毕业设计论文风力机偏航系统的设计与控制.doc

1、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）风力机偏航系统的设计与控制摘 要随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、天然气为的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的环境污染。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界的重视，而风力机的偏航系统能使风能得到更好的利用，所以偏航系统的设计非常的重要。偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统。它主要有两个功能一是当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能;二是当风力发电机组由

2、于偏航作用，机舱内的电缆发生缠绕时，自动解缆。本课题就是要完成偏航系统的设计与控制，让风力发电机更好更高效的运行。关键词：风力发电；风向信号；偏航控制系统；偏航机构；DESIGN AND CONTROL OF YAW SYSTEM FOR WIND TURBINE AbstractWith the development of social economy, the needs of the electricity is increasing day by day. With oil, coal, and natural gas as the conventional energy, not

3、only limited resources, and it will cause severe environmental pollution after using. We enter the 21 st century, world energy structure is pregnant with the major shift, namely the fossil fuel system change to renewable energy it is based sustainable energy system. Wind power as inexhaustible, an u

4、nlimited supply of green clean energy has received the worlds attention,And the yaw system for wind turbine can make better use of the wind power, so the design of the yaw system is very important.Yaw system is a peculiar servo system of wind power generators . It has two main functions when the dir

5、ection of the wind vector changes,it can quickly on the direction of the wind, smoothly to get the maximum wind; the rotor two it is because yaw role of the wind power generators , the cabin raises cable happen twists, automatic solution cable. This subject is to complete design and control of the y

6、aw system , let the wind generator better and more efficient operate.Key words: Wind Power Generation;Wind Direct Signal; Yaw Control System; Yaw Drive Framework;目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题提出背景11.2课题的研究意义11.3国内外风力发电概况11.3.1世界风电发展11.3.2我国风电发展21.4课题主要工作32 风力发电机组系统基本组成及功能简介42.1风力机桨叶系统42.2 风力机齿轮箱系统42.3发

7、电机系统52.4控制系统62.5偏航系统72.6刹车系统73 偏航控制结构和驱动机构93.1 偏航控制机构93.1.1 风向传感器93.1.2偏航控制器103.1.3解缆传感器103.2 偏航驱动机构103.2.1 偏航轴承103.2.2 偏航驱动装置113.2.3 偏航制动器124 风力机偏航控制过程134.1 自动偏航134.2 90度侧风174.3 人工偏航174.4 自动解缆17总结19参考文献20致谢221 绪论1.1课题提出背景电能作为一种应用最广泛和最方便的二次能源，己经成为当今社会发展必不可少的条件。电能的利用渗透到生产和生活中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平和人们生活

8、水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、天然气为主的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的环境污染。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界的重视。在众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着叶片空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，

9、风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全叶片变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代初的50提高到98以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制；风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。1.2课题的研究意义由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与西方发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱，只掌握了定桨距跟失速型风力发电机组的制造技术，风力发电机组的大型化、变桨距控制技术

10、主动失速控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还远未解决，致使我国大型风力发电机组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人。因此，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。1.3国内外风力发电概况1.3.1世界风电发展近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势。根据全球风能委员会报告，2005 年全世界新增风电装机容量11769 兆瓦，比上年增加

11、3562 兆瓦，增长43%；新增风电总投资达120 亿欧元或140 亿美元。截至2005 年底，世界风电装机总容量为59322 兆瓦，同比上年增长25%。目前，已有48 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。2005 年，世界风电装机容量前6 位的国家，依次为德国18428 兆瓦、西班牙10027兆瓦、美国9149 兆瓦、印度4430 兆瓦、丹麦3122 兆瓦和意大利1717 兆瓦。其他一些国家包括英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的风电装机容量都达到了1000 兆瓦。2005 年就新增装机容量而言，世界前6 位分别为美国2431 兆瓦，高居首位；

12、其次是德国1808 兆瓦；其他依次为西班牙1744 兆瓦、印度1430 兆瓦、葡萄牙500 兆瓦和中国498 兆瓦。截至2005 年底，欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量为40500 兆瓦，占全世界风电总装机的69%，比上年增长18%，约提供了欧盟近3%的电力消费量，提前实现了到2010 年风电装机容量达到40000 兆瓦的目标。全世界风力发电每年以30%左右的速度增长，据预测，到2020 年风力发电将占世界电量的20%。1.3.2我国风电发展在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节

13、风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。新华社报道，截至2006 年10 月，内蒙古自治区克什克腾旗的风电装机容量达80160 千瓦，占全国风电装机总容量的10.54%，年发电量达1.6 亿千瓦时。克什克腾旗风能资源十分丰富。自1999 年首批2 台单机600 千瓦风机投入运行以来，到2005 年由大唐集团公司投资3.5 亿元兴建的塞罕坝一期

