維斯塔斯高溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

 　　概述
　　全球商業(yè)運(yùn)行的兆瓦級(jí)主流風(fēng)電機(jī)組可分為兩種變槳形式：電- 液伺服變槳和電動(dòng)伺服變槳。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有單位體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)矩大、無(wú)需變速機(jī)構(gòu)且技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，維斯塔斯、歌美颯、EHN 等公司的風(fēng)電機(jī)組采用了液壓變槳距技術(shù)。維斯塔斯是丹麥的一家全球最大的風(fēng)電機(jī)組制造商，高溫機(jī)型是維斯塔斯風(fēng)電機(jī)組的特有機(jī)型。為了克服環(huán)境溫度對(duì)液壓油粘溫特性的影響，維斯塔斯在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型的基礎(chǔ)上增加了高溫選項(xiàng)（High Temperature Option），通過(guò)加裝一套油冷卻器對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻以及相應(yīng)的軟件參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度提高，以適應(yīng)夏季環(huán)境溫度較高地區(qū)的需要，這種機(jī)型被稱為高溫機(jī)型。江蘇如東、浙江東山、福建平潭等南方風(fēng)電場(chǎng)的V80 風(fēng)電機(jī)組采用了這種機(jī)型，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型和高溫機(jī)型的運(yùn)行環(huán)境溫度如表1 所示。

表1 V80兩種機(jī)型的運(yùn)行環(huán)境溫度

　　2 溫度對(duì)液壓系統(tǒng)的影響
　　液壓系統(tǒng)具有單位體積小、扭距大的優(yōu)點(diǎn)，但是作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，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(duì)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(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)工作有著重要影響，由于液壓泵設(shè)計(jì)時(shí)是按一定的粘度計(jì)算的，如果溫度過(guò)高使油粘度過(guò)小，將導(dǎo)致液壓泵的內(nèi)滲漏量增大，增加液壓泵的容積損失降低泵效率。同時(shí)油體受熱后體積增大，容器內(nèi)壓增加，密封件的密封性能亦大大降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使?jié)櫥砻娈a(chǎn)生磨損，縮短設(shè)備壽命。　　
　　可以看出，液壓油溫度升高將直接導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力下降，使變槳響應(yīng)滯后、調(diào)節(jié)不到位、機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致變槳系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此，液壓系統(tǒng)必須在合適的溫度下工作，當(dāng)液壓油溫度升高到一定值時(shí)，必須對(duì)液壓油采取冷卻措施。
 

圖1 粘-溫特性曲線

　　3 高溫機(jī)型的結(jié)構(gòu)
　　V80 高溫機(jī)型與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型相比，一是在液壓系統(tǒng)中增加了硬件配置，二是在軟件中增加了預(yù)先過(guò)熱保護(hù)功能。
　　3.1 硬件配置
　　V80 風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)采用丹麥PMC 公司生產(chǎn)的液壓動(dòng)力單元（液壓站），由一臺(tái)齒輪液壓泵提供液壓動(dòng)力，以滿足盤式制動(dòng)器和輪轂內(nèi)的三套變槳系統(tǒng)的工作要求。由于每片槳葉重達(dá)6 噸左右，必須保證液壓系統(tǒng)有足夠大的功率，才能保證變槳系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性。高溫機(jī)型的液壓站上安裝有一套瑞典OILTECH 公司生產(chǎn)的油冷卻器，集循環(huán)泵、表冷器、風(fēng)機(jī)和電機(jī)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(dòng)力單元的設(shè)計(jì)是模塊化的，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型液壓箱蓋上預(yù)先留有專用的進(jìn)、出油管和溫度傳感器接口，可以很方便地在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型上加裝高溫選項(xiàng)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(jiǎn)單：溫度傳感器St（PT100）將液壓油的溫度變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電阻信號(hào)，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(jiān)視繼電器，當(dāng)液壓油溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)（設(shè)定為50℃），溫控器的常閉觸點(diǎn)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(jī)M 運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵P 和風(fēng)扇E。油箱上部溫度較高的液壓油被泵P 抽出，流經(jīng)表冷器L，經(jīng)風(fēng)扇強(qiáng)迫與周圍空氣交換熱量，冷卻后返回油箱，SB 為手動(dòng)試驗(yàn)按鈕。當(dāng)溫度傳感器St 檢測(cè)到油溫低于C510 的遲滯值設(shè)定值（2%-20%）以下時(shí)，溫度繼電器At 返回，常閉觸點(diǎn)At1 斷開，電機(jī)M 停止。

圖2 油冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 油冷卻器控制部分原理

　　油冷卻器是一個(gè)獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)不對(duì)液壓油循環(huán)泵進(jìn)行監(jiān)控，無(wú)法獲知油循環(huán)泵的工作狀態(tài)，但風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)可以從安裝于液壓動(dòng)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。