电机组偏航液压制动系统的设计和选型提供参考。1系统原理1.1系统组成为便于研究，对实际生产中使用的某型风力发电机组偏航液压制动系统进行简化处理，将不影响研究结果的空气过滤器、液位传感器、温度传感器等部件省略，系统原理如图1所示，采用8组并联的偏航制动器进行偏航制动。由图1可知，齿轮泵在电动机的带动下，液压油从油箱中被抽出，经单向阀、过滤器后进入系统。溢流阀起到安全保护的作用，用于调定液压系统的最大压力值。压力传感器用于检测液压系统压力，蓄能器作为辅助动力源，起到压力缓冲的作用。当液压系统压力低时，蓄能器为系统补压；当系统压力高时，蓄能器充压，截止阀起到泄压的作用；当系统要维护时，打开截止阀，卸掉系统压力。液压系统中的液压油经单向阀、节流阀、电磁换向阀后，会进入到偏航制动器中，为制动器提供制动压力。其中，压力传感器用于检测偏航回路的压力，节流阀用于调节偏航回路的流量。当系统进行偏航全释放时，偏航回路中的液压油经过滤器、电磁阀流回油箱；当系统进行偏航半释放时，偏航回路中的液压油经过滤器、电磁阀、溢流阀流回油箱。其中，溢流阀用于设定偏航半释放压力值。1.2工作原理液压系统的系统压力设定为1618 MPa，动力源为一台三相异步电动机。当压力传感器检测到系统的压力低于16 MPa时，主控控制电动机启动，为液压系统补压；当压力传感器检测到系统的压力高于18 MPa时，控制电动机停止运转。根据机组的运行状况，风力发电机组偏航液压制动系统可实现全压制动、阻尼偏航及偏航解缆这三种动作。1.2.1全压制动。当机组正常发电及停机维护时，机舱的位置保持不变，二位二通常开电磁阀换向阀、二位二通常闭电磁阀换向阀均失电，压力油经电磁阀进到偏航回路中，二位二通常闭电磁阀1.油箱；2.齿轮泵；3.电动机；4.溢流阀；5.单向阀；6.过滤器；7.压力表；8.蓄能器；9.压力传感器；10.节流阀；11.二位二通常开电磁阀换向阀；12.二位二通常闭电磁阀换向阀；13.截止阀；14.偏航制动器。图1偏航液压制动系统原理雷超，等.风力发电机组偏航液压制动系统研究123445678659131011149121216第12期换向阀处于截止状态，液压系统为偏航制动器提供制动压力。1.2.2阻尼偏航。当机组要偏航对风时，偏航制动器要提供一定的阻力，用于确保机舱偏航过程中平稳顺畅。此时，二位二通常开电磁阀换向阀、左侧二位二通常闭电磁阀换向阀得电，右侧二位二通常闭电磁阀换向阀失电，二位二通常开电磁阀换向阀、右侧二位二通常闭电磁阀换向阀得电处于截止状态，左侧二位二通常闭电磁阀换向阀得电处于导通状态，系统中的液压油不进入偏航回路中，偏航回路中的液压油经溢流阀建立适当的背压，实现机组阻力偏航。1.2.3偏航解缆。机组多次向同一方向偏航时，电缆会出现缠绕现象，要快速反方向转动解缆。此时，二位二通常开电磁阀换向阀、右侧二位二通常闭电磁阀换向阀得电，左侧二位二通常闭电磁阀换向阀失电，二位二通常开电磁阀换向阀、左侧二位二通常闭电磁阀换向阀处于截止状态，右侧二位二通常闭电磁阀换向阀处于导通状态，系统中的液压油不进入偏航回路，偏航回路的液压油通过右侧二位二通常闭电磁阀换向阀卸压。2系统建模按照偏航液压制动系统原理，使用某仿真软件来构建系统模型，如图2所示。由于软件液压库中没有二位二通常开电磁换向阀，利用软件中的HCD库元件进行建模。在实际建模过程中，将上下两半偏航制动器等效为一个，使用弹簧系统来模拟摩擦片的压缩，用HCD库元件进行建模。通过一个液阻来模拟齿轮泵的容积损失，电磁阀的得电和失电动作是由信号与控制库中的信号元件来控制的。左侧压力传感器输出的压力信号在经函数运算后输出信号，可控制电动机的运转，用来模拟控制实际工作过程中电动机的启停。模型中部分液压元件的仿真参数见表1。图2偏航液压制动系统仿真模型模型齿轮泵（PU001）电动机（PMW00）溢流阀（RV012）溢流阀（RV012）蓄能器（HA001）节流阀（HYDVORFO）软管（HL0001）参数排量/（mLr-1）转速/（rmin-1）开启压力/MPa开启压力/MPa容积/L预充压力/MPa最大开度特征流量/（Lmin-1）对应压降/MPa内径/mm壁厚/mm杨氏模量/MPa值2.81 4502142.812150.79.54.7600表1偏航液压制动系统部分液压元件仿真参数雷超，等.