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风力发电液压系统故障诊断研究摘要：近年来随着风力发电的大规模实施，我国风力发电的规模和数量也在不断地增加，这就对风机的运行、检修和维护工作提出了更好的要求。
由于风力发电系统在野外工作时间较长，工作环境较差，容易发生风力发电机故障，因此，对保证机组安全正常运行具有十分重要的意义，需要分析机组故障诊断，及时发现，及时检修，提高运行稳定性和可靠性。
基于此，本文就风力发电液压系统故障诊断进行研究，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。
关键词：风力发电机组故障；液压系统；故障诊断引言一般情况下，处于同一风电场中的相同型式的风力发电机组,在全年的工作过程中，不少时候都会发生不同的故障，从机械构造上来看，这些风力机组一般包括了二大部份：电力元件和机械部分，前者的损坏一般并没有造成附件的损坏，而后者的损坏却可以引起附件的损坏，所以，对于行人为了确保人身安全,若要登机检查，一般都必须在小风期进行，这种硬性要求从客观上对风力发电设备的检查造成了极大的困难，是无法在强风时进行检查维护的。
此外，很多电气元件的工作条件变化，即便进行严格的检查测试，仍然不能及时发现问题，这也是检修风力发电机无法避免的问题所在。
1风力发电机组日常故障处理(1)风力发电机组测风仪失效。
当测风仪发生故障时，应检查测风仪是否灵敏，即风力发电机所呈现的输出功率与其转速有偏差。
如果没有异常情况，立即检查传感器和信号侦测电路有没有故障，如果有故障，就应该进行排除处理。
当测风仪出现问题，要检验测风仪能否可靠，即风力发电厂所提供的输出功率与其速度之间的误差。
如没有异常情况，立即检测传感器的信号检测回路有无问题，一旦发现问题,就必须加以解决处理。
(2)异响。
风力发电机组在运行过程中发生声响异常，应查明其发出声响的部位。
对传动系统出现故障的，应进行位置温度对应、震动状态对应检查，查明原因，明确故障隐患，并进行有的放矢的应对。
(3)温度超标。
当风力发电机在运行过程中发生装置设备温度超标而自动停机时，即由于发电机、控制箱、晶闸管等装置设备在运行过程中温度过高而定值过高，从而引起的自动保护停机。
水冷液压偏航通讯试题一、填空题1、在Verteco变流系统中,冷却方式为___水冷____；在Freqcon变流系统中,冷却方式为__风冷____。
2、风冷方式的优点______结构简单____，缺点___散热效率低_____。
3、温度信号是___模拟_____信号，机舱位置信号是__模拟____信号，振动开关信号是________数字_______信号。
4、液压系统正常工作的液压范围为_140--160__bar,偏航余压为______24______bar。
5、过滤器堵塞发讯器分为__机械式__、___磁铁式__、___电信号式__三种。
6、过滤器按材料可分为____表面型__、__深度型__、______磁性____三种。
7、溢流阀的作用为_____调压溢流___和___安全保护______两种。
8、柱塞式液压泵分为_____轴向式__和___径向式____两种。
9、在verteco变流系统中，1U1和2U1之间的通信方式是_光纤加can总线____。
10、在verteco系统中主控柜和变流柜的通信方式是___profibus_DP总线___。
11、常用的网络拓扑结构有_星型_、_总线型_、_环形__、__网状__四种。
12、远程通讯可选择的方式有___电话网___、__因特网__、___GPRS、CDMA无线网络三种。
13、光纤分为___单模______和__多模_______两种。
14、DP通信连接器（DP头）选择开关拨到ON时的测量结果为__220欧姆__，选择开关拨到OFF时的测量结果为______无穷大____。
15、主控的DP通信地址为__10__、变流柜的DP 通信地址为__12__、水冷柜的DP通信地址为__8、LVD柜的DP通信地址为__11、机舱柜的DP 通信地址为__20、三个变桨柜的DP 通信地址分别为__41、__42、__43。
16、当手动偏航时，应与偏航电机、偏航大小齿轮保持一定的安全距离，_工具__、_衣服__、_手套__等物品要远离旋转和移动的部件。