14、36 台单机850 千瓦风电机组投入运营，克什克腾旗规划的5 个风电场已建成了4 个，共装风机109 台。中国 2004 年电力新投产的装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，有可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。1.4课题主要工作本课题为风力机偏航系统的设计与控制主要做以下几方面工作：l 深入了

15、解分析偏航系统应实现的功能l 熟悉并掌握偏航系统的机械结构l 对偏航系统的控制结构进行设计本文首先分析偏航系统应该具有的功能，做出整体的设计思路，然后，根据系统要实现的功能进行各个结构的设计。2 风力发电机组系统基本组成及功能简介目前，风力发电机组系统有：异步感应风力发电机系统，同步风力发电机系统和双馈风力发电机系统。目前研究最多的也是双馈感应风力机系统，与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等但无论哪种结构形式，风力发电机系统基本包括以下几个组

16、成部分：风力机桨叶系统，齿轮箱系统，发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。2.1风力机桨叶系统风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机。对于定桨距系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变。这一特点，给定桨距风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的，称桨叶的这一特性为自动失速性能。由于运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具

17、备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时打开，由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。对于变桨距系统，叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。随着风力机单机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的

18、叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。2.2 风力机齿轮箱系统由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。齿轮箱系统的特点是:（1)低速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。（2)输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。国外一般采用2-4 极的发电机。风力

19、发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达 20 年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。图2-1 所示为某1.5WM 风力机齿轮箱结构图。该齿轮箱系统是一个3 级行

20、星/螺旋（斜齿轮）复合机构。图 2-1 齿轮箱结构图（3 级复合结构）2.3发电机系统现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。目前，这种发电机形式成为各风电制造厂商生产的主流形式。但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步

21、发电机形式。这种直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。图2-2所示为双馈异步感应发电机系统，通过轴承与齿轮箱机构联结。图2-2 双馈异步感应发电机系统结构图2.4控制系统定桨距风力机控制系统由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定；发电机的转速则是由电网频率限制。所以，在允许的风速范围内，该形式的控制系统在运行过程中对由于风速的变化引起输出量的变化是不作任何

22、控制的。变桨矩风力发电机组，则在控制性能方面，大大改善，不但在起动时可对转速进行控制，在并网后则可对功率进行控制。相对于定桨距风力发电机组来说，变桨距风力发电机组的液压系统也不再是简单的执行机构，作为变距系统，它自身是一个闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，控制系统水平得到了极大的改善和提高，并逐渐发展成熟。图2-3 所示为风力发电机控制系统的结构，针对此控制系统，选用集散型或分布式工业控制计算机，是绝大多数风力发电机组选用的形式。其优点是有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采焦信号讲行处理。这样就避免了各类传感器和舱内执

23、行机构与地面主控制器之间的通信线路及控制线路。主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网风况及风力发电机组的运行参数进行监控，并与其它控制模块保持通信，通过对各方面的情况进行综合分析后，发出控制指令，实现控制目的。图2-3 控制系统结构图2.5偏航系统风力发电系统的偏航控制系统，主要分为两大类：被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。为了保证风力发电机组发挥最大效能，机舱必须准确对风，只有在风力发电机叶轮法线方向与风向一致时，才能确保风力机吸收的功率最大。

24、2.6刹车系统不管哪种形式的风力发电机组，对风速都有一定的范围要求。当风速不在设计的范围时，风力发电机就处于刹车停机状态。如果风力发电机在运行过程中，风速高于设计范围，机组应立即发出刹车指令，防止风轮失速引起风力发电机组的破坏。此外，当风速低于实际范围时和在检修机组时，也应该使机组处在刹车状态，以防机组损坏及人员伤害。同时根据不同的工作要求，刹车装置分别处在开与关的状态。风力发电机中有两种刹车装置：空气动力刹车与机械刹车。定桨距风力发电机组设计中普遍采用的叶尖扰流器形式的空气动力刹车。变桨距风力发电机的空气动力刹车是通过桨叶迎角的变化来实现的。制动系统的驱动机构是液压系统，主要用来执行风力机的

25、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(变桨距风力发电机是供给变桨距机构)，另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。机械刹车主要作为辅助刹车系统，其结构大多为盘式刹车系统。现代风力发电机组的机械刹车系统一般安装在高速轴上。3 偏航控制结构和驱动机构风力机的偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成，其中偏航控制机构包括：（1）风向传感器（2）偏航控制器（3）解缆传感器机械驱动机构包括：（1）偏航轴承（2）偏航驱动装置（3）偏航制动器偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，机械驱动机构则是偏航系统的执行机构。3.1 偏航控制机构偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于

