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1、风力发电基础知识及风电液压应用一、风的形成地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的 空气。这就导致了空气的流动-风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。风能是地球表面空气移动时产生的动能，即风的动能，是太阳能的一种表现形式。二、风力发电的原理及优缺点风力发电的原理说起来非常简单最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成。空气 流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与 发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。风力发电的原理这么简单，为什么仅20世纪的中后期才获得应用呢？第一，常规发电还能满足需要，社会
2、生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏 远地区的供电问题。第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能，20世纪初 期是造不出现代风力发电机的。风力发电有三种运行方式一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提 供电力，海关，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如 柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网 运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力 发电的主要发展方向。我们这里所说的风力发电都是指大功率风机并网发电。三、现代风机的结构与技术特点
3、。风力发电机发出的电时有时无电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来， 风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、 液压系统、刹车系统和控制系统等。四、风力发电机组的分类和主要构成一）、风力发电机组的构成风力发电机组的主要组成部分：-叶轮：将风能转变为机械能。-传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额定转速-发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。-偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。-其它部件：如塔架、机舱等-控制系统：使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安 全控制。1、叶轮由叶片和轮毂组成，是机组中最重要的部件
4、：决定其性能和成本，目前多数是上风 式，三叶片；也有下风式，两叶片。叶片与轮毂的连接有固定式（定桨距），及可动式（变 桨距）。叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。2、传动系统由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支 撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组中多用行星式（具 有重量和尺寸优势）。有些机组无齿轮箱，即直驱式。传动系的设计按传统的机械工程方法， 主要考虑特殊的受载荷情况。齿轮箱可以将很低的风轮转速（17 - 48转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。 同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。由于机组安装在高
5、山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及 强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一 旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。 例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特 性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件。3、机舱与偏航机构包括机舱盖，底板和偏航系统。机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。偏航机构是驱 动机舱在回转轴承上相对塔架转动的装置 也称为对风装置，其作用是能够快速平稳地对准 风向，以便风轮获得最大的风能，偏航系统的主要
6、部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。上 风式机组采用主动偏航，由偏航电机或液压马达驱动，由偏航控制系统控制。偏航刹车用来 固定机舱位置。4、控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。以600千瓦风机为例， 一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增 加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风 速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。通常所说的12级飓风， 其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、 风向对系统加以控制，在稳定的电压
7、和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发 电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。二）、风力发电机组的分类及特征1、风力发电机组-定桨距失速调节型定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角 度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速，气流 的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为 了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段 运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是
