維斯塔斯高溫型風力發電機的結構和原理

 　　概述
　　全球商業運行的兆瓦級主流風電機組可分為兩種變槳形式：電- 液伺服變槳和電動伺服變槳。液壓執行機構具有單位體積小、重量輕、動態響應好、轉矩大、無需變速機構且技術成熟等優點，維斯塔斯、歌美颯、EHN 等公司的風電機組采用了液壓變槳距技術。維斯塔斯是丹麥的一家全球最大的風電機組制造商，高溫機型是維斯塔斯風電機組的特有機型。為了克服環境溫度對液壓油粘溫特性的影響，維斯塔斯在標準機型的基礎上增加了高溫選項（High Temperature Option），通過加裝一套油冷卻器對液壓油進行冷卻以及相應的軟件參數設置，能夠將標準型風電機組運行環境溫度提高，以適應夏季環境溫度較高地區的需要，這種機型被稱為高溫機型。江蘇如東、浙江東山、福建平潭等南方風電場的V80 風電機組采用了這種機型，標準機型和高溫機型的運行環境溫度如表1 所示。

表1 V80兩種機型的運行環境溫度

　　2 溫度對液壓系統的影響
　　液壓系統具有單位體積小、扭距大的優點，但是作為液壓系統的工作介質，液壓油粘度受溫度變化的影響較大，液體粘度隨溫度變化的特性稱為粘溫特性，常用液壓油的粘溫特性曲線如圖1 所示。由圖中可知，液壓油的粘度對溫度的變化十分敏感，隨著溫度的升高，液壓油的粘度將顯著下降。
　　粘度是液壓油的主要指標，對系統的平穩工作有著重要影響，由于液壓泵設計時是按一定的粘度計算的，如果溫度過高使油粘度過小，將導致液壓泵的內滲漏量增大，增加液壓泵的容積損失降低泵效率。同時油體受熱后體積增大，容器內壓增加，密封件的密封性能亦大大降低，嚴重時還會使潤滑表面產生磨損，縮短設備壽命。　　
　　可以看出，液壓油溫度升高將直接導致液壓系統壓力下降，使變槳響應滯后、調節不到位、機械特性變軟，導致變槳系統工作不穩定。因此，液壓系統必須在合適的溫度下工作，當液壓油溫度升高到一定值時，必須對液壓油采取冷卻措施。
 

圖1 粘-溫特性曲線

　　3 高溫機型的結構
　　V80 高溫機型與標準機型相比，一是在液壓系統中增加了硬件配置，二是在軟件中增加了預先過熱保護功能。
　　3.1 硬件配置
　　V80 風電機組的液壓系統采用丹麥PMC 公司生產的液壓動力單元（液壓站），由一臺齒輪液壓泵提供液壓動力，以滿足盤式制動器和輪轂內的三套變槳系統的工作要求。由于每片槳葉重達6 噸左右，必須保證液壓系統有足夠大的功率，才能保證變槳系統的動態響應和可靠性。高溫機型的液壓站上安裝有一套瑞典OILTECH 公司生產的油冷卻器，集循環泵、表冷器、風機和電機為一體，并配套冷卻用控制箱和傳感器，油冷卻器如圖2 所示。維斯塔斯液壓動力單元的設計是模塊化的，標準機型液壓箱蓋上預先留有專用的進、出油管和溫度傳感器接口，可以很方便地在標準機型上加裝高溫選項所需的冷卻器。
　　油冷卻器控制部分原理如圖3 所示。散熱組件的工作原理比較簡單：溫度傳感器St（PT100）將液壓油的溫度變為對應的電阻信號，送入溫度繼電器At 處理，溫度繼電器采用的是ABB 的C510 系列溫度監視繼電器，當液壓油溫度達到設定值時（設定為50℃），溫控器的常閉觸點At1 閉合（注：C510溫度繼電器采用的是閉路原則），使交流接觸器KM 線圈得電，功率為2.2kW 的電機M 運轉，驅動循環泵P 和風扇E。油箱上部溫度較高的液壓油被泵P 抽出，流經表冷器L，經風扇強迫與周圍空氣交換熱量，冷卻后返回油箱，SB 為手動試驗按鈕。當溫度傳感器St 檢測到油溫低于C510 的遲滯值設定值（2%-20%）以下時，溫度繼電器At 返回，常閉觸點At1 斷開，電機M 停止。

圖2 油冷卻器結構示意圖

圖3 油冷卻器控制部分原理

　　油冷卻器是一個獨立的電氣控制系統，風電機組的控制系統不對液壓油循環泵進行監控，無法獲知油循環泵的工作狀態，但風電機組控制系統可以從安裝于液壓動力單元油箱上的一體化液位和溫度傳感器獲得液壓油的溫度信息。