风力发电机组偏航液压制动系统研究f（x）kw2w2+2ws+s2kw2w2+2ws+s2kw2w2+2ws+s2kw2w2+2ws+s2xxxkkkbdchkbbxchchchchchchchchMMMMMMMMM第12期173仿真分析为研究蓄能器的公称容积及预充压力、软管长度及通径、油液黏度等因素对偏航液压制动系统性能的影响，在偏航液压制动系统模型基础上，采用控制变量法进行仿真分析，通过仿真软件的批处理功能，研究单一因素对系统性能的影响。3.1蓄能器对系统性能的影响在液压系统中，蓄能器起到储存能量、补偿泄漏及降低系统流量和压力脉动的作用6。其中，公称容积和预充压力为蓄能器的两个主要技术参数。对不同公称容积、不同预充压力的蓄能器下的偏航系统压力进行仿真分析。不同公称容积蓄能器下偏航系统压力随时间变化如图3所示。蓄能器的公称容积分别为1 L、2.8 L、6 L 时，偏航液压制动系统从全制动切换为半释放，偏航压力从18 MPa降到4 MPa，系统卸压时间相同，均为2.5 s；偏航液压制动系统从半释放切换到全制动时，偏航压力从4 MPa升到16 MPa，建压时间分别为2.27 s、1.75 s、1.69 s。由此可知，蓄能器容积越大，系统建压时间越短，相比于公称容积为1 L的蓄能器，蓄能器公称容积为2.8 L、6 L的系统建压时间分别缩短了22.9%、25.6%。偏航结束后，偏航压力恢复到系统压力，分别稳定在16.11 MPa、17.23 MPa、17.61 MPa，即蓄能器容积越大，偏航结束稳定后的压力越大。系统压力低于16 MPa时电动机会启动，为液压系统补压，蓄能器公称容积过小的机组在偏航时会导致液压电机频繁启动，系统的稳定性差。不同预充压力蓄能器下的偏航系统压力随时间变化，如图4所示。蓄能器预充压力分别为8.5MPa、12 MPa、15.5 MPa时，偏航系统从全制动切换到半释放，偏航压力从18 MPa降到4 MPa，系统卸压时间相同，均为2.5 s。偏航系统从半释放切换到全制动，偏航压力从4 MPa升到16 MPa，系统建压时间分别为1.78 s、1.75 s、1.73 s。由此可知，提升蓄能器预充压力不能有效缩短偏航系统建压时间，但进行多次偏航动作后，蓄能器预充压力越低，液压电机启动补压就会越频繁。蓄能器预充压力为8.5 MPa时，在第3次偏航动作后会启动电机为系统补压。此外，若预充压力设置过高，当系统压力低于16MPa时，因系统存在时滞性，导致液压电机还未启动，系统会继续掉压，若压力低于蓄能器预充压力，系统的压力会陡然下降，触发机组故障报警。因此，蓄能器的预充压力过高也会降低液压系统的稳定性和安全性。3.2软管对系统性能的影响液压系统与偏航制动器是通过软管总成连接在一起的，分析不同软管长度、不同软管内径对系统性能的影响。不同软管总长下的偏航系统压力随时间变化，如图5所示。当偏航系统软管总长分别为8 m、10 m、12 m 时，系统从全制动切换到半释放，偏航压力从 18 MPa降到 4 MPa，系统卸压时间分别为2.5 s、3.0 s、3.57 s；系统从半释放切换到全制动时，偏航压力从 4 MPa 升到 16 MPa，系统建压时间分别为1.75 s、2.12 s、2.51 s。相比于8 m长的软管，软管长为 10 m、12 m 的系统卸压时间分别缩短了 20%、42.8%，建压时间分别缩短了 21.1%、43.4%。软管的体积膨胀特性会造成系统流量和压力的损耗，缩短软管长度后，能明显提升系统的响应能力。图3不同公称容积蓄能器下偏航系统压力图4不同预充压力蓄能器下偏航系统压力图5不同软管总长下偏航系统压力雷超，等.风力发电机组偏航液压制动系统研究偏航系统压力/MPa时间/s蓄能器公称容积1 L蓄能器公称容积2.8 L蓄能器公称容积6 L2015105029303132333435363738偏航系统压力/MPa时间/s蓄能器预充压力8.5 MPa201510530354045505560蓄能器预充压力12 MPa蓄能器预充压力15.5 MPa偏航系统压力/MPa时间/s软管总长8 m201510502930313233343536373839软管总长10 m软管总长12 m18第12期不同软管内径下偏航系统的压力随时间变化，如图6所示。