2.6 液压系统
风力发电机组的液压系统属于风力发电机组的一种动力系统，液压系统是以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。液压系统具有传动平稳、功率密度大、容易实现五级变速、易于更换元件和过载保护可靠等特点，为风力发电机上一切使用液压作为驱动力的装置提供动力。风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是驱动风力发电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也制控机械刹车机构。
2.6.1 定桨距风力发电机组液压系统
定桨距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关机指令。通常它由两个压力保持回路组成：一路通过蓄能器供给叶尖扰流器；另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。这两个回路的工作任务是使机组运行时制动机构始终保持压力。当需要停机时，两回路中的常开电磁阀先后失电，叶尖扰流器一路压力油被泄回油箱，气动刹车动作；稍后，机械刹车一路压力油进入刹车液压缸，驱动刹车夹钳，使风轮停止转动。在两个回路中各装有两个压力传感器，以指示系统压力，控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态。
图2-22所示为FD43-600kW风力发电机组的液压系统。由于偏航机构也引入了液压回路，它由3个压力保持回路组成。图左侧是气动刹车压力保持回路，压力油经液压泵2、精滤油器4进入系统。溢流阀6用来限制系统最高压力。开机时电磁阀12-1接通，压力油经单向阀7-2进入蓄能器8-2，并通过单向阀7-3和旋转接头进入气动刹车液压缸。压力开关9-2由蓄能器的压力控制，当蓄能器压力达到设定值时，开关动作，电磁阀12-1关闭。运行时，回路压力主要由蓄能器保持，通过液压缸上的钢索拉住叶尖扰流器，使之与桨叶主体紧密结合。
图2-22 FD43-600kW风力发电机组的液压系统
1—油箱；2—液压泵；3—电动机；4—精滤油器；5—油位指示器；6—溢流阀；7—单向阀；8—蓄能器；9—压力开关；10—节流阀；11—压力表；12—电磁阀（1）;13—电磁阀（2）;14—刹车夹钳；15—突开阀；16—电磁阀
电磁阀12-2为停机阀，用来释放气动刹车液压缸的液压油，使叶尖扰流器在离心力作用下滑出；突开阀15用于超速保护，当风轮飞车时，扰流器作用在钢索上的离心力增大，通过活塞的作用，使回路内压力升高；当压力达到一定值时，突开阀开启，压力油泄回油箱。突开阀不受控制系统的指令控制，是独立的安全保护装置。
图2-22中间是两个独立的高速轴制动器回路，通过电磁阀13-1、13-2分别控制制动器中压力油的进出，从而控制制动器动作。工作压力由蓄能器8-1保持。压力开关9-1根据蓄能器的压力控制液压泵电动机的停/启。压力开关9-3、9-4用来指示制动器的工作状态。
图2-22右侧为偏航系统回路，偏航系统有两个工作压力，分别提供偏航时的阻尼和偏航结束时的制动力。工作压力仍由蓄能器8-1保持。由于机舱有很大的惯性，调向过程必须确保系统的稳定性，此时偏航制动器用作阻尼器。工作时，4YA得电，电磁阀16左侧接通，回路压力由溢流阀保持，以提供调向系统足够的阻尼，调向结束时，4YA失电，电磁阀右侧接通，制动压力由蓄能器直接提供。
由于系统的内泄漏、油温的变化及电磁阀的动作，液压系统的工作压力实际上始终处于变化的状态之中。其气动刹车与机械刹车回路的工作压力如图2-23所示。
图2-23 气动刹车与机械刹车压力图
①—开机时液压泵启动；②—内泄漏引起的压力降；③—液压泵重新启动；④—温升引起的压力升高；⑤—电磁阀动作引起的压力降；⑥—停机时电磁阀打开
图2-23中虚线之间为设定的工作范围。当压力由于温升或压力开关失灵超出该范围一定值时，会导致突开阀误动作，因此必须对系统压力进行限制，系统最高压力由溢流阀调节。而当压力同样由于压力开关失灵或液压泵站故障低于工作压力下限时，系统设置了低压警告线，以免在紧急状态下，机械刹车中的压力不足以制动风力机。
