CN202441540U - 一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电技术领域中基于压力检测的无阻尼液压偏航系统，它包括：电机、油泵、溢流阀、油箱、压力继电器、蓄能器及其安全阀组、比例阀、单向阀、低速大扭矩液压马达、偏航齿轮、压力传感器、偏航编码器、机舱内啮合齿圈、偏航计数器和风速风向仪。本实用新型的优点在于：基于压力检测的精确对风功能，可避免风速风向仪的检测误差对偏航系统产生的影响，同时又不引入复杂的功率控制策略；在偏航过程中取消阻尼偏航，减少刹车的摩擦磨损，避免传统阻尼偏航所产生的功率浪费。

Description

一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统

技术领域

本实用新型涉及适用于兆瓦级的大型风力发电机组，特别涉及风力发电技术领域的一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统。 

背景技术

大型风力发电机组一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、传动系统、变桨距机构、控制系统、塔架等部件组成。其中，偏航系统是风力发电机组必不可少的组成部分，其作用在于与风力发电机组的控制系统相配合，当风速矢量的方向变化时，风力发电机组的风轮能够快速平稳地对准风向，使其始终处于迎风状态，提高风力发电机组的发电效率。 

偏航系统的功能包括：在可用风速范围内自动准确对风；在非可用风速范围内能够90度侧风；在连续跟踪风向可能造成电缆缠绕的情况下实现自动解缆等。偏航系统可使风力发电机组运转平稳可靠，高效利用风能。 

偏航系统可分为主动偏航系统和被动偏航系统。其中，被动偏航系统不需另设偏航驱动装置，而是利用机械机构或尾舵等装置，在风的作用下使叶轮始终对准风向，这种结构成本低、制造维护方便，但一般只适合于非并网的小型风电发电机组；主动偏航系统设有偏航驱动装置，根据风向和风轮平面法线方向的偏差信号，通过传动机构使机舱连同风轮共同绕塔架轴心线旋转相应角度，实现对风功能；主动偏航系统虽结构复杂，但相对于被动偏航系统迎风过程可控，现有的水平轴大型并网风力发电机组均设置主动偏航系统。 

主动偏航系统的偏航驱动装置，大部分是利用偏航电机，通过齿轮减速器减速，得到合适的输出转速和扭矩，驱动机舱完成偏航功能；由于偏航速度很慢，减速器传动比通常很大，在1:1000 左右，因此需采用多级减速器，一般由二到三级平行轴斜齿轮减速器和两级行星齿轮减速器组合而成。主动偏航系统也可采用液压驱动装置，目前的液压驱动装置主要有两种方式：一种驱动方式是利用缠绕在回转支承上的钢丝绳两端的两个液压缸驱动，通过控制液压缸的往复运动，实现偏航、松绳、回缸几个运动，完成偏航过程；为了减小偏航驱动装置的体积，也可采用液压马达通过减速器驱动的方式。 

上述偏航系统运行过程中均采用阻尼偏航方式，增加刹车钳处摩擦磨损并产生较大功率浪费。同时，由于自然风的方向实时变化，需不断转动机舱使得风轮始终正面受风，以增大风能的捕获率，但由于风速风向仪的检测精度存在较大误差，不能精确检测风向，导致偏航系统很难准确控制机舱的转动位置，这不但降低了风能最大捕获率，同时使得对称的风力发电机组桨叶运行时受力不均，导致机组振动与风轮叶片疲劳；为克服风速风向仪检测误差对偏航系统的不利影响，需在较小控制角度内(一般15度内)引入功率控制方法，设计复杂控制策略实现机舱的精确对风，增加系统设计难度。 

发明内容

本实用新型针对风力发电机组传统主动偏航系统存在的不足，提出一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统，它是由电机、油泵、溢流阀、油箱、单向阀、压力继电器、蓄能器及其安全阀组、比例换向阀、单向阀、溢流阀、低速大扭矩液压马达、偏航齿轮、压力传感器、偏航编码器、机舱内啮合齿圈、偏航计数器和风速风向仪构成；  

所述电机带动油泵转动向液压偏航系统供油；油泵出口端顺序连接溢流阀、单向阀、蓄能器、压力继电器和比例换向阀的一端；蓄能器另一端与蓄能器安全阀组连接；比例换向阀的两个输出端与低速大扭矩液压马达两端连接，同时低速大扭矩液压马达两端与两组单向阀和溢流阀的一端连接，单向阀和溢流阀的另一端与油箱连接；低速大扭矩液压马达输出轴与偏航齿轮连接；偏航齿轮与机舱内啮合齿圈相啮合；机舱内啮合齿圈处安装有偏航编码器和偏航计数器；风速风向仪安装在机舱上；

