维斯塔斯高温型风力发电机的结构和原理

 　　概述
　　全球商业运行的兆瓦级主流风电机组可分为两种变桨形式：电- 液伺服变桨和电动伺服变桨。液压执行机构具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点，维斯塔斯、歌美飒、EHN 等公司的风电机组采用了液压变桨距技术。维斯塔斯是丹麦的一家全球最大的风电机组制造商，高温机型是维斯塔斯风电机组的特有机型。为了克服环境温度对液压油粘温特性的影响，维斯塔斯在标准机型的基础上增加了高温选项（High Temperature Option），通过加装一套油冷却器对液压油进行冷却以及相应的软件参数设置，能够将标准型风电机组运行环境温度提高，以适应夏季环境温度较高地区的需要，这种机型被称为高温机型。江苏如东、浙江东山、福建平潭等南方风电场的V80 风电机组采用了这种机型，标准机型和高温机型的运行环境温度如表1 所示。

表1 V80两种机型的运行环境温度

　　2 温度对液压系统的影响
　　液压系统具有单位体积小、扭距大的优点，但是作为液压系统的工作介质，液压油粘度受温度变化的影响较大，液体粘度随温度变化的特性称为粘温特性，常用液压油的粘温特性曲线如图1 所示。由图中可知，液压油的粘度对温度的变化十分敏感，随着温度的升高，液压油的粘度将显著下降。
　　粘度是液压油的主要指标，对系统的平稳工作有着重要影响，由于液压泵设计时是按一定的粘度计算的，如果温度过高使油粘度过小，将导致液压泵的内渗漏量增大，增加液压泵的容积损失降低泵效率。同时油体受热后体积增大，容器内压增加，密封件的密封性能亦大大降低，严重时还会使润滑表面产生磨损，缩短设备寿命。　　
　　可以看出，液压油温度升高将直接导致液压系统压力下降，使变桨响应滞后、调节不到位、机械特性变软，导致变桨系统工作不稳定。因此，液压系统必须在合适的温度下工作，当液压油温度升高到一定值时，必须对液压油采取冷却措施。
 

图1 粘-温特性曲线

　　3 高温机型的结构
　　V80 高温机型与标准机型相比，一是在液压系统中增加了硬件配置，二是在软件中增加了预先过热保护功能。
　　3.1 硬件配置
　　V80 风电机组的液压系统采用丹麦PMC 公司生产的液压动力单元（液压站），由一台齿轮液压泵提供液压动力，以满足盘式制动器和轮毂内的三套变桨系统的工作要求。由于每片桨叶重达6 吨左右，必须保证液压系统有足够大的功率，才能保证变桨系统的动态响应和可靠性。高温机型的液压站上安装有一套瑞典OILTECH 公司生产的油冷却器，集循环泵、表冷器、风机和电机为一体，并配套冷却用控制箱和传感器，油冷却器如图2 所示。维斯塔斯液压动力单元的设计是模块化的，标准机型液压箱盖上预先留有专用的进、出油管和温度传感器接口，可以很方便地在标准机型上加装高温选项所需的冷却器。
　　油冷却器控制部分原理如图3 所示。散热组件的工作原理比较简单：温度传感器St（PT100）将液压油的温度变为对应的电阻信号，送入温度继电器At 处理，温度继电器采用的是ABB 的C510 系列温度监视继电器，当液压油温度达到设定值时（设定为50℃），温控器的常闭触点At1 闭合（注：C510温度继电器采用的是闭路原则），使交流接触器KM 线圈得电，功率为2.2kW 的电机M 运转，驱动循环泵P 和风扇E。油箱上部温度较高的液压油被泵P 抽出，流经表冷器L，经风扇强迫与周围空气交换热量，冷却后返回油箱，SB 为手动试验按钮。当温度传感器St 检测到油温低于C510 的迟滞值设定值（2%-20%）以下时，温度继电器At 返回，常闭触点At1 断开，电机M 停止。

图2 油冷却器结构示意图

图3 油冷却器控制部分原理

　　油冷却器是一个独立的电气控制系统，风电机组的控制系统不对液压油循环泵进行监控，无法获知油循环泵的工作状态，但风电机组控制系统可以从安装于液压动力单元油箱上的一体化液位和温度传感器获得液压油的温度信息。