1 偏航控制系統(tǒng)的分類與組成

1、1 偏航控制系統(tǒng)的分類與組成1.1偏航控制系統(tǒng)的分類偏航控制系統(tǒng)主要可分為被動偏航控制系統(tǒng)和主動偏航控制系統(tǒng)兩種。其中，被動偏航控制系統(tǒng)是當風輪偏離風向時，通過風壓所形成的轉(zhuǎn)矩使得風輪和風向相一致，其偏航力矩是由風力產(chǎn)生；主動偏航控制系統(tǒng)是應(yīng)用液壓機構(gòu)或者電動機、齒輪機來使風力機迎風。當前，我國多數(shù)大型風力發(fā)電機組均采用的是主動偏航控制系統(tǒng)，在本文中也主要分析的是主動偏航控制系統(tǒng)。1.2偏航控制系統(tǒng)的組成偏航控制系統(tǒng)屬于一種自動控制系統(tǒng)，主要是由控制器、執(zhí)行機構(gòu)、功率放大器以及偏航計數(shù)器等多個部分所組成。其各組成部分的工作原理框架圖，見下圖 1 所示。如圖 1 所示，偏航控制系統(tǒng)的工作原理為：

2、經(jīng)風向傳感器采集風向變化的數(shù)據(jù)，然后再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鳟斨?，?jīng)過功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)和偏航計數(shù)器的數(shù)據(jù)處理，并將已處理得到的數(shù)據(jù)作為參考標準進行檢測和判斷，以最終給出是否需要偏航以及偏航方向的指令，實現(xiàn)風輪能始終處于迎風狀態(tài)，以最大限度的吸收風能的目的。2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1.1 控制器設(shè)計偏航控制系統(tǒng)的硬件控制功能主要是由控制器來實現(xiàn)的。由于風向瞬時波動頻繁，但幅度不大，通常設(shè)置一定的允許偏差，如±8°，如果在此偏差范圍以內(nèi)，即可認為是對風狀態(tài)。當風輪偏航信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，進入到 CPU 中進行處理，再將所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，并經(jīng)過功率放

3、大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如果系統(tǒng)需進行人工操作，還可以通過人機交互平臺得以實現(xiàn)，CPU 還可用于和主控制器之間的信號交換。2.1.2 偏航執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計偏航執(zhí)行機構(gòu)主要由偏航軸承、偏航電動機、偏航減速機、偏航小齒輪、偏航齒圈、制動器、偏航液壓回路等設(shè)備所構(gòu)成。其中，對于偏航減速機的設(shè)計，由于偏航速度低，驅(qū)動裝置的減速器通常采用的是多級行星減速器或者蝸輪蝸桿與行星串聯(lián)的減速器。根據(jù)機組偏航傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要，可以布置多個減速機驅(qū)動裝置。裝配時必須通過齒輪嚙合間隙調(diào)整機構(gòu)正確調(diào)整各個小齒輪與齒圈的相互位置，使各個齒輪副的嚙合狀況相一致，以避免出現(xiàn)卡滯或偏載問題。2.1.3 偏航傳感器設(shè)計偏航傳感器主要用于采

4、集和記錄偏航位移信息。位移信息通常是以當?shù)乇毕驗榛鶞?，有方向性，同時傳感器的位移信息記錄也是控制器發(fā)出電纜解扭指令的主要依據(jù)。偏航傳感器的齒輪和偏航輪相嚙合，當機艙和塔架相對轉(zhuǎn)動時，可以將轉(zhuǎn)動信息記錄下來，用于限制發(fā)電機組電纜扭轉(zhuǎn)的次數(shù)。2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計由于偏航控制系統(tǒng)是采用的計算機控制，因此必須依賴于控制軟件，以保障偏航控制系統(tǒng)中各種功能的實現(xiàn)。本文所設(shè)計的系統(tǒng)軟件主程序控制流程，如下圖 3 所示。通過該系統(tǒng)軟件流程，可使偏航控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動偏航、人工偏航、90°側(cè)風以及自動解纜等多種功能。2.2.1 自動偏航功能當偏航控制系統(tǒng)接收到中心控制器發(fā)送的需要進行自動偏航的信號后，經(jīng)

