(中广核新能源内蒙古分公司 内蒙古自治区呼和浩特市 010020)
摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，文章针对风力发电机组主机厂对液压制动系统缺乏有效试验手段的问题，介绍了一种自主开发的风力发电机组液压制动系统测试平台。测试平台采用模块化设计，主要由液压动力单元、通用及定制化阀组、高速轴及偏航制动器执行机构等部分组成，同时平台集成了NI采集和控制软硬件系统，实现对试验数据的高速采集、分析与处理。通过模拟风力发电机组高速轴制动和偏航制动过程，测试平台测得的压力、流量和位移数据与机组实际运行工况相符，满足设计要求，验证了其有效性。测试平台可以为风力发电机组液压制动系统的改进和优化提供可靠的试验保证。
关键词：风力发电机组；液压制动系统；测试平台；模块化设计
引言
风能是目前最具规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源之一。现在风能的主要利用形式是风力发电机，且大型兆瓦级风力发电机是风电场的主要机型。由于大型兆瓦级风力发电机功率一般较大，当叶片转速较高时，易引起飞车、火灾等事故发生。故液压制动系统在风力发电机组中显得尤为重要。液压制动系统具有运动平稳、功率密度大、易实现无级调速、易更换元器件及过载保护可靠性高等优点，在风向发生变化时，偏航系统会通过液压传动来控制叶片对风，可提高风力发电机组的工作效率。液压制动系统包括主轴制动和偏航制动部分。主轴制动利用制动器控制风轮的转动，使风轮停止；偏航制动则包含带阻尼制动和全压制动。其中，带阻尼制动可实现在风向改变时使机舱对风偏航来提高风力发电机组的风能利用率，以及风力过高时使机舱平稳转动；全压制动的目的则是在偏航转动结束后将机舱固定。
1液压系统的运行原理
(一)高速轴制动回路正常运行风机系统的时候,电磁阀失电,制动器中不存在内压,高速轴刹车制动系统始终处于松闸的情况,正常转动的风轮是发电状态。风机停机的过程中,风轮首先进行变桨,然后利用空气动力进行制动。若存在规定转数以下的风轮转速的时候电磁阀开始得电,阀芯切换为开启的位置,高速轴刹车开始进行制动。系统正常工作的时候,利用柔性加载方式连接制动力矩,此时流阀对流量进行控制,避免系统制动器出现抱死的现象,导致形成不必要的刹车冲击。电磁阀应该配备一定的手动控制旋钮,在实际操作的时候应该手动锁死轮毅电磁阀,也就是说意外停止电磁阀也可以处于刹车的状态,系统运行中把压力继电器安装在高速轴刹车回路中,具备一定的反馈作用。(二)偏航制动回路偏航油路运行中存在偏航结束全压制动力和偏航阻尼两个工作压力。机舱中存在比较大的惯性,偏航操作中需要保障系统安全性和稳定性,偏航制动器此时可以做阻尼器。偏航过程中,电磁阀开始得电,溢流阀保持回路压力,以便于能够为系统提供充足的阻尼。完成偏航的时候,电磁阀开始失电,制动器进行全压制动,以便于能够准确对准风轮。解缆过程中,电磁阀得电,全部释放偏航制动力。最开始检查液压管道或者安装液压管路的时候,电磁阀得电,启泵以后偏航油路可以排气和自清洁。
2测试平台功能及参数
2.1测试平台主要功能
国内风力发电机组设计时大部分采用液压制动系统来控制风力发电机组制动和偏航，液压制动系统的性能直接关系到风力发电机组的可靠运行。目前，各大主机厂对风力发电机组的液压制动系统测试完全依靠液压系统厂家及其二级元件供应商的工厂测试，这些测试没有将风力发电机组液压制动系统作为整体来进行测试，而是部分测试液压系统和元件的性能。测试平台结合风力发电机组液压制动系统自身特点，通过软、硬件共同作用实现对液压制动系统基础性能测试、中高压测试、系统改进测试、关键件特性测试等试验。具体功能如下：①对现有风力发电机组高速轴制动系统和偏航制动系统进行压力、流量及位移等基础性能测试，便于对系统整体性能进行测试验证；②系统配置中高压两套供压装置，能够为偏航制动系统压力提高及系统性能改进提供依据；③系统可以自行模块组合对关键元件进行测试，包括元件的性能测试、疲劳衰减测试等，为风力发电机组液压制动系统关键元件改进及新元件引进提供试验保障。