所述油泵出口通过单向阀与蓄能器连通；蓄能器连接有蓄能器安全阀组，蓄能器为偏航系统提供辅助动力源，可使油泵处于间歇工作状态，既节约能源，降低设备制造成本，又保证在缺电和断电情况下偏航系统的正常运行；蓄能器安全阀组能够保证蓄能器的安全使用，防止发生由温度和压力变化引起的事故；电机启动和停止，由蓄能器出口管路的压力继电器控制，实现油泵为蓄能器补油功能；

所述低速大扭矩液压马达用于驱动偏航齿轮，提供足够转矩推动机舱内啮合齿圈转动，从而带动机舱连同风轮一起转动；四台低速大扭矩液压马达沿机舱内啮合齿圈圆周均匀布置，可保证机舱内啮合齿圈获得对称的驱动力矩，避免偏载现象；

所述低速大扭矩液压马达进出口管路均连接溢流阀和单向阀；溢流阀起安全阀作用，防止因管路压力过高引起液压元件和管路损坏，单向阀用于防止马达旋转过程中低压腔油液吸空；

所述偏航编码器用于检测机舱位置状况，其检测信号与风速风向仪检测的风向信号共同反馈至快速对风控制器中，通过控制比例换向阀实现快速对风功能；所述压力传感器实时检测液压马达两侧管路的油液压力信号，并将检测到的压力信号反馈至精确对风控制器中，通过控制比例换向阀向低速大扭矩液压马达的高压腔补充油液，再根据压力传感器检测低速大扭矩液压马达两侧管路的压力差是否在允许范围内，从而决定比例换向阀是否再次向低速大扭矩液压马达的高压腔补充油液，实现精确对风功能，以达到最大利用风能的效果；

所述偏航计数器用于检测机舱单方向的旋转圈数，当机舱单方向旋转2.5圈时，给出解缆触发信号，偏航系统完成解缆功能。 

由于液压系统具有柔性好、响应速度快等特点，将阻尼环节设计在电气控制系统中，模拟传统偏航过程中的阻尼力矩，可提高液压偏航系统阻尼，使液压偏航系统运转平稳，省去传统风力发电机组的阻尼偏航。同时，液压系统的柔性可缓解偏航过程中风向变化对偏航齿轮的冲击。 

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点： 

1、当风轮朝向信号与风向信号的偏差较小时，通过检测偏航系统液压马达两侧管路的压力差来控制机舱转动角度，实现偏航系统的精确对风功能。相对于传统的偏航系统，可避免风速风向仪的检测误差对偏航系统的影响，同时又不引入复杂的功率控制策略。

2、将阻尼环节设计在电气控制系统中，模拟传统偏航过程中的阻尼力矩，可提高液压偏航系统阻尼，减少刹车钳处的磨擦磨损，避免传统阻尼偏航产生的功率浪费。同时，液压系统的柔性可缓解偏航过程中风向变化对偏航齿轮的冲击。 

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。 

图中：1、电机，2、油泵，3、溢流阀，4、油箱，5、单向阀，6、压力继电器，7、蓄能器，8、蓄能器安全阀组，9、比例换向阀，10、单向阀，11、溢流阀，12、低速大扭矩液压马达，13、偏航齿轮，14、压力传感器，15、偏航编码器，16、机舱内啮合齿圈，17、偏航计数器，18、风速风向仪。 

具体实施方式

为便于了解本实用新型的具体原理及控制方法，通过附图详细说明本系统的详细实施例。 

如图1所示，电机1、油泵2、溢流阀3、油箱4、单向阀5、压力继电器6、蓄能器7、蓄能器安全阀组8、比例换向阀9、单向阀10、溢流阀11、低速大扭矩液压马达12、偏航齿轮13、压力传感器14、偏航编码器15、机舱内啮合齿圈16、偏航计数器17、风速风向仪18以及连通于油泵和所述液压马达之间的油管L1、L2。 

所述电机1带动油泵2转动向液压偏航系统供油；油泵2出口端顺序连接溢流阀3、单向阀5、蓄能器7、压力继电器6和比例换向阀9的一端；蓄能器7另一端与蓄能器安全阀组8连接；比例换向阀9的两个输出端与低速大扭矩液压马达12两端连接，同时低速大扭矩液压马达12两端与两组单向阀10和溢流阀11的一端连接，单向阀10和溢流阀11的另一端与油箱4连接；低速大扭矩液压马达12输出轴与偏航齿轮13连接；偏航齿轮13与机舱内啮合齿圈16相啮合；机舱内啮合齿圈16处安装有偏航编码器15和偏航计数器17；风速风向仪18安装在机舱上； 