5、過 3min 時間連續(xù)檢測風向情況。如果風向判定準確，同時機艙不位于對風位置時，則松開偏航制動，偏航電動機也開始啟動運轉(zhuǎn)，并開始偏航對風程序。同時，偏航計數(shù)器也開始工作，根據(jù)機艙所需偏轉(zhuǎn)的具體角度，使風輪軸線方向和風向相一致。2.2.2 手動偏航功能手動偏航控制主要包括了人工進行頂部機艙控制、面板控制以及遠程控制偏航這三種方式。2.2.3 自動解纜功能自動解纜功能是偏航控制器通過檢測偏航角度、偏航時間以及偏航傳感器，使出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況的電纜自動解開的控制過程。通常而言，當偏航控制器檢測到扭纜達到一定圈數(shù)時（可根據(jù)實際情況設(shè)置），如果風力發(fā)電機組處于暫停或啟動狀態(tài)時，則系統(tǒng)可控制自動解纜；如發(fā)電機組

6、正處于運行狀態(tài)時，則中心控制器將不允許解纜，偏航控制系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)進行正常偏航和對風跟蹤。如偏航控制器檢測到扭纜狀態(tài)達到保護極限時，偏航控制器通過軟件系統(tǒng)請求中心控制器正常停機，此時中心控制器允許偏航控制系統(tǒng)強制執(zhí)行解纜動作。當解纜完成后，偏航控制系統(tǒng)會發(fā)送解纜完成信號。2.2.4 90°側(cè)風功能風力發(fā)電機組的 90°側(cè)風功能是在風輪過速或遭遇切出風速以上的大風時，控制系統(tǒng)為了保證風力發(fā)電機組的安全，控制系統(tǒng)將對機艙進行 90°側(cè)風偏航處理。正是由于 90°側(cè)風功能是在外界風力對發(fā)電機組有較大影響的條件下，為確保機組安全所采取的措施，因此在該情況下，應(yīng)當使機

7、艙走最短路徑，并應(yīng)當屏蔽自動偏航指令。在側(cè)風結(jié)束后，還應(yīng)當抱緊偏航制動盤，同時當風向發(fā)生變化時，需繼續(xù)追蹤風向的變化，以確保風力發(fā)電機組的安全。90°側(cè)風功能的控制過程與自動偏航功能的控制相類似。3 總結(jié) 本文在對偏航控制系統(tǒng)的分類、組成及工作原理分析的基礎(chǔ)上，著重就系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方面的內(nèi)容進行了研究與探討。當前，對偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究，是我國風力發(fā)電機組大型化、批量化發(fā)展的需要，并具有顯著的經(jīng)濟效益與社會效益，值得我們?nèi)ミM一步探索與應(yīng)用。參考文獻1 倪受元 . 風力機的工作原理和氣動力特性J. 太陽能 ,2013(05).2 張新房 , 徐大平等 . 風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及若干問

8、題 J. 現(xiàn)代電力 ,2008(09).3 葉杭冶 . 風力發(fā)電機組的控制技術(shù) M.北京 : 機械工業(yè)出版社 ,2006.4 王承熙 , 張源 . 風力發(fā)電 M. 北京 : 中國電力出版社 ,2003.包括偏航電機和偏航減速齒輪機構(gòu)。 偏航驅(qū)動裝置通常采用開式齒輪傳動。大齒輪固定在塔架頂部靜止不動，多采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，小齒輪由安裝在機艙上的驅(qū)動器驅(qū)動。參見圖 4-3 和圖 4-4。為了得到對稱的驅(qū)動扭矩，在大型風力發(fā)電機組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動器驅(qū)動偏航系統(tǒng)。偏航驅(qū)動器多采用電機驅(qū)動，通過齒輪減速器得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動比很大，通常在 1：1000 左右，因此采用多級減速器，一般采用二到三級平行軸斜齒輪減速器和兩級行星減速器組合而成（BONUS 和 NEG-Micon 機組采用這種機構(gòu)）。也有采用一級渦輪減速器和一級行星減速器組合而成的減速器（VESTAS 機組采用這種機構(gòu)）。 4.2.2 偏航驅(qū)動裝置 包括偏航電機和偏航減速齒輪機構(gòu)。 偏航驅(qū)動裝置通常采用開式齒輪傳動。大齒輪固定在塔架頂部靜止不動，多采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，小齒輪由安裝在機艙上的驅(qū)動器驅(qū)動。參見圖 4-3 和圖 4-4。為了得到對稱的驅(qū)動扭矩，在大型風力發(fā)電機組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動器驅(qū)動偏航系統(tǒng)。偏航驅(qū)動器多采用電機驅(qū)動，通過齒輪減速器得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航