2.6.2 变桨距风力发电机组的液压系统
变桨距风力发电机组的液压系统中采用了比例控制技术。
2.6.2.1 比例控制技术
比例控制技术是在开关控制技术和伺服控制技术间的过渡技术，它具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中，受到人们的普遍重视，进而使该技术得到飞速发展。比例阀是在普通液压阀的基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构及普通电磁铁构成。采用比例放大器控制比例电磁铁就可实现对比例阀进行远距离连续控制，从而实现对液压系统压力、流量、方向的无级调节。
比例控制技术基本工作原理是：根据输入电信号电压值的大小，通过放大器，将该输入电压信号（一般在-9～+9V之间）转换成相应的电流信号，如1mV电压对应1mA电流。这个电流信号作为输入量被送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移，该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力。通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行元件和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级调节。此外，还能对相应的时间过程，如在一段时间内流量的变化、加速度的变化或减速度的变化等进行连续调节。
当需要更高的阀性能时，可在阀或电磁铁上接装一个位置传感器以提供一个与阀芯位置成比例的电信号。此位置信号向阀的控制器提供一个反馈，使阀芯可以由一个闭环配置来定位，如图2-24所示，一个输入信号供至放大器，该放大器本身又产生相应的输出信号去驱动电磁铁。电磁铁推动阀芯，直到来自位置传感器的反馈信号与输入信号相等为止。因而此技术能使阀芯在阀体中准确地定位，而由摩擦力、液动力或液压力所引起的任何干扰都被自动地纠正。
图2-24 位置反馈示意图
1．位置传感器
通常用于阀芯位置反馈的传感器为非接触式LVDT（线性可变差动变压器），其工作原理如图2-25所示。LVDT由绕在与电磁铁推杆相连的铁芯上的一个一次线圈和两个二次线圈组成。一次线圈由一高频交流电源供电，它在铁芯中产生变化磁场，该磁场通过变压器作用在两个二次线圈中感应出电压。如果两个二次线圈对置连接，则当铁芯居中时，每个线圈中产生的感应电压将抵消而产生的净输出为零。随着铁芯离开中心移动，一个二次线圈中的感应电压升高而另一个中的降低。于是产生一个净输出电压，其大小与运动量成比例而相位移指示运动方向。该输出可供至一个相敏整流器（解调器），该整流器将产生一个与运动成比例且极性取决于运动方向的直流信号。
图2-25 阀芯位置传感器工作原理
2．控制放大器
控制放大器原理如图2-26所示。输入信号可以是可变电流或电压。根据输入信号的极性，阀芯两端的电磁铁将有一个通电，使阀芯向某一侧移动。放大器为两个运动方向设置了单独的增益调整，可用于微调阀的特性或设定最大流量，还设置了一个斜坡发生器，进行适当的接线，可启动或禁止该发生器，并且设置了斜坡时间调整，针对每个输出极设置了死区补偿调整，这使得可用电子方法消除阀芯遮盖的影响。使用位置传感器的比例阀意味着阀芯由位置控制，即阀芯在阀体中的位置仅取决于输入信号，而与流量、压力或摩擦力无关。位置传感器提供一个LVDT反馈信号。此反馈信号与输入信号相加所得到的误差信号驱动放大器的输出级。在放大器面板上设有输入信号和LVDT反馈信号的监测点。
图2-26 控制放大器原理图
当比例控制系统设有反馈信号时，可实现控制精度较好的闭环控制，其系统框图如图2-27所示。
图2-27 闭环控制比例系统框图
2.6.2.2 液压系统
变桨距风力发电机组的液压系统与定桨距风力发电机组的液压系统很相似，也由两个压力保持回路组成：一路由蓄能器通过电液比例阀供给桨叶变距液压缸；另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹车机构。