2.2测试平台主要技术参数
测试平台主要技术参数如下：①系统压力：中压系统压力为16MPa，高压系统压力为19MPa；偏航半刹车压力机械式溢流阀工作压力为0~4.5MPa，电比例溢流阀工作压力为0~5.5MPa；高速轴刹车压力机械式减压阀工作压力为0~6MPa，电比例减压阀工作压力为0~21MPa；②系统流量：系统小流量为1.6L/min，大流量为4.3L/min；③系统提供的小流量液压泵功率为0.75kW，大流量液压泵功率为2.2kW，蓄能器容积为2.8L，小油箱容积为12L，大油箱容积为30L。
3性能试验
为了验证测试平台试验性能，将液压泵站、通用化阀组及高速轴和偏航制动器进行连接，模拟风力发电机组实际运行过程中系统制动过程并进行数据测试，其中压力、流量和高速轴制动器位移与时间的变化曲线如图1~3所示。为了验证测试平台试验数据的有效性，对风力发电机组液压制动系统实际运行过程中的数据进行采集和滤波处理，其压力、流量和高速轴制动器位移与时间的变化曲线如图4~6所示。
通过对比图1和图4可以看出，在高速轴制动器和偏航制动器制动过程中，高速轴制动器回路压力均为5～6MPa，均满足风力发电机组设计值（5～6.5MPa）要求，且两者曲线趋势一致，数值相差较小。同时，两者测量的偏航制动器回路与液压泵出口压力差值均较小，跟随性较好，测试平台测得偏航制动器压力为0～16.5MPa，机组实际运行压力为0～16.8MPa，两者的最大压力值存在微小差异，压力曲线趋势一致。图2和图5分别为测试平台测量和风电机组实际运行过程中液压系统的流量值，风电机组系统设计的流量为1.6L/min，由于增加了蓄能器，系统输出流量在1.6L/min以内。通过对比图5和图8可以看出，两者系统运行流量均在设计要求范围内，测试平台测得流量与制动系统实际运行流量相符。图3和图6显示的曲线为高速轴制动器上下制动体在制动过程中的位移动作过程。由图6可知，测试平台中测得的制动器上下制动体几乎同时动作，位移差值在0.5mm以内，满足机组上下制动体位移差值不超过1mm的设计要求。通过与图9中机组实际运行时高速轴制动器上下制动体位移曲线相比，测试平台测得的高速轴制动器的动作响应和位移趋势与机组实际运行较为一致。测试平台测得的压力、流量及位移数据与风力发电机组制动系统实际运行工况相符，满足机组制动系统设计要求。由此可见，测试平台可以对风力发电机组液压制动系统性能进行有效地测试。
结语
本文针对风力发电机组主机厂对液压制动系统的入厂检测、系统优化和新系统研发缺乏有效的试验手段问题，提出了一种自主开发的风力发电机组液压制动系统试验测试平台。①测试平台采用模块化设计，将系统分成动力单元、控制阀组、执行机构和测控系统等模块，模块间的相互组合使测试平台具有将风力发电机组液压制动系统作为整体进行性能测试的能力，可以对目前行业内各种机型的风力发电机组液压制动系统进行性能测试。②测试平台配置高精度NI采集控制板卡及各类传感器，实现系统运行与主控PLC的信息交互，同时测试平台基于NI软件编写了液压制动系统的测试控制程序，能够对试验数据进行实时采集、显示、监控和存储，使测试平台功能完善、响应迅速、可靠运行。③测试平台在模拟风力发电机组高速轴制动和偏航制动过程中，采集的压力、流量和位移数据与机组实际运行工况测试数据相符，满足系统设计要求，可以对风力发电机组液压制动系统各种实际工况进行模拟测试。
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论文作者:靳颖飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
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