第7卷第4期2009年12月中 国 工 程 机 械 学 报CH I N ESE JOU RNAL O F CONS TRUCT ION MAC HIN ERY Vol.7No.4 Dec.2009作者简介卞永明(65),男,教授,工学博士2y @63液压储能在风力发电储能中的应用卞永明,牛 翔(同济大学机械工程学院,上海201804)摘要:风力发电系统为实现系统稳定和持续供电,必须配备合适的储能装置.因此提出以下设想:将风能首先转化为液压能,并以液压蓄能器作为储能装置.不但可以实现系统的稳定和持续供电,还可以将发电机等设备降至地面,大大节约塔架的建造成本和风机的维护费用,并实现通过液压调速回路稳定电压.在上述设想的基础上,设计了一套实验模型,针对液压储能的系统效率和稳压效果进行仿真分析,结果表明:液压系统效率为72.9%,发电电压波动幅度小于0.83%,效率和稳压效果都能满足要求.关键词:风力发电;液压储能;蓄能器中图分类号:TK 89 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2009)04-0488-06Ap pl yi n g hy d r a ulic e ner g y st o r age f o r wi n d t u r bi ne ge ner at o rsBIA N Yon g 2m i n g ,N IU Xi a n g(College of Mechani cal Engineering ,Tongji Uni versi ty ,Shanghai 201804,China )A b s t r act :In orde r to mai ntain s t abl e and s ust ai nabl e p ow er supp ly ,t he ene rgy s to rag e device s ho ul d be e 2quipp ed f or a w in d p ow er gen eration s yst em.Accordi ngly ,t he wi nd en ergy is con vert ed in to h ydraulic ener 2g y for e nerg y s to rage.As a res ul t ,t he s t abl e and s ust ai nable p owe r s up pl y can be guaran teed accompanied b y i nst allin g t he gene rat or asse mbl y on t he g roun d.This si gnifican tly reduces t he cos t of tow er buildi ng and w ind t urbi ne g ene rat or mai nt enance.Meanw hile ,t he voltage s tabilit y in a hyd ra ulic go verni ng circuit can be ens ured.Eve nt uall y ,an exp e ri me ntal model is desig ned and si mulated to analyze t he sys te m efficiency an d volt age st abilization.In conclusio n ,t he s ys tem efficiency and volta ge st abilizatio n can me et demands w it h 72.9%hyd raulic s yst em efficiency and 0.83%bel ow voltag e fl uct uati on ampli tud e.Ke y w or ds :wi nd tu rbine ;h ydraulic en ergy st orage ;h ydraulic ene rgy accumulat or 20世纪80年代以来,风能的利用形式主要是风力发电.近30年来,风力发电技术日臻完善,并网型风力发电机单机额定功率最大已经达到5MW ,叶轮直径达到126m.今后,国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快.然而,风力发电的发展受到以下两个方面的严重制约:一方面,风能是随机性的能源,具有间歇性.因此,即使在风能资源丰富的地区,把风力发电机作为获得电能的主要方法时,也必须配备适当的蓄能装置,才能保证发电机组的连续和平稳运行[1].