２０１２年第３期 液压与气动 ６１ 魏列江 ，王栋梁 。刘英 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｐｉｔｃｈ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＷＥＩ Ｌｉｅ－ｊｉａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ．１ｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ （１．兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州７３００５０；２．兰州电机股份有限公司，甘肃兰州７３００５０） 摘要：液压独立变桨距系统作为大型风力发电机组控制系统的关键部分，对机组的安全、稳定、高效运 行具有十分重要的作用。该文简述了风力机液压独立变桨距系统的原理及特点，采用了带实时故障排除的 液压冗余型电液伺服变桨距执行机构；计算分析了桨叶的驱动力矩及液压缸的负载力。 关键词：液压独立变桨；冗余设计；油缸负载力 中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１２）０３－００６１－０３ 引言 的主导方式。 稳定可靠的变桨距系统已成为大型风力发电机组 控制技术研究的热点和难点。目前，风力机的变桨距 系统有电动变桨和液压变桨之分。相对于电动变桨， １ 液压独立变桨距控制系统 对桨距角的主动控制可以克服被动失速调节的固 有缺点。桨距角最重要的应用是功率调节，除此之外， 液压变桨系统具有强大的驱动力、紧凑的结构布局、高 的动态响应、元件使用寿命长等优点。而液压变桨系 统按桨距角的控制方式不同，又可分为液压统一变桨 距系统和液压独立变桨距系统。液压统一变桨距控制 时，各叶片的桨距角同时改变相同的角度；液压独立变 当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一 个较大的启动力矩。通过安装在叶片和轮毂之间的变 桨驱动机构带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由 此来控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上 的扭矩和功率的目的。９０。迎角时是叶片的工作位置。 在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化 桨距控制时，各叶片桨距角的改变量可以各不相同，这 样任何故障的出现只会反映在其中一个叶片上，而不 影响其他叶片的变桨功能。液压独立变桨距控制因其 能够在稳定输出功率的同时提高风电系统的整体性 能，尤其是在大型风力发电机组中，因为风轮扫掠面积 大，各个叶片处风速相差较大，所以采用不同的桨距角 来起到限制功率作用。一般变桨距油缸按伺服阀输出 的方向和流量将叶片桨距角控制在一５。一＋８８。之间 收稿日期：２０１１—１０—１０ 作者简介：魏列江（１９７２一），男，甘肃兰州人，副教授，博士， 主要从事流体测控方面的研究工作。 更符合风力机的控制要求，使其逐渐成为变桨距控制 设计的电液执行器满足精度要求，同时证明了理论分 析的正确性。 参考文献： 态性能研究［Ｊ］．液压与气动，２００５，（８）：２９—３１． ［３］郭建宇．无阀电液伺服系统的建模与仿真研究［Ｄ］．大 连：大连理工大学，２００５． ［４］ 周加龙，赵明扬．直驱式容积控制电液伺服系统设计研究 ［Ｊ］．科技创新导报，２００８，（１Ｏ）：８２—８３． ［１］ 郑洪波，孙友松．直驱式容积控制电液伺服系统及其发展 现状［Ｊ］．机床与液压，２０１１，（３）：１１３—１１６． ［２］ 姜继海，涂婉丽，曹健．直驱式容积控制电液伺服系统动 ［５］ 吕杰．直驱式电液伺服系统的设计与特性研究［Ｄ］．