8、失速调节简单可靠当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被 动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨 距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。2、风力发电机组-变桨距调节型变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小其调节方法为：当风电机组 达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45，当转速达到一定时，再调节到0，直 到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持 在0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出 功率的变化调整桨距角的大小，使发
9、电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优 化输出功率。3、风力发电机组-定速机型：-发电方式简单，造价低；-对电网依赖程度高。4、风力发电机组-变速机型：-电气设备价高；-电能品质好。五、风电技术发展趋势1、更大的尺寸和功率叶片直径位率比逐年增加.以1.5MW风机为例,自1997、2000、2003年直径分别为65米69米、74米2、海上风场的建设成为未来发展趋势风机噪声将随叶尖速度急剧上升.对一定的功率而言，传动链负载与噪声之间存在此消彼长
10、 的关系，对于陆地风场，噪声是一个主要的制约；离陆地30公里以外的海上风场的风机噪 声不会如此敏感；另外，风力资源和大型传动部件的运输都是海上风力发电发展的理由。3、大功率风机的叶片桨距是连续变化的，未来变桨调节控制将成为标配。4、变速恒频，利用变速恒频发电方式，风力机就可以改恒速运行为变速运行，这样就可能 使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能 利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值。5、采用直接驱动发电机在原理上通过转子滑环与励磁电路达到同步风力发电机直接与风机转子联接而取消齿轮箱 的优势是降低的设备投资、减小了机舱重量、传动链效率损失
11、、维修成本及维修停机时间；六、风力发电设备液压及密封应用一）、风电液压系统风机是有许多转动部件的。机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动 力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停 机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹 车等状态下使用。1、驱动系统风力发电机使用两个驱动系统，即制动系统（偏转器和主轴一高速轴回转系统）和叶片角度控 制及机舱偏转器回转控制系统。制动系统用液压控制，而叶片和偏转器的控制则用液压或电 气驱动方式采用那一种传动的争论在风力发电机的设计中也不例外。至于采用液压还是电 气来控
12、制叶片角度的输出功率、速度或频响，一般取决于制造厂家的经验而定。2、变桨控制系统叶片角度（变桨）控制系统设计时主要应考虑当风力发电机遇到像台风等强风力时，机组能 立即停止运行，以使电源中断，而此时的叶片需要控制在和风向相平行的位置上，确保叶片 不再转动，电源中断后，机组的能量贮存系统开始工作，如液压蓄能器或蓄电池。用液压控 制时，用液压直线驱动器（夜压缸），用电气控制时，采用电气回转式驱动器。装在主轴内的 液压直线驱动器，及停止时应用的蓄能器也装在轴内。国外液压直线驱动器是将液压、电子、电气的优点融合在一起的液压直线驱动装置 （Electro-hydraulic system简称Hybrid系
13、统，这种系统节能是值得提倡。这种由液压缸、液压泵、AC马达、蓄能器、电磁阀、传感器和动力源组成的集成式电气液 压伺服驱动系统具有动态性能好，输出功率大，电气安装性和维护性好等优点。它可以降低 液压系统的缺点，如漏油和油污染的影响，使可靠性得到显著提高，而当电力中断时，又能 充分显示出液压传动的优点，即和液压缸串联的液压缸，从蓄能器获得供油，使叶片迎风面 和风向平行，使叶轮停止转动。液压系统由带位置传感器的液压缸和双向供油的齿轮泵直接 供油，中间没有阀，减少了压力损失和漏油点，这种系统比伺服控制系统节能40%以上。 除上述Hybrid系统外，在国外，叶片角度控制和偏转器回转也有采用直线式电液伺服
14、比例 液压缸和回转型液压比例伺服驱动马达的。这些系统具有动静态性能好，寿命长等优点，但 在节省能耗和油液污染度等方面较Hybrid系统差。3、液压制动系统机舱和主轴一高速轴回转系统采用液压圆盘片式制动器主轴高速轴回转系统是供直径60 100m的叶片的制动用。急剧制动会使叶片及回转系统产生强烈振动，并产生很大负荷。为 此，需对轴的转速进行反馈，采用由改变幅度来调整制动压力的方法软制动），可以将负荷 减轻数倍。Parker公司、Eaton公司和力士乐公司也生产圆盘叶片式制动系统，可以经受恶劣条件， 安全性好。泄漏少，体积小，节省空间，液压源由单独液压站供应 液压制动系统实例丹麦BONUS-150K
15、W风机刹车液压系统1）、起动开机：当控制系统发出起动命令（可以是自动或手动），电机立即起动，压力由 P 口进入阀块，阀块左半部分为供叶尖压力部分；右半部分为圆盘闸提供压力。电机起动 同时，电磁阀10#、11#均带电由接通变为关闭状态，压力油只能沿单向阀6#-2进入右半 部分，当压力值达到由压力开关7#调定的10.3MPa时，阀门10#打开，压力开始进入叶尖 部分，使叶片阻尼板收回，同时还将打开电磁阀12#，关闭电磁阀13#，使圆闸盘的压力卸 压，做好起动的准备 当叶尖收起后圆闸盘也同时被松开当压力开关15#的压力达到7MPa 时，电机停止转动。17#、18#为蓄能器，利用被压缩的气体来贮藏压力
16、油中的能量，以补 充在运行过程中由于叶尖阻力板和圆闸盘的泄露，减少电机的频繁起动。2）、刹车停机：当风力控制系统的停机命令发出后，电磁阀10#立即带电、11#失电，关 闭10#电磁阀，打开11#电磁阀，然后使12#、13#电磁阀失电，即打开13#，关闭12#， 结果在叶尖阻尼板被弹出之后，圆盘闸也动作刹车使风力机平稳的停机。3）、性能特点从设计机构上来看，这种风力机的制动力矩来源于两个方面，一是叶尖阻尼制动，二是圆盘 闸刹车制动，制动力矩均在低速轴上，这样在刹车过程中对齿轮箱的冲击力小。除此之外还 有以下几个特点：a）、刹车过程平稳，振动小，由于刹车过程中首先由均匀分布的三个叶片的叶尖阻尼极动 作，降低速度，然后再由圆盘闸制动，这就