2.6.2.3 液压泵站
如图2-28所示，液压泵站的动力源是液压泵5，为变桨距回路和制动器回路所共有。液压泵安装在油箱油面以下并通过联轴器6，由油箱上部的电动机驱动。泵的流量变化根据负荷而定。
液压泵由压力传感器12的信号控制。当泵停止时，系统由蓄能器15保持压力。系统的工作压力设定范围为13.0～14.5MPa。当压力降至13.0MPa以下时，泵启动；在14.5MPa时，泵停止。在运行、暂停和停止状态，泵根据压力传感器的信号自动工作，在紧急停机状态，泵被迅速断路而关闭。
压力油从泵通过高压滤清器10和单向阀11-1传送到蓄能器15。滤清器上装有旁通阀和污染指示器，它在旁通阀打开前起作用。单向阀11-1在泵停止时阻止回流。紧跟在高压滤清器10外面，先后有两个压力表连接器（M1和M2），它们用于测量泵的压力或滤清器两端的压力降。测量时将各测量点的连接器通过软管与连接器M8上的压力表14接通。
溢流阀13-1是防止泵在系统压力超过14.5MPa时继续泵油进入系统的安全阀。在蓄能器15外部加热时，溢流阀13-1会限制气压及油压升高。在检验蓄能器预充压力或系统维修时可调节流阀17-1用于释放来自蓄能器15-1的压力油。油箱上装有油位开关2，以防油溢出或泵在无油情况下运转。
油箱内的油温由装在油池内的PT100传感器测得，出线盒装在油箱上部。油温过高会导致报警，以免在高温下泵的磨损，延长密封的使用寿命。
2.6.2.4 变桨距控制
变桨距控制系统的节距控制通过比例阀实现。如图2-29所示，控制器根据功率或转速信号给出一个-10～+10V的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。点划线内是带控制放大器的比例阀，设有内部LVDT反馈。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距角在-5°～88°之间运动。为了提高整个变桨距系统的动态性能，在变距液压缸上也设有LVDT位置传感器，如图2-29所示。
图2-29 节距控制示意图
如图2-28所示，在比例阀至油箱的回路上装有0.1MPa单向阀11-4，该单向阀确保比例阀T口上总是保持0.1MPa压力，避免比例阀阻尼室内的阻尼“消失”导致该阀不稳定而产生振动。
比例阀上的红色LED（发光二极管）指示LVDT故障，LVDT输出信号是比例阀上滑阀位置的测量值，控制电压和LVDT信号相互间的关系如图2-30所示。
图2-30 变桨距速率、位置反馈信号与控制电压的关系
变桨距速率由控制器计算给出，以0°为参考中心点。控制电压和变桨距速率的关系如图2-30所示。
图2-28变桨距风力发电机组液压
1—油箱；2—油位开关；3—空气滤清器；4—温度传感器；5—液压泵；6—联轴器；7—电动机；8—主模块；9—压力测试口；10—高压滤清器；11—单向阀；12—压力传感器；13—溢流阀；14—压力表；15—蓄能器；16—节流阀；17—可调节流阀；18、20—电磁阀；19—比例阀；21—减压阀；22—压力开关；23—先导止回阀
1．液压系统在运转/暂停时的工作情况
如图2-28所示，电磁阀18-1（紧急顺桨阀）和18-2（紧急顺桨阀）通电，使比例阀上的P口得到来自泵和蓄能器15-1的压力。节距液压缸的左端（前端）与比例阀的A口相连。
电磁阀20-1通电，从而使先导管路（虚线）增加压力。先导止回阀23装在变桨距液压缸后端靠先导压力打开以允许活塞双向自由移动。
把比例阀19通电到“直接”（P-A、B-T）时，压力油即通过单向阀11-2和电磁阀18-2传送P-A至缸筒的前端。活塞向右移动，相应的桨叶节距向-5°方向调节，油从液压缸右端（后端）通过先导止回阀23和比例阀19（B口至T口）回流到油箱。
把比例阀19通电到“跨接”（P-B、A-T）时，压力油通过止回阀传送P-B进入液压缸后端，活塞向左移动，相应的桨叶节距向+80°方向调节，油从液压缸左端（前端）通过电磁阀18-2和单向阀11-3回流到压力管路。由于右端活塞面积大于左端活塞面积，使活塞右端压力高于左端的压力，从而能使活塞向前移动。