哈尔 滨：哈尔滨工业大学，２００８． ６２ 液压与气动 ２０１２年第３期 变化。风力机输出功率Ｐ，由下式给出…： Ｐ＝ １ ｃ ｕ３ （１） 式中，Ｐ为空气密度（１．２２５ ｋｇ／ｍ ）；Ｃ。为功率系数； Ａ为扫风面积；Ｕ为风速。对于变桨距风力发电机组， 风能利用系数与叶尖速比Ａ和桨距角口的关系可用式 （２）表示 ： Ｃｐ＝（０・４４—０・０ｌ６７／３）ｓｉｎ ｌ ｆ 一０．００１８４（Ａ一３）Ｊ８ （２） 式中，叶尖速比Ａ是叶片尖部的线速度与风速 的比 值。从上式中可以看到：控制风轮的输出功率就是要在 最佳叶尖速比的情况下控制桨距角 。 １．１ 变桨距控制过程分析 由变桨距风力机的特性曲线ｃ。（Ａ， ）可知，变 桨距系统的运行分为三种状态：启动状态（转速控 制）、欠功率状态（不控制）、额定功率状态（功率控 制）。根据其在不同区域的运行情况，基本控制过程 为：低于额定风速时，跟踪Ｃ。一曲线，以获得最大能 量；高于额定风速时，跟踪Ｐ 曲线，并保持输出稳定。 启动前发电机组的叶片桨距角处于某一恒定角度。当 达到切人风速时，风力发电机组开始发电运行，Ｃ 值 不断上升。随着风速的增加，风力发电机组逐渐进入 ｃ 恒定区（Ｃ ＝Ｃ ），这时机组在最佳状态下运行。 当达到额定风速时，发电机组进入功率恒定区，这时随 风速的继续增大，变桨系统开始动作，使桨距角向正的 方向逐渐增大，从而使风力发电机组在较小的Ｃ 值下 作恒定功率运行。因此额定风速以下阶段的主要目标 就是让叶轮尽可能多的吸收风能。Ｃ 越大，吸收的风 能越多。由于额定风速以下风速较小，所以，此时没有 必要变桨，只需要将叶片角度设置为规定的最小桨距 角。额定风速以上阶段时主控制器和变桨控制器同时 发挥作用，通过变桨来调整发电机的转速，保证其始终 在恒定功率下运行。 １．２冗余型变桨距液压系统原理图 液压系统中滑阀阀芯的卡紧是常见故障，同时也 是致命故障。如果变桨距系统的伺服阀的阀芯出现卡 紧，则桨距角就不能按照控制规律而正常变化，这不仅 影响风力机的输出功率，而且在风速高于额定风速时 将对风力机组产生严重的破坏。因此在利用颤振电流 信号诊断滑阀卡紧故障的基础上，采用具有液压冗余 容错功能和卡紧故障在线排除功能的电液执行系统。 它通过在放大电路中直接比较两个电液转换器颤振电 流峰一峰值的大小来决定工作阀与备用阀的切换，而 通过（多次）在有限时间内施加双向交变电磁力的方 法使系统具有一定的故障在线排除能力 Ｊ。伺服阀１ 和伺服阀２互为备用，由调速器伺服环回路进行实时 检测和故障判断，根据切换逻辑控制切换电磁阀，实现 伺服阀１和伺服阀２之间的切换 Ｊ。其控制框图如图 １所示。 图１变桨距系统控制框图 整个系统的核心元件是伺服阀，但这也是最容易 出现故障的地方。在无故障工作时，系统采用伺服阀 １。正常的调节过程如下：电磁阀１和电磁阀３通电 后，压力油经过切换电磁阀（断电）到达伺服阀１的Ｐ 口，此时，电磁阀２也通电，从而使先导管路（虚线）压 力增加，使得液控单向阀逐渐开启。伺服阀１通电到 “直接”时，压力油通过单向阀５和电磁阀３到达油缸 的左端。活塞向右移动，对应的桨距角向一５。方向调 节，回油通过液控单向阀和伺服阀１流人油箱。伺服 阀１通电“跨接”时，压力油通过液控单向阀到达油缸 的右端，推动活塞左移，桨距角向＋８８。方向调节。回 油通过电磁阀３和单向阀６流人压力管路，由于右侧 活塞面积大于左侧面积，所以右侧的压力大于左侧压 力，使得活塞向左移动。停机时，电磁阀１和电磁阀３ 断电，压力油通过电磁阀１和节流阀２及液控单向阀 到达油缸的右端。左侧的回油经过电磁阀３和节流阀 ３流人油箱。桨距角调整到＋８８。顺桨状态。此时，电 磁阀２断电，液控单向阀起普通单向阀的作用，保证使 来自阵风的变距力不能影响油缸右移，避免桨距角向 一５。方向调节。紧急顺桨的速度由节流阀２和节流阀 ３控制原理图见图２。 在整个工况中，液压泵根据压力传感器的信号自 动工作，在紧急停机状态，液压泵自行关闭。