另一方面,风机造价居高不下,据统计,现在世界上建设风力发电的单位造价大约为1000美元kW -1,风力发电场建设的60%～70%投资又在风机设备上.中国近年风力发电单位造价约为人民币8000～9000元kW -1,这个费用是燃煤火力发电单位造价的2～2.5倍[2].严重制约了风力发电的发展.在现有的风力发电系统中,一套完整的风力发电机一般由叶轮、齿轮箱、偏航系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成[3].在这种结构中,叶片经变速箱后直接带动发电机转动,发电机安装在塔筒顶部.传动系统、发电机和控制与安全系统均布置在塔架上,大大增加了塔顶重量,使风力发:19-.E mail :mbianmail 第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 电机塔筒结构庞大,带来了高昂的制造成本.而上述装置布置在高空,维护修理不便,又需要预留维护空间,因此也带来了高昂的维护费用.此外,由于风场波动大,造成发电机的电压波动大;而风力大时,采用调整叶片的方式来避免发电机过荷,又影响了发电效率.风力发电的上述缺陷可以通过在风力发电系统中添加液压储能元件来解决.本文提出了一套通过液压系统和液压储能来降低运行成本和实现稳压供电的方法,并对该设想进行了分析和仿真.1 风力发电的液压储能原理针对引言中提到的问题,设计了一套液压传导储能系统.在该系统中,叶轮直接驱动液压泵转动,输出高压油,油液经过液压管路送至地面,通过稳压泵站进入蓄能器以液压能的形式存储起来.需要用电时,通过稳压泵站驱动液压马达转动,液压马达带动发电机转动,液压马达的转速可以通过稳压泵站的调速回路来使之稳定,因此无需稳压系统.当无风或风力较小时,可通过蓄能器和液压泵同时向液压马达供油,来保证系统的稳定和持续发电.初步模型的原理图如图1所示.当控制器监测到蓄能器压力低于最低压力时,风轮首先带动液压泵转动,此时两通阀A 和两通阀B 均被关闭,溢流阀作为安全阀使用,因此液压泵通过一个单向阀后向蓄能器内充入高压油.需要发电时,控制器通过电控信号,打开两通阀B ,蓄能器内的液压油流出,由控制器控制调速阀控制输出流量,驱动液压马达转动,带动发电机发电,驱动电阻负载.在发电时,通过调节调速阀的开度和液压马达的排量,使输出功率和输出电压均保持在稳定状态.图1 模型原理图Fig.1 Model sche matic 下面着重对该系统的以下两方面进行分析:①系统的效率,即风能转化为电能的效率,这里主要考察整个液压系统带来的效率损失;②系统的稳压特性,即系统输出的电压不随各种因素变化而保持稳定的能力.为简化分析,可将整个模型的工作阶段分为蓄能和发电两个阶段,分别模拟有风而无电力需求和有电力需求而无风的极端情况.即在蓄能时,关闭两通阀B ,使液压马达停止转动;而在发电时,打开两通阀A 或者关闭液压泵,不使新的液压油进入蓄能器,以模拟无风时的状态.2 模型分析及系统稳压原理系统模型中的各个关键部件之间的关系如图2所示,动力源(风轮)带动液压泵旋转,之间采用机械旋转轴联接,扭矩和转速分别为T s ,n s ;液压泵输出高压油存入蓄能器中,油压和流量分别为p p ,q p ,完成蓄能阶段;在发电阶段,蓄能器输出液压油,出口压力和流量分别为p a ,q a ,流量q a 由调速阀决定,出口压力p a 由蓄能器决定,液压油经过调速阀后驱动液压马达,压力降为,液压马达旋转带动发电机发电,之间同样采用机械旋转轴联接,扭矩和转速分别为T ,984p m m n m . 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷图2 数学关系示意图Fig.2 Mat hem atica l r ela tions hip 从图2可以看出,液压蓄能器是整个系统的中心环节.对蓄能器参数的选择和计算,对整个系统的性能有重要影响.这里假设蓄能器的预充气压力为p 0,公称容积为V 0,最低压力为p 1,最高压力为p 2,相应的气体容积分别为V 1和V 2.于是蓄能器的有效工作容积V w =V 1-V 2[4].2.1 蓄能过程分析在对系统效率进行分析时,由于风轮设计及发电机设计不是本文的重点,这里不分析风轮效率及发动机部分的效率,而着重对引进的液压系统的效率进行分析.蓄能过程中,对风轮采用恒速控制,以便测算后面液压系统在蓄能过程中的效率.因此输入的能量可视为通过动力源输入的机械能,为E 1=∫t10ωs T sd t (1)式中:ωs 为动力源旋转的瞬时角速度;t 1为蓄能时间.