26、控制风轮跟踪变化稳定的风向，并且具有当电缆发生缠绕时，能够自动解除缠绕功能。3.1.1 风向传感器风向标一般是由尾翼、指向杆、平衡锤以及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。在风的动压力作用下，取得指向的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。传送和指示风向标所在方位的方法有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘四种类型，其中最常用的是码盘。图3-1是一种目前风力发电机组常采用的风速风向传感器。图3-1 风速风向传感器风向标作为感应元件将风向变化信号转换为电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，处理器经过比较后给偏航电机发出顺时针或逆时针

27、的偏航指令。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，电机停止转动，偏航过程结束。3.1.2偏航控制器偏航控制器负责接受和处理信号，根据控制要求，发送控制命令。随着数字处理信号技术的发展，采用嵌入式微处理器或者DSP 等作为控制器成为研究应用的趋势。3.1.3解缆传感器由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，有时由于风向的变化规律，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定的值，将造成电缆的损坏。为了防止这种现象的发生，通常安装有解缆传感器

28、解缆传感器安装在机舱底部，通过一个尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合，这样在偏航过程中，尼龙齿轮也一起转动。通过蜗轮、蜗杆和齿轮传动多级减速，驱动一组凸轮，每个凸轮推动一个微动开关工作，发出不同的信号指令。微处理器通过各个微动开关的信号来判断是否需要解缆，向哪个方向解缆以及何时停止解缆等。有的风力机的解缆传感器中设置了有条件解缆和无条件解缆两种解缆信号，目的是保证电缆在扭转圈数较少的情况下，在无功率输出或停机的情况下就进行解缆，以减少解缆时的停机次数和功率损失。不同的风力机型号，其解缆圈数、凸轮数量和形状以及控制信号又会有所差别。在BONUS600kW风力机上使用的是电子式解缆传感器，将机舱在圈的位置

29、信号转化为4-20mA 的电流信号，经微处理器累计计算偏航圈数来控制解缆，该传感器除了能控制解缆外，还能显示机舱的位置。 3.2 偏航驱动机构图 3-2 显示了一个变桨距风力机控制系统中的各组成部分，偏航驱动机构包括偏航轴承，偏航驱动装置和偏航制动器。3.2.1 偏航轴承常用的偏航轴承有滑动轴承和回转轴承两种类型。滑动轴承常用工程塑料做轴瓦,这种材料即使在缺少润滑的情况下也能正常工作。轴瓦分为轴向上推力瓦、径向推力瓦和轴向下推力瓦三种类型，分别用来承受机舱和叶片重量产生的平行于塔筒方向的轴向力，叶片传递给机舱的垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩。从而将机舱受到的各种力和力矩通过这三种轴瓦传

30、递到塔架。回转支承是一种特殊结构的大型轴承，它除了能够承受径向力、轴向力外，还能承受倾覆力矩。这种轴承已成为标准件大批量生产。回转轴承通常有带内齿轮或外齿轮的结构类型，用于偏航驱动。目前使用的大多数风力机都采用这种偏航轴承。图3-2 偏航驱动机构示意图3.2.2 偏航驱动装置包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。偏航驱动装置通常采用开式齿轮传动。大齿轮固定在塔架顶部静止不动，多采用内齿轮结构，小齿轮由安装在机舱上的驱动器驱动。为了得到对称的驱动扭矩，在大型风力发电机组上通常由两台或多台驱动器驱动偏航系统。偏航驱动器多采用电机驱动，通过齿轮减速器得到合适的输出转速和扭矩，由于偏航速度很慢，减速器传动比

31、很大，通常在1：1000 左右，因此采用多级减速器，一般采用二到三级平行轴斜齿轮减速器和两级行星减速器组合而成。也有采用一级涡轮减速器和一级行星减速器组合而成的减速器。为了减小偏航驱动器的体积，也有采用低速大扭矩液压马达驱动，通过一级行星减速器装置。这些偏航驱动器均采用了传统的驱动装置，驱动电机、多级减速器、液压马达都已经是标准化、系列化的产品，因此在技术上都比较成熟，选用也很方便。但在NEDWIND 机组中却采用了一种其他类型的驱动装置钢丝绳驱动，通过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，完成偏航运动行程，使机舱偏转一个角度。如

