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液压系统对风力发电中的影响

2020-06-10 392 上传者：管理员

摘要：分析风力发电系统中,液压系统担负了减轻风力发电塔架的承重重量、控制转速、偏航控制等功能。阐述风力发电系统添加液压系统后结构,变桨距液压系统整体结构及工作原理。

关键词：
制动系统
发电系统
变桨距控制
液压系统
风力发电
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我国广阔的领土范围内风能资源分布范围广泛且能量巨大,对储量巨大的风能进行良好转化,变成可供社会居民及企业使用的电力资源,此举能够大大降低环境污染,也能够实现可持续发展的理念。在一个完整的风力发电系统当中,通常由支撑塔架、风轮、齿轮箱和发电机几大部分所组成,随着科技的不断进步,越来越多的企业投入到风力发电的研发和生产当中,使得风力发电逐步走向正规化、规模化,此带来的直接影响就是风力发电电价的逐步降低,大大促进风力发电的整体发展进程,对实现我国新型能源战略具有重要意义。

1、风力发电中的液压系统

传统的风力发电系统中,风轮在风力的作用之下进行旋转,齿轮箱将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机并得到相应的转速,发电机将旋转的机械能转化为电能,而由于以上所有的设备的安装位置都在塔架之上,因此导致了塔架所承受的重量较大。为了得到稳定的电流和电压,需要发电机的转速始终保持在一个恒定的值,传统风力发电会采用两种方式达到这一目的,第一是通过调整风轮叶片角度来实现在不同风速环境下风电机组的转速恒定,第二是不对发电机的转速进行调整,通过相关的变频方式实现电力的稳定输出,此两种方式在经过实际的应用之后发现存在相应的问题,导致效果不佳,此时研究人员发明出一种通过液压系统操作的技术方案,该方案完美解决了前两者所存在的问题,其具体系统结构如图1所示。图中1所示结构分别为:(1)风轮;(2)机舱外壳;(3)齿轮箱;(4)变量液压泵;(5)液压管路;(6)定量液压马达;(7)发电机;(8)散热器;(9)液压油箱;(10)安装塔架。

图1 风力发电系统添加液压系统的结构

2、工作过程中液压系统

2.1 风电机组的功率控制液压系统

(1) 定浆距风电机组功率控制液压系统结构(图1)在不同环境下的工作流程是不同的,当风电机组所处区域风力较小时,叶轮转速经过齿轮箱增速后低于发电机额定转速时,液压系统会通过控制叶片末端的液压单元来驱动叶片旋转,达到增加叶轮旋转速度目的;当风速过大导致发电机转速超过其额定转速时,液压系统进行泄压,此操作将使得叶片末端发生位置改变,改变成与叶片主体呈直角的状态,使得叶片风阻加大,降低叶轮旋转速度。

此种液压控制方法由于其本身性质,当叶片较长时,作用时间较长,使得控制效果下降,因此其适用范围多为中小型风力发电机,且此种风力发电机的叶片形状与变桨距风力发电机的叶片形状不同,通过此种液压控制方法,风力发电机达到了有效控制捕获功率,简化风电机组系统的效果,因此降低了风力发电机的成本,从而达到降低电价的目的,而由于其系统结构导致液压系统的所处位置较为前端,比较容易受到周边温度的影响,因此散热系统在此种结构当中的重要性相对较强。

(2) 变桨距风电机组液压变桨系统。变桨距风电机组液压系统(图2)中相比定浆距机组增加了电动液压泵,其工作原理为控制油缸中的活塞杆的运动轨迹达到控制桨叶运动轨迹的变桨距运动。在此中液压系统的作用下,当风轮经过齿轮箱转速小于发电机的额定转速时,通过减小节距角度的方式,使得桨叶能够充分的吸收风能,进而提升转速达到发电机额定转速。

