风力发电机组控制
第六章 液压与制动系统
1
液压与制动系统
主要内容
定桨距风力发电机组的液压系统
变桨距风力发电机组的液压系统
制动与安全保护系统
风力机组液压系统
风力发电机组的防雷接地系统介绍
兆瓦风机液压站外型图片
风力机组液压系统
风力机组液压系统
风力机组液压系统
风力机组液压系统
定桨距风力发电机组的液压系统
定桨距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的驱
动机构，主要用来执行风力机的开关机指令。通常它由两个
压力保持回路组成：
一路通过蓄能器供给叶尖扰流器；
一路通过蓄能器供给机械刹车机构。
定桨距风力发电机组的液压系统
1-油箱 2-液压泵 3-电动机 4-精滤油器 5-油位指示器 6-溢流阀 7-单向阀 8-蓄能器 9-压力开关 10-节流
阀 11-压力表 12-电磁阀（1） 13-电磁阀（2） 14-刹车夹钳 15-突开阀 16-电磁阀（3）
定桨距风力发电机组的液压系统
定桨距风力发电机组的液压系统
一、比例控制技术
比例控制技术是在开关控制技术和伺服控制技术间的过渡
技术；
它具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格
适中；
可实现对液压系统压力、流量、方向的无级调节。
变桨距风力发电机组的液压系统
位置反馈示意图
变桨距风力发电机组的液压系统
比例控制技术基本工作原理
变桨距风力发电机组的液压系统
阀芯位置传感器工作原理
变桨距风力发电机组的液压系统
闭环控制比例系统框图
液压变距系统
M 油泵
油箱
滤油器
溢流阀
压力传感器
节流阀
比例阀
蓄能器
可调
节流阀
A B
P T
电磁阀
先导止回阀
单向阀
压力开关
减压阀
刹车钳
90º
0º
VESTAS V39型
单向阀
油位开关
•压力传感器控制油泵启停，设定范围：130bar~145bar
•高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。
•溢流阀防止油压过高，设定值145bar
•系统维修时，可调节流阀用来释放来自蓄能器的压力油
•油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。
•油箱内设有PT100温度检测与报警，
液压泵站
变桨距风力发电机组的液压系统
液压变距系统
M 油泵
油箱
滤油器
溢流阀
压力传感器
节流阀
比例阀
蓄能器
可调
节流阀
A B
P T
紧急顺桨阀
先导止回阀
单向阀
压力开关
减压阀
刹车钳
90º
0º 变桨距控制
•控制器输出-10V~+10V，控制比例阀输出方向及大小，使叶片在-5º~88º之间变化。
•工作时紧急順桨阀通电，电磁阀1通电使先导止回阀双向流动。
•比例阀“直通”时，活塞向右运动，桨叶节距向-5º方向调节。
•比例阀“跨接”时，节距角向88º方向调节，液压缸左侧压力油回压力管路。
紧急顺桨阀
电磁阀1
电磁阀2
变桨距风力发电机组的液压系统
液压变距系统
M 油泵
油箱
滤油器
溢流阀
压力传感器
节流阀1
比例阀
蓄能器
可调
节流阀
A B
P T
紧急顺桨阀
先导止回阀
单向阀
压力开关
减压阀
刹车钳
90º
0º
液压系统停机状态
•紧急顺桨阀断电，压力油通过节流阀2进入液压缸右端。左端压力油经节流阀1回
油箱，順桨88º。
•电磁阀1断电，先导止回阀变为单向阀，防止风作用力矩使液压缸活塞向右运动。
•节流阀用来限制变桨速度在9º左右。
节流阀2
紧急顺桨阀
电磁阀1
变桨距风力发电机组的液压系统
液压变距系统
M 油泵
油箱
滤油器
溢流阀
压力传感器
节流阀
比例阀
蓄能器
可调
节流阀
A B
P T
电磁阀
先导止回阀
单向阀
压力开关
减压阀
刹车钳
90º
0º
制动机构
•开机指令发出后，电磁阀通电，制动卡钳排油到油箱，刹车被释放。
•停机指令发出后，电磁阀失电，蓄能器压力油进入制动液压缸，实现停机操作。
•制动器一侧装有螺杆活塞泵，用来当液压系统不能加压时制动风力机。
•压力开关用来检测制动压力，因压力过高（大于23bar）会造成传动系统的严重损坏。
螺杆活塞泵
变桨距风力发电机组的液压系统
变桨控制示意图
变桨距风力发电机组的液压系统
19
风轮动力传输与液力变矩器调速系统
变桨距风力发电机组的液压系统
20
变桨距风力发电机组的液压系统
德国Voith公司商业化的WinDrive装置
21
变桨距风力发电机组的液压系统
风力发电机功率对比
22
变桨距风力发电机组的液压系统
1、定桨距风力发电机组的制动系统
叶尖气动刹车
机械盘式刹车
制动系统按失效保护原则设计，一旦失电或液压系统失效即处于制动状态。
正常停机制动过程：电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触
器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部
刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。
安全停机制动过程：叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速
时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。
紧急停机制动过程：所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车
同时起作用；发电机同时与电网解列。
制动与安全保护系统
2、超速保护
•发电机或风轮转速超过额定转速110%时，控制器发出正常停机指令。
•叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置，风轮超速时，液压缸压力迅速上
升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在
控制系统失效时停机。
3、电网失电保护
电网一旦失电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀立即打开，实现失压制动紧急
停机。电网原因引起的停机，控制系统在电网恢复后10分钟自动恢复运行。
4、电气保护
•过电压保护：控制器对通过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力
•感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感器、通信电缆的隔离。
•雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。
5、紧急安全链
是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障
节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。
如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传
感器、控制器DC24V电源失电。紧急停机后安全链只能手动复位
制动与安全保护系统
风力发电机组安全保护
制动与安全保护系统
运行安全保护
大风安全保护：一般风速达到25米/秒（10分钟）即为停机风速，机组