当偏航系统的软管内径分别为7.9 mm、9.5 mm、12.7 mm时，偏航系统从全制动切换到半释放，偏航压力从18 MPa降到4 MPa，卸压时间分别为1.83 s、2.52 s、4.51 s；偏航系统从半释放切换到全制动，偏航压力从 4MPa升到 16 MPa，建压时间分别为1.28 s、1.75 s、3.3 s。偏航结束后，恢复全压后的系统压力值分别为17.41 MPa、17.22 MPa、16.68 MPa。由此可知，软管内径越小，系统响应越快，恢复全压后的压力值越高；软管内径越小，管道内油液的沿程压力损失就越大，管道内油液的体积变小。当电磁阀动作时，系统的压力波动会变大，造成系统不稳。3.3油液对系统性能的影响液压油的黏度会随油温变化而变化。油温越低，液压油的黏度越大，黏度增长速度也越快。某品牌液压油的ISO黏度等级为32，在-30、-10、10、30、50 油温下，运动黏度分别为569.2 cSt、276.5 cSt、73.7 cSt、38.2 cSt、22.4 cSt。该品牌液压油在不同油温下对系统性能的影响如图 7 所示。油温为-30、-10、10、30、50 时，偏航系统从全制动切换到半释放，偏航压力从18 MPa降到4 MPa，卸压时间分别为4.85 s、4.15 s、2.75 s、2.5 s、2.5 s；偏航系统从半释放切换到全制动，偏航压力从4MPa升到16 MPa，建压时间分别为2.56 s、2.37 s、1.74 s、1.65 s、1.64 s。油温在3050 时，黏度变化较慢，系统卸压和建压时间变化不明显。随着油温的降低，尤其是油温低于10 时，其黏度增长速率较快，系统卸压和建压时间增加较快，系统响应时间明显增加。4结论为研究蓄能器公称容积及预充压力、液压软管长度及通径、油液黏度等因素对风力发电机组偏航液压制动系统性能的影响，通过仿真软件构建系统模型，采用控制变量法分别对单一因素进行仿真分析与对比研究，得出以下结论。增大蓄能器容积能缩短偏航系统建压时间，减少液压电机的启动频率，有效提升系统的响应能力和稳定性；提升蓄能器预充压力，对缩短偏航系统卸压和建压时间的效果不明显，但会减少液压电机的启动频率；当蓄能器预充压力过高时，可能会出现机组液压系统掉压过快的情况。应综合考虑系统的稳定性及安全性，合理设置蓄能器的预充压力。缩短液压软管长度、减小软管内径能减小因软管膨胀而造成系统流量和压力出现损耗，缩短偏航系统卸压及建压时间。考虑到软管内径减小后管道内油液的沿程压力损失增大，同时管道内的油液体积变小，当电磁阀动作时，系统压力波动变大，造成系统不稳。应综合考虑选择合适长度和内径的液压软管。油液温度越低，黏度越大，系统卸压及建压时间也越长。油温在10 以下时，系统响应时间明显增大，为避免系统在低温环境下响应迟滞甚至失效，应尽量使用倾点低且黏度指数高的液压油。参考文献：1 覃盛琼，程朗，何占启，等.风力发电系统研究与应用前景综述 J.机械设计，2021（8）：1-8.2 马保记，欧肖.关于风力发电机组液压系统蓄能器的设计研究 J.现代制造技术与装备，2021（9）：4-5，9.3 肖旺，赵登利.大型风力发电机组偏航液压制动系统设计与研究 J.液压与气动，2020（9）：174-180.4 管小兴，丹晨，高宏伟，等.MW级风力发电机组液压制动系统研究 J.液压气动与密封，2018（11）：54-58.5 肖旺，赵登利，董营，等.低温对风力发电机组偏航液压制动系统的影响及优化 J.液压与气动，2022（6）：44-51.6 左旸，王爱红，鲍东杰，等.液压飞轮蓄能器能量回收仿真研究 J.机床与液压，2021（23）：117-120.图6不同软管内径下偏航系统压力图7不同油温下偏航系统压力雷超，等.风力发电机组偏航液压制动系统研究偏航系统压力/MPa时间/s软管内径7.9 mm20151050303234363840软管内径9.5 mm软管内径12.7 mm偏航系统压力/MPa时间/s油液温度-30 2015105030323436384042油液温度-10 油液温度10 油液温度30 油液温度50