而得到的存储在蓄能器内的液压能为E 2=∫t 10p a q a d t (2) 二者相除,即为整个蓄能过程的效率为ηP =E 2/E 1(3)2.2 发电过程稳压原理及效率分析在发电过程中,应维持发电电压稳定,即外负载端电压U E 始终保持不变.同时,应使液压系统的输出功率与电力负载的功率相匹配.为此,采用了如下的控制策略(见图3):首先,通过控制器采集外负载端电压U E 和电流I E ,可计算出外负载功率P E ,加上一定的功率损耗的补偿,同时实时采集蓄能器出口压力p a ,于是可通过一定的算法估算出所需要的系统流量值,再通过控制调速阀的PWM 信号的占空比来控制整个液压系统的供给流量.即通过对外负载功率的监测来实时调节液压蓄能器的功率供给:q a =f (P E ,p a )=(P E +ΔP )/p a(4)式中:ΔP 是用于补偿调速阀的功率消耗及发电机的功率损失的功率损耗值,可以通过一定的方法进行估算.其次,为了维持发电机的转速恒定,再通过对端电压U E 的监测来对变量液压马达的排量Q m 进行调节.液压马达的转速为n m =q m ηm VQ m (5)式中:n m 为液压马达的实际输出转速;q m 为液压马达通过的流量,这里由调速阀的特性和开度决定;ηmV 为液压马达的容积效率;Q m 为液压马达公称排量,通过闭环控制算法来对Q m 进行控制,保证了n m 维持在一个稳定值,从而保证负载端电压U E 的稳定.整个发电过程中输出的液压能为E 3=∫t 20p a q a d t (6) 直流电机得到的机械能为=∫T ω()094E 4t 20m m d t 7 第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 式中:t 2为发电时间;ωm 为直流电机旋转时的瞬时角速度.二者相除,即为发电阶段液压部分的效率ηm =E 4/E 3(8)图3 电控液压系统控制方法Fig.3 Contr ol met hod of elect r o hydr a ulic sys tem3 极限工况仿真与实验为验证液压储能在风力发电系统中的应用设想,对上述实验模型进行仿真,并分别对效率和稳压效果进行分析验证.为简化仿真模型,将上述系统分为蓄能阶段和发电阶段两个部分分别进行仿真和实验.仿真利用MA TLAB 中的S i muli nk 工具箱构建模型[5],每个元件分别进行实际选型,元件参数来自于厂家产品资料,过程参数利用实验测定.3.1 蓄能过程仿真分析在MA TL AB/Sim ulink 环境下搭建了蓄能过程的仿真模型.整个模型的仿真参数的设定,与实际搭建的实验系统的产品资料保持一致.主要元件的仿真参数设定如下:液压泵排量Q p =1.5mL ,额定转速为2500r mi n -1,最低转速为800r mi n -1,额定压力为20MPa ,容积效率为83%;蓄能器公称容积根据系统状况,选取V 0=10L ,预充气压力p 0=2.65MPa ,最低压力设定为p 1=3.5MPa ,最高压力设定为p 2=11MPa ;过程中的气体多变指数根据实验测定为γ=1.27,测定γ值的方法如下:在蓄能过程中,蓄能器内的压力p a 和气体体积V 满足p a V γ=c (9)式中:γ为多变指数,在绝热过程中,γ=1.4,在等温过程中,γ=1,由于在蓄能过程中存在热交换,不是绝热过程,而气体被油液加热,温度上升,因此也不是等温过程,γ值需通过实验测定;c 为一个定值常数,与蓄能器内预充氮气的质量有关.又因为有V =V 0-V l ,其中V l 是蓄能器内的油液体积.由于泵的转速恒定,因此可以认为V l =Q p ηn t (10)式中:Q p 为泵的公称排量;η为泵的容积效率;n 为泵的转速;t 为时间.根据以上各式,可以推出p (t )=c (V 0-V p ηn t )-γ(11)式(11)中V p 和V 0已知,通过对实验中测定的不同时刻的压力值的p (t )值,对数据进行曲线拟合,即可求出c ,η和γ的值.于是可以知道在当时气候条件和实验条件下,近似的多变指数γ的值.如图4a 所示,仿真结果显示,在约282.5s 时,蓄能器内的油压上升到11MPa ,达到预先设定的最高压力.此时,蓄能器内充入的液压油体积期间的扭矩随着油压上升而上升,如图4b 所示,在282.5s 时达到最大值3N 整个仿真过程中的系统效率曲线如图5所示,在达到压力设定值M 时,系统效率约为%,此后随着压力的上升,液压泄漏进一步增大,从而导致系统效率的下降194.07m.11Pa 79.4. 