图2 变桨距液压系统整体结构及工作原理

在实际应用的过程当中,液压系统也面临着多方面的挑战,首先是环境因素,在广泛的风力发电使用当中,环境可能发生多种变化,当风机位于较为潮湿的沿海地区时;位于昼夜温差较大的西北部地区时,位于温度较低的东北地区时,此几种对风电机组使用寿命及系统运行保障性方面都将提出更多要求,因此液压系统的设计当中多采用闭环回路的方式,并且在液压油的选用时也需要格外严格。

2.2 风电机组偏航控制液压系统

在风电机组偏航控制液压系统当中,偏航系统的组成部分分别是偏航检测和控制、偏航驱动、偏航制动及保护装置。若要达到驱动机舱偏航的效果,需要将偏航动力源产生的动力经过相关设备传送到系统运动的主部件上,在经过主部件与其他从动组的相互作用达到机舱偏航;在偏航过程中通过液压刹车钳提供一定的阻尼,使机舱运行更加平稳;偏航结束时利用偏航刹车钳制动。在实际的操作过程当中,由于液压系统的优良性能,传动装置只要选择为液压系统,且通过液压系统可以达到远程控制无级调速,提升偏航系统工作效率,结构紧凑等效果。

2.3 风电机组高速轴制动系统

某些条件之下风电机组在有风情况下需要停止转动,此时液压系统将继续发挥其作用,其具体工作原理为若风电机组需要进行制动停止,液压缸将启动无杆腔弹簧,并在其作用下启动高速刹车制动钳,达到机组停机的目的。在风力机需要重新启动制动时,回油路将会断开,同时供油泵开始启动工作,此时液压泵将会产生压力,当高速刹车压力大于刹车制动力时,刹车系统将会关闭,高速刹车制动钳释放,重新启动风电机组。

3、液压传送的应用

在风力发电整体系统当中,液压设计原理由于其优良的性能被广泛应用,这其中有前文提到的偏航控制系统和刹车制动功能,除此以外在风机齿轮箱传动系统也应用到了液压原理。由于液压系统自身的稳定性、及时性能够有效提升风力发电整体系统的可靠性和智能化,因此国外知名的风力发电研究公司维斯塔斯公司针对变桨设计当中引用了液压控制原理,此种设计能够达到使得高速轴的制动性更加平稳及可靠,使得液压系统的优良特性达到最大程度的利用,有效提升风力发电系统的智能性。在此基础上,风力发电系统中应当添加相关更为先进的传感设备,达到更好的采集和分析相关风能数据,使得风力发电系统整体运作更为合理科学,提升系统本身对风能的转化率,进而提升其经济价值和战略目的。

4、结语

液压系统由于其自身拥有诸多的优点,通过上文的总结可以分为以下的特点:(1)相比其他系统液压系统具有优良的稳定性,能够保障整体风力发电系统的稳定运营,且其驱动功效较其他驱动系统相比更为优秀。(2)由于液压传动系统的直接性和快速反应能力,使得安装液压制动系统的设备更加具有自动化性能,大大减少了人工的使用和操作。(3)液压系统在长久的发展过程当中各方面数据较为稳定,且已形成了较为规范的生产流程,因此其具有可大量生产应用及生产标准化的能力,未来的制造和使用过程中都将更便利。现行条件下,风力发电系统的研究与优化在不断进行,且许多更为高端的应用技术也得到了良好的发展。现阶段较为主流的研发方向为将电子、液压、机械此三者进行更加科学的结合,达到对风力发电系统进行更高效的全程监控、操作与维护[1,2,3]。通过此种方式可以达到提升风电机组安全性、稳定性及有效性的效果。

参考文献：

[1]董彦武.液压型风电机组低电压穿越能量调控与转矩补偿研究[D].河北:燕山大学,2016.

[2]贾福强,高英杰,杨育林,崔筱.风力发电中液压系统的应用概述[J].液压气动与密封,2010,30(08):11-14.

[3]王晓东,朱少辉.兆瓦级风力发电机组液压系统的设计与应用[J].科技创新与生产力,2012 (10):97-98+102.

王玉兴.风力发电中的液压系统的应用[J].集成电路应用,2020,37(06):80-81.