如果伺服 阀１出现故障，切换电磁阀通电，系统采用伺服阀２， 此时伺服阀１可以拆卸下来进行维修，“×”处可用液 压油口螺堵堵住。由于采用了冗余电液伺服阀，所以 系统的安全性和可靠性得到了很大的提升。 ２０１２年第３期 液压与气动 ６３ 蓄 能 器 图２冗余型变桨距液压系统原理图 ２ 液压独立变桨执行机构的计算分析 ２．１ 驱动力矩的计算 变桨系统在实际工作过程中，液压缸的负载力要 通过叶片变桨时的驱动力矩来计算。对于风力机而 言，安全运行是最重要的，而紧急顺桨时的驱动力是最 大的，所以我们通常只需要考虑应急顺桨时的情况。 变桨过程中作用在桨叶回转轴上的阻力矩，可区分为 桨叶离心力产生的离心力矩、由气动力产生的力矩、各 回转副的摩擦力矩，在风力机工作时，如遇到异常情 况，需应急顺桨减速时，要克服的阻力矩主要是由桨叶 质量的离心力产生的离心力矩。这个力矩的方向是企 图使桨叶朝着提高转速的方向（即使桨叶安装角减 小）。而由气动力产生的力矩，其方向与此相反，数值 也较小，所以可以忽略 Ｊ。因此，桨叶调整机构需要 克服的力矩只考虑由离心力产生的力矩以及各回转副 的摩擦阻力矩。 根据文献 可知，每支桨叶的驱动力矩为： ２ Ｒ ＝ ∑［（．， 一－， ｉ ）ｓｉｎ２ｑｂ．△ｒ］ （３） 考虑叶片轴承的效率，一般取叼轴承＝０．９８。故使 每支桨叶绕桨叶轴转动所需要的驱动力矩为： （４） ２．２液压缸负载力的计算 桨距角的变化是通过液压缸活塞直接推动偏心块 实现的，所以己知变距驱动力矩 ，就可以求得液压缸 的负载力。如图２所示，利用解三角形的方法可得： ｌＭＣ ｌ＝、／ｒ ＋Ｌ 一２ｒＬ ｃｏｓ（￣＋ ） （５） １ ｌ ｃ ｆ・１ ８Ｎ Ｉ＝ｌｒＬ ｓｉｎ（卢＋ ） （６） 由（５）、（６）式可得： １ ８Ｎ Ｉ（７） 综合式（５）、（６）、（７），油缸的负载力 － 南＝丽 —— 一 Ｊ㈩ ２．３ 系统最大流量计算 液压系统的流量是根据最大变距速度选择的。活 塞行驶的最大速度为 ，油缸的直径为Ｄ，则变桨距 所需最大油液流量为：Ｑ ：—，ｒｒＤ ＂・ … （９） 考虑到液压系统不可避免的存在泄漏，所以系统 最大流量按Ｑ…的１０５％～１１０％计算。 ３结语 大型兆瓦级风力发电机组是当前风电场的主要机 型，其变桨距系统是整个机组的重要部件之一。液压 独立变桨系统与电动变桨系统相比单位体积小、重量 轻、动态响应好、驱动力大且无需变速机构。本文设计 了具有冗余容错功能的液压变桨距系统，计算分析了 液压油缸的驱动力矩及负载力。由于采用了冗余电液 伺服阀，所以系统工作的连续性不受影响，给风力机的 安全运行提供了有力保障。 参考文献： ［１］Ｔｏｎｙ Ｂｕｒｔｏｎ，等．风能技术［Ｍ］．武鑫，等译．北京：科学出 版社，２００７． ［２］ Ｅｚｚｅｌｄｉｎ Ｓ Ａｂｄｉｎ，Ｗｉｌｓｏｎ Ｘｕ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ－－ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｎ・－ ｎｉｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＥＣ，２０００，３（１５）：９１—９６． ［３］李伟，李伟波，吴根茂，潘宏，葛宜远．滑阀机构液压卡紧 无传感器诊断方法研究［Ｊ］．中国机械工程，１９９９，４（４）： ４３５—４３８． ［４］唐旭，颜晓斌．冗余伺服比例阀控制电液随动系统［Ｊ］． 东方电机，２００６，（６）：４６—５１． ［５］ 单光坤，刘颖明，姚兴佳．大型风力发电机组变桨距机构 分析与实验研究［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００７，４（２）： ２０９—２１２． ［６］ 李强，姚兴佳，陈雷．兆瓦级风电机组变桨距机构分析 ［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００４，４（２）：１４６—１４８．