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷图4 蓄能环节油压和扭矩仿真曲线Fig.4 Si mulat ion c ur ve of hydra ulic pr essur e a nd tor que i n e ner gy st or age p hase图5 蓄能环节效率曲线Fig.5 Si mulat ion c ur ve of ef f iciency3.2 发电过程仿真分析针对发电过程,在MA TLAB/Si muli nk 环境下建立了仿真模型.利用系统自带的液压元件库建立了蓄能器和液压回路,使用Dri veli ne 元件库对联轴器进行模拟,实现了转矩和转速的耦合.利用Sim ulink 库中的直流电机元件建立了直流发电机模型,DC Sensor 子系统会采集负载的电压值和电流值,并输出功率和负载端电压.分别采用不同的控制算法,对液压系统的输出流量和马达排量进行控制,并指定发电端电压为24V.仿真中的参数设置,仍然与完成选型的实验系统的各产品资料中的参数保持一致,主要参数如下:蓄能器公称容积V 0=10L ,初始压力为最高压力p 2=11MPa ,并设定工作最低压力p 1=3.5MPa ;液压马达采用电控式变量马达,排量范围可从0～10mL 连续变化.控制策略采用前面介绍的通过两次闭环分别对液压系统的流量和排量进行控制.外电阻负载额定电压24V ,功率52W.调速阀采用理想流量调节阀代替.图6是蓄能器出口压力和调速阀通过流量的仿真曲线,在大约351s 时,蓄能器压力从开始的最高压力p 2=11MPa 下降到设定的最低工作压力p 1=3.5MPa.由于采用了恒功率而不是恒流量控制,蓄能器的出口压力曲线的下降速度近似保持恒定,同时,随着压力的下降,系统的流量随之从0.48Lmi n -1上升到1.46L mi n -1.图6 蓄能器出口压力及系统流量仿真曲线Fig.6 Sim ulati on c ur ve of a cc umula tor p ress ure a nd syste m f low r at e 图7为端电压仿真曲线.图7a 是390s 内的仿真曲线,图7b 是开始的50s 内的仿真曲线.在约351s 时,蓄能器压力下降到设定的最低工作压力=35M 在整个仿真过程中,在大约6时达到最大值,电压最大值不超过V 电压的最大变化幅度不超过3%稳压效果是令人满意的294p 1.Pa.s 24.2.0.8.. 第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 图7 端电压仿真曲线Fig.7 Si mula tion cur ve of te r minal volt a ge图8 发电阶段效率曲线Fig.8 Sim ulati on c ur ve of ef f icie ncy 由于发电过程中外负载的功率保持恒定,在模型进入稳定状态后,液压部分的效率供给也保持恒定,因此发电部分的效率曲线如图8所示.在蓄能器工作压力下降到设定的最低工作压力p 1=3.5MPa 时,液压部分的效率为ηm =E 4/E 3=91.8%(12) 综上所述,整个液压部分的效率为ηh =ηp ηm ≈72.9%(13)即整套液压系统的效率是72.9%;即72.9%的输入到液压系统的机械能能够最终以机械能的形式重新输出,由此可以节约大量的制造成本、维护成本以及相应的电力稳压系统.考虑到风力发电机的实际应用情况,这个效率是可以令人满意的.4 结论从上述分析可以看出,新型液压传导储能系统的效率和稳压效果较好.若在现有系统中加以应用,可以带来以下优点:(1)可以将发电机和发电机的相关控制系统降至地面,如此可大幅度降低塔架和风机的制造成本.(2)由于采用了液压储能,可以做到异时发电,即在风力较大而耗电量较小时蓄能,在风力较小,而耗电量较大时,通过液压蓄能器补充能量.(3)在系统中应用一定的闭环控制算法,调节液压系统来进行稳压,可以取得较好的稳压效果.参考文献:[1] 王承煦,张源.风力发电[M ].北京:中国电力出版社,2003.WANG Chengxu ,ZHANG Yuan.Wind po wer generation [M].Beijing :C hi na Po wer Pres s ,2003.[2] 李豪,郑衡,何国锋.风力发电设备优化选型与电价关系的分析[J ].