所述液压马达12提供足够转矩推动机舱内啮合齿圈16转动，从而带动机舱连同风轮转动，采用4个液压马达沿机舱内啮合齿圈圆周均匀布置，可保证机舱内啮合齿圈16获得对称的驱动力矩，避免偏载现象；所述蓄能器7连接有蓄能器安全阀组8，蓄能器7为偏航系统提供辅助动力源，可使油泵2处于间歇工作状态，既节约能源，降低设备制造成本，又保证在缺电和断电情况下偏航系统的正常运行；蓄能器安全阀组8能够保证蓄能器7的安全使用，防止发生由温度和压力变化引起的事故；电机1启动和停止，由蓄能器7出口管路的压力继电器6控制，实现油泵2为蓄能器7补油功能；所述液压马达进出口管路L1和L2均连接溢流阀11和单向阀10，溢流阀11起安全阀作用，防止因管路内压力过高引起液压元件和管路损坏，单向阀10用于防止马达旋转过程中低压腔油液吸空。

所述偏航编码器15检测的风轮朝向信号与风速风向仪18检测的风向信号比较，当偏差信号值大于对风切换开关阈值时，偏差信号通过快速对风控制器、阻尼环节、限幅环节后，控制三位四通比例换向阀9的开口度，从而控制进入液压马达12的油液流量，通过液压马达12转动带动机舱连同风轮旋转，实现快速对风功能；当偏差信号值小于对风切换开关阈值时，由于偏差的存在会导致风轮受侧向气流影响，叶轮产生的偏航扭力表现为液压马达12两端管路中油液周期性的压力波动，压力传感器14检测管路L1和管路L2压力差并反馈至精确对风控制器中，通过阻尼环节、限幅环节后，控制三位四通比例换向阀9的开口度，向液压马达12高压腔补充一定油液；利用压力传感器14检测液压马达12两侧管路压力差是否在允许范围内，确定比例换向阀9是否再次向液压马达高压腔补油；当管路中油液的周期性压力波动减小到特定范围内，完成精确对风功能。 

所述偏航计数器17检测机舱单方向的旋转圈数，当机舱单方向旋转2.5圈时，给出解缆触发信号，偏航系统完成解缆功能。 

本实用新型针对不同偏航工况的具体工作原理如下： 

(1)启动

当风速风向仪18检测的风速信号达到风力发电机组切入风速时，风力发电机组液压偏航系统启动；偏航编码器15检测的风轮朝向信号与风速风向仪18检测的风向信号比较，利用风向信号偏差控制比例换向阀9，进入快速对风工况。

(2)快速对风 

偏航编码器15检测的风轮朝向信号与风速风向仪18检测的风向信号比较，当偏差信号值大于对风切换开关阈值时，偏差信号通过快速对风控制器、阻尼环节、限幅环节后，控制三位四通比例换向阀9的开口度，蓄能器7油液经比例换向阀9、管路L1(或L2)进入液压马达12左(右)腔，液压马达右(左)腔油液经油管L2(或L1)，通过比例换向阀9回到油箱4；当偏航编码器15检测的机舱位置与风速风向仪18检测的风向信号偏差值达到15度以内时，进入精确对风工况。

(3)精确对风 

由于风速风向仪18的检测精度存在较大误差，无法精确测量实际风向，故引入基于压力检测方法的精确对风功能。偏航编码器15检测的风轮朝向信号与风速风向仪18检测的风向信号比较，当偏差信号值小于对风切换开关阈值时，由于偏差的存在会导致风轮受侧向气流影响，叶轮产生的偏航扭力表现为液压马达两端管路中油液周期性的压力波动，压力传感器14检测管路L1和管路L2压力差并反馈至精确对风控制器中，通过阻尼环节、限幅环节后，控制三位四通比例换向阀9的开口度，蓄能器7油液经比例换向阀9、管路L1(或L2)进入液压马达12高压腔，液压马达12低压腔油液经油管L2(或L1)，通过比例换向阀9回到油箱4，实现液压马达12高压腔的定量补油过程；利用压力传感器15检测液压马达12两侧管路压力差是否在允许范围内，确定比例换向阀9是否再次向液压马达12高压腔补油；当管路中油液的周期性压力波动减小到特定范围内，完成精确对风功能。

(4)解缆 

偏航计数器17检测机舱单方向的旋转圈数，当机舱单方向旋转2.5圈时，给出解缆触发信号，解缆控制器控制比例换向阀9，蓄能器7油液经比例换向阀9、管路L1(或L2)进入液压马达12左(右)腔，液压马达12右(左)腔油液经油管L2(或L1)，通过比例换向阀9回到油箱4；偏航编码器15检测机舱位置，当机舱回到初始位置时，偏航系统完成解缆功能。

(5)90度侧风功能 

当风速风向仪18测量风速达到风力发电机组切出风速时，控制器控制比例换向阀9，蓄能器7油液经比例换向阀9、管路L1(或L2)进入液压马达12左(右)腔，液压马达12右(左)腔油液经油管L2(或L1)，通过比例换向阀9回到油箱4；偏航编码器15检测机舱位置，当机舱位置与风速风向仪检测的风向信号相差90度时，90度侧风功能完成，进入停机工况。