必须按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必须90度对风控制。
参数越限保护：各种采集、监控的量根据情况设定有上、下限值，当数
据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。
过压过流保护：当装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过流时所进行的保
护。通常采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过流保护器等。
震动保护：机组应设有三级震动频率保护，震动球开关、震动频率上限
1、震动频率极限2，当开关动作时，控制系统将分级进行处理。
制动与安全保护系统
电网掉电保护：
控制系统电源中加设在线UPS后备电源，这样当电网突然
停电时，UPS自动投入，为风电机控制系统提供电力，使风
电控制系统按正常程序完成停机过程。
开机关机保护：
设计机组开机正常顺序控制，确保机组安全。在小风、大风
、故障时控制机组按顺序停机。
制动与安全保护系统
紧急停机安全链保护：
系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施；
安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串
联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，从而最大
限度地保证机组的安全。
发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、机组部件损坏、
机组振动、扭缆、电源失电、紧急停机按钮动作。
制动与安全保护系统
微机控制器抗干扰保护
风电场控制系统的主要干扰源有：
工业干扰：如高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等，
自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁爆等；
高频干扰：微波通讯、无线电信号、雷达等。
制动与安全保护系统
• 接地保护
接地保护是非常重要的环节。良好的接地将确保控制系统免受不必
要的损害。在整个控制系统中通常采用以下几种接地方式，来达到安全
保护的目的。
工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地。接地的
主要作用:
• 保证电器设备安全运行；
• 防止设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及人身安全。同时能使保护
装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。
制动与安全保护系统
制动过程有三种情况：
1.正常停机
2.安全停机
3.紧急停机
制动与安全保护系统
1. 正常停机
（1）如果发电机没有联网时，制动程序是：
1）电磁阀失电，释放叶尖扰流器。
2）风轮转速低于设定值时，第一部机械刹车投入。
3）如果叶尖释放后转速继续上升，则第二部机械刹车立即投入（大型风力发
电机组通常设有两组以上机械刹车）。
4）下一次刹车时，先投入第二部刹车，再投入第一部刹车。
5）停机后叶尖扰流器收回。
（2）如果发电机已经联网，制动程序是：
1）通过电磁阀释放叶尖，
2）当发电机转速（无论是大或小）降至同步转速时，发电机主接触器动作，
发电机与电网解裂。
3）风轮转速低于设定值时，第一部刹车投入。
4）如果叶尖扰流器释放后转速继续上升，则第二部刹车立即投入。
5）下一次使用刹车系统时，第二个投入的刹车先投入。
6）停机后叶尖扰流器收回。
制动与安全保护系统
2.安全停机
1）叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车。
2）当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器跳开，
第二部机械刹车被投入。
3）叶尖扰流器不收回。
3.紧急停机
1）所有的继电器、接触器失电。
2）叶尖扰流器和两部机械刹车同时投入，发电机同时与电
网解裂（发电机主接触器跳开）。
制动与安全保护系统
制动装置：
机械制动
空气动力制动
制动系统的工作原理
制动与安全保护系统
机械制动的工作原理是利用非旋转元件与旋转元件之间的
相互摩擦来阻止转动或转动的趋势。
制动与安全保护系统
制动器可以安装在齿轮箱高速轴上，也可以安装在齿轮
箱低速轴上。
安装位置
性能比较
低速轴上 高速轴上
优点 高可靠刹车直接作用
在风轮上可靠性高
刹车力矩小
刹车力矩不会变成齿
轮箱载荷
结构布置容易
缺点 刹车力矩很大 刹车力矩对齿轮箱有
载荷冲击
结构布置困难 安全性差
制动与安全保护系统
失速型风力机常用机械制动，出于可靠性考虑，制动器常装在低速轴
上；变桨距风力机使用机械制动时，制动器常装在高速轴上。
制动与安全保护系统
由于风轮超速飞车导致叶片断裂
制动与安全保护系统
风力发电机设有风轮锁定装置，如图所示，锁定装置由锁紧
手柄、机械销轴等组成。
制动与安全保护系统
带有叶尖扰流器的叶片
制动与安全保护系统
• 根据国外风场的统计数据：雷击事故中的40％～50％涉及
到风电机控制系统的损坏，15％～25％涉及到通讯系统，
15％～20％涉及到风机叶片，5％涉及到发电机。
• 我国一些风场统计雷击损坏的部件主要也是控制系统和监
控系统的通讯部件。
• 防雷是一个系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要
在风电场整体设计上考虑，采取多层防护措施。
制动与安全保护系统
雷电保护区域的划分
风力发电机组的防雷接地系统介绍
• 雷电保护区LPZOA
该区内的各物体都可能遭受直接雷击，同时在该区内雷电产
生的电磁场能自由传播，没有衰减。
• 雷电保护区LPZOB
该区内的各种物体在接闪器保护范围内，不会遭受直接雷击，
但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置，雷电产生的电磁场也能
自由传播，没有衰减。
• 雷电保护区LPZi（i=1，2，...）
当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，
并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。
风力发电机组的防雷接地系统介绍
风力发电机组的防雷接地系统介绍
在风向标风速仪信
号输出端加装信号
防雷模块防护，残
余浪涌电流为
20kA（8/20μs）,
响应时间小于等于
500ns。
风力发电机组的防雷接地系统介绍
雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮
毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。
叶片防雷
风力发电机组的防雷接地系统介绍
风力发电机组的防雷接地系统介绍
风力发电机组的防雷接地系统介绍
风力发电机组的防雷接地系统介绍
风力发电机组的防雷接地系统介绍