广东电力,2003,16(2):53-55.L I Hao ,ZH EN G Heng ,HE Guofeng.Anal ysi s o n rel at ion bet ween opti mum t ype sel ectio n of wi nd po wer generati ng app arat us and pow 2er rate [J ].Guangdo ng Elect ric P o wer ,2003,16(2):53-55.[3] 刘万琨,张志英,李银凤,等.风能与风力发电技术[M ].北京:化学工业出版社,2007.L IU Wankun ,ZHAN G Zhiying ,L I Y i nfeng ,et al.Wi nd 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技术推广液压站在风力发电机组中的应用分析欧新新(大唐河南清洁能源有限责任公司，河南郑州450000)摘要:随着煤炭资源的越加匮乏，世界各国都在寻找其他的可替代話，而风能作为一种清洁的可再生能源，逐渐被各国重视起来,近年风力发电在中国得到了高速的发展。
液压技术由于可以达到大功率输出、可靠的控制精度、所占空间少等要求，在风电行业中得到广泛的应用。
在变桨距风力发电机组中，液压站的主要任务是执行机组的高速轴刹车和偏航刹车以及锁风轮锁。
据此，从风电机组液压系统工作原理、日常维护保养2个方面去介绍液压站的应用。
通过对液压系统原理分析和功能介绍，可有效帮助检修人员对液压系统的日常维护，迅速排查故障，从而保障风电机组的安全可靠运行。
关键词:风力发电机组；液压系统；刹车机构应用风力发电机组通常有2套独立的制动系统，一套是气动刹车，主要是靠叶片的收桨,降低受风面积来完成减速,作者简介:欧新新(1994-),男，河南开封人，本科，助理工程师，研究方向：电气工程及其自动化。
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大型风力发电机组偏航系统介绍及故障分析X王晓东(中广核风力发电有限公司内蒙古分公司,内蒙古呼和浩特 010010) 摘 要:阐述了风力发电机组偏航系统的作用、结构和工作原理;分析了偏航系统常见故障,提出了解决方法。
关键词:风电机组;偏航;故障分析 中图分类号:T M614 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)03—0075—01 偏航系统是风力发电机组特有的控制系统。
对于水平轴风力发电机组,为了能达到最佳的风能利用效率,应使叶轮跟踪变化稳定的风向,因此需要一个系统装置使叶轮正面对风,这套装置通常称为“偏航系统”。
1 偏航系统作用风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。
被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式,常见的有尾舵、舵轮和下风向三种;主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式,常见的有齿轮驱动和滑动两种方式。
对于并网型风力发电机组来说,通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。
大型风力发电机组常采用电动的偏航系统来调整机组并使其对准风向,风力发电机的偏航系统作用主要有两个:一是当风的方向变化时,能够快速平稳地对准风向,这样可以使叶轮跟踪变化稳定的风向,以得到最大的风能利用率;二是由于风力发电机组可能持续一个方向偏航,为了保证机组悬垂部分的电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂、失效,在电缆达到设计缠绕值时能够自动解缆。
由此可见偏航系统在风力发电机组中的作用非常大。
2 偏航系统的组成及工作原理偏航系统是由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成。
图1为风电机组的偏航系统结构图。
偏航控制机构包括风向传感器、偏航控制器、解缆传感器等几部分。
偏航驱动机构一般由驱动电机、偏航行星齿轮减速器、传动齿轮、偏航轴承、回转体大齿轮、偏航制动器等几部分组成。
偏航驱动机构在正常的运行情况下,应启动平稳,转速均匀无振动现象。
偏航轴承的轴承内外环分别与机组的机舱和塔架连接器用螺栓连接,轮齿可采用外齿或内齿形式。