2．液压系统在停机/紧急停机时的工作情况
停机指令发出后，电磁阀18-1和18-2断电，油从蓄能器15-1通过电磁阀18-1和节流阀16-1及先导止回阀23传送到液压缸后端。缸筒的前端通过阀18-2和节流阀16-2排放到油箱，桨叶变距到+80°机械端点而不受来自比例阀19的影响，电磁阀20-1断电时，先导管路压力油排放到油箱，先导止回阀23不再保持存双向打开位置，但仍然保持止回阀的作用，只允许压力油流进缸筒，从而使来自风的变距力不能从液压缸左端方向移动活塞，避免向-5°的方向调节桨叶节距。
在停机状态，液压泵继续自动停/启运转。顺桨由部分来自蓄能器15-1，部分直接来自液压泵5的压力油来完成。在紧急停机位时，泵很快断开、顺桨只由来自蓄能器15-1的压力油来完成。为了防止在紧急停机时，蓄能器15内油量不够变距液压缸—个行程，紧急顺桨将由来自风的自变距力完成。液压缸右端将由两部分液压油来填补：一部分来自液压缸左端通过电磁阀18-2、节流阀16-2、单向阀11-5和先导止回阀23的重复循环油；另一部分油来自油箱通过吸油管路及单向阀11-5和先导止回阀23。
2.6.2.5 制动机构
制动机构由液压泵站通过减压阀21供给压力源。
蓄能器15-2确保能在即使没有来自蓄能器15-1或泵的压力情况下也能工作。在检验蓄能器15-2的预充压力或在维修制动系统时可调节流阀17-2用于释放来自蓄能器15-2的压力油。压力开关22-1是常闭的，当蓄能器15-2上的压力降低于1.5MPa时打开报警。压力开关22-2用于检查制动压力上升，包括在制动器动作时。溢流阀13-2防止制动系统在减压阀21误动作或在蓄能器15-2受外部加热时，压力过高（2.3MPa）。过高的压力即过高的制动转矩，会造成对传动系统的严重损坏。
液压系统在制动器一侧装有球阀，以便螺杆活塞泵在液压系统不能加压时用于制动风力机。打开球阀、旋上活塞泵，制动卡钳将被加压，单向阀11-7阻止回流油向蓄能器15-2方向流动。要防止在电磁阀20-2通电时加压，这时制动系统的压力油经电磁阀排回油箱，加不上来自螺杆活塞泵的压力。在任何使用一次螺杆泵以后，球阀必须关闭。
1．运行/暂停/停机
开机指令发出后，电磁阀20-2通电后，制动卡钳排油到油箱，刹车因此而被释放。暂停期间保持运行时的状态。
停机指令发出后，电磁阀20-2失电，来自蓄能器15-2的和减压阀21压力油可通过电磁阀20-2的3口进入制动器液压缸，实现停机时的制动。
2．紧急停机
电磁阀20-2失电，蓄能器15-2将压力油通过电磁阀20-2进入制动卡钳液压缸。制动液压缸的速度由节流阀16-4控制。
2.6.2.6 液压系统的试验
1．液压装置试验
（1）试验内容在正常运行和刹车状态，分别观察液压系统压力保持能力和液压系统各元件动作情况，记录系统自动补充压力的时间间隔。
（2）试验要求在执行气动与机械刹车指令时动作正确；在连续观察的6h中自动补充压力油2次，每次补油时间约2s。在保持压力状态24h后，无外泄漏现象。
（3）试验方法。
1）打开油压表，进行开机、停机操作，观察液压是否及时补充、回放，卡钳补油，收回叶尖的压力是否保持在设定值。
2）运行24h后，检查液压系统有无泄漏现象。
3）用电压表测试电磁阀的工作电压。
4）分别操作风力发电机组的开机，松刹、停机动作，观察叶尖、卡钳是否相应动作。
5）观察在液压补油，回油时是否有异常噪声。
2．飞车试验
飞车试验的目的是为了设定或检验液压系统中的突开阀。一般按以下步骤进行试验：
（1）将所有过转速保护的设置值均改为正常设定值的2倍，以免这些保护首先动作。
（2）将风力发电机组并网转速调至5000r/min。
（3）调整好突开阀后，启动风力发电机组。当风力发电机组转速达到额定转速的125%时，突开阀将打开并将气动刹车油缸中的压力油释放，从而导致空气动力刹车动作，使风轮转速迅速降低。
（4）读出最大风轮转速值和风速值。
（5）试验结果正常时，将转速设置改为正常设定值。
3．变距系统试验
变距系统试验主要是测试如图2-30所示的变距速率、位置反馈信号与控制电压的关系。