(6)停机 

比例换向阀9失电处于中位，封闭液压马达12两端管路L1和L2中油液，液压马达12停止旋转，机舱停止动作；当风速风向仪18检测风速大小，达到风力发电机组的切入风速时，进入启动工况。

上述工况中，四个低速大扭矩液压马达12相互并联，均匀布置，通过机舱内啮合齿圈16，提供足够的转矩带动机舱转动，从而实现机舱位置的闭环控制；蓄能器7为偏航系统提供液压辅助动力源，蓄能器安全阀组8用于防止因温度和油液压力变化引起的事故；电机1启动和停止，由蓄能器7出口管路的压力继电器控制，实现为蓄能器7补油的功能；溢流阀11起安全阀作用，防止管路压力过高引起的液压元件和管路损坏；单向阀10用于防止马达旋转过程中低压腔油液吸空；偏航过程中不使用阻尼偏航，同时液压系统的柔性可缓解风向变化对偏航齿轮13的冲击。 

Claims (2)

1.一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统，其特征在于：它是由电机(1)、油泵(2)、溢流阀(3)、油箱(4)、单向阀(5)、压力继电器(6)、蓄能器(7)及其安全阀组(8)、比例换向阀(9)、单向阀(10)、溢流阀(11)、低速大扭矩液压马达(12)、偏航齿轮(13)、压力传感器(14)、偏航编码器(15)、机舱内啮合齿圈(16)、偏航计数器(17)和风速风向仪(18)以及连通于油泵和所述液压马达之间的油管L1、L2构成；

所述电机(1)带动油泵(2)转动向液压偏航系统供油；油泵(2)出口端顺序连接溢流阀(3)、单向阀(5)、蓄能器(7)、压力继电器(6)和比例换向阀(9)的一端；蓄能器(7)另一端与蓄能器安全阀组(8)连接；比例换向阀(9)的两个输出端与低速大扭矩液压马达(12)两端连接，同时低速大扭矩液压马达(12)两端与两组单向阀(10)和溢流阀(11)的一端连接，单向阀(10)和溢流阀(11)的另一端与油箱(4)连接；低速大扭矩液压马达(12)输出轴与偏航齿轮(13)连接；偏航齿轮(13)与机舱内啮合齿圈(16)相啮合；机舱内啮合齿圈(16)处安装有偏航编码器(15)和偏航计数器(17)；风速风向仪(18)安装在机舱上；

所述油泵(2)出口通过单向阀(5)与蓄能器(7)连通；蓄能器(7)连接有蓄能器安全阀组(8)，蓄能器(7)为偏航系统提供辅助动力源，可使油泵(2)处于间歇工作状态，既节约能源，降低设备制造成本，又保证在缺电和断电情况下偏航系统的正常运行；蓄能器安全阀组(8)能够保证蓄能器(7)的安全使用，防止发生由温度和压力变化引起的事故；电机(1)启动和停止，由蓄能器(7)出口管路的压力继电器(6)控制，实现油泵(2)为蓄能器(7)补油功能；

所述低速大扭矩液压马达(12)用于驱动偏航齿轮(13)，提供足够转矩推动机舱内啮合齿圈(16)转动，从而带动机舱连同风轮转动；低速大扭矩液压马达(12)为四台沿机舱内啮合齿圈(16)圆周均匀布置，可保证机舱内啮合齿圈(16)获得对称的驱动力矩，避免偏载现象；

所述低速大扭矩液压马达(12)进出口管路均连接溢流阀(11)和单向阀(10)；溢流阀(11)起安全阀作用，防止因管路压力过高引起液压元件和管路损坏，单向阀(10)用于防止马达旋转过程中低压腔油液吸空；

所述偏航编码器(15)用于检测机舱位置状况，其检测信号与风速风向仪(18)检测的风向信号共同反馈至快速对风控制器中，通过控制比例换向阀(9)实现快速对风功能；所述压力传感器(14)实时检测液压马达两侧管路的油液压力信号，并将检测到的压力信号反馈至精确对风控制器中，通过控制比例换向阀(9)向低速大扭矩液压马达(12)的高压腔补充油液，再根据压力传感器检测低速大扭矩液压马达(12)两侧管路的压力差是否在允许范围内，从而决定比例换向阀(9)是否再次向低速大扭矩液压马达(12)的高压腔补充油液，实现精确对风功能，以达到最大利用风能的效果；

所述偏航计数器(17)用于检测机舱单方向的旋转圈数，当机舱单方向旋转2.5圈时，给出解缆触发信号，偏航系统完成解缆功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力检测的无阻尼液压偏航系统，其特征在于：低速大扭矩液压马达(12)为四台沿机舱内啮合齿圈圆周均匀布置。

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