32、此往复运动，实现机舱的间歇性偏航。由于每个行程中都有松绳和回缸运动，运动是间歇的，因此效率很低。通常40 分钟偏航一圈。而且这种偏航驱动采用电磁阀、复杂的控制油路和电控系统来控制，因此故障率很高。由于采用摩擦传动，容易发生打滑现象，经常发生大风和霜冻天气因打滑无法偏航的情况。图3-3 偏航驱动装置结构简图3.2.3 偏航制动器为了保证风力机停止偏航时不会因叶片受风载荷而被动偏离风向的情况，风力机上多装有偏航制动器。采用滑动轴承的偏航系统，因轴瓦处于干摩擦和边界摩擦状态，摩擦阻力很大，加上下推力瓦上弹簧的压力，更加大了偏航时的阻力，因此采用这种轴承的偏航系统，停止偏航时，机舱不会被动偏离风向。采

33、用回转轴承的偏航系统，因回转轴承为滚动摩擦，摩擦阻力小，因此必须采用偏航制动器，以防止停止偏航时机舱被动偏离风向。偏航制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器两种，通常采用液压制动。这种制动器在液压驱动管路上一般装有一个预压阀，以使在松闸状态时，制动液压缸仍保持有很小的压力，使偏航过程中仍有一定的阻力，以保证偏航的稳定性。偏航制动器也有采用制动电机的，为了保证偏航的稳定性，在回转轴承上另外加有一个摩擦阻尼环。4 风力机偏航控制过程偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。它的功能有两个：一是要控制风轮跟踪变化稳定的风向；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内

34、引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。风力机偏航的原理是偏航电动机带动风力机机舱负载使其根据传感器发出的信号，进行位置调整，以达到对风。工作原理即通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。图4-1 偏航控制原理框图为了实现这样的伺服控制，首先要对整个偏航系统的控制过程进行分析。偏航系统的控制过程可以分为：风向标控制的自动偏航，人工偏航，风向标控制的90 度侧风，自动解缆4.1 自动偏

35、航该过程是通过风向传感器输出信号，由计算机判断偏航情况，并给出偏航控制。风向是随机的，为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统计算机发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。在实际的偏航控制中，带有解缆传感器的自动偏航控制过程分析：连续一段时间检测风向情况；根据自动偏航风向标传感器ASS 信号给出偏航控制指令。当ASS=00 时，表明机舱己处于对风位置；若ASS=11，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读上次钝角偏航方向并取其反方向，记录此次偏航方

36、向；若ASS=01， 设置偏航电机正转，若ASS10，设置偏航电机反转；偏航电机工作后启动偏航计时器计时，控制偏航电机运转一定时间，再判断ASS 是否为00，若ASS=00，表明机舱已对风，否则判断计时时间是否超过偏转360 度所需时间，若计时时间超过偏转360 度所需时间偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若ASS00，偏航计时时间不超过偏转360 度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到ASS=00，向中心控制器发出自动偏航完成信号并复位自动偏航标志位。自动偏航传感器ASS 状态示意图如图4-2 所示，参数说明和电机运行状态如表4-1 所示，自动

37、偏航控制流程图如图4-3 所示。 00 01 10 11 图4-2 自动偏航传感器状态示意图（双箭头线表示风向标0 度位置）表4-1 自动偏航传感器ASS 参数说明和电机运行状态ASS 设置 电机状态00 已对风（在偏航精度内） 停止01 锐角偏航偏航 电机正转10 锐角偏航偏航 电机反转11 钝角偏航 视上次偏航情况图4-3 自动偏航控制程序流程图图4-4 偏航电机电气连接原理图图 4-5 自动偏航控制梯形图4.2 90度侧风90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下(例如出现特大强风)，为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90度侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令

38、在侧风结束后应当抱紧偏航闸，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。控制过程如下:根据90度侧风风向标传感器的信号，当=90或270时，表明机舱己处于90度侧风位置；若090,或180 90或270，偏航计时时间不超过偏转360度所需时间时，控制偏航电机继续运转。直到=90或270，向中心控制器发出90度侧风完成信号并复位90度侧风标志位。4.3 人工偏航人工偏航是指在自动偏航失败、人工解缆或者是在需要维修时，通过人工指令来进行的风力发电机偏航措施。人工偏航控制过程如下:首先检测人工偏航起停信号。若此时有人工偏航信号，再检测此时系统是否正在进行偏航操作。若此时系统无偏航

39、操作，封锁自动偏航操作，若系统此时正在进行偏航，清除自动偏航控制标志；然后读取人工偏航方向信号，判断与上次人工偏航方向是否一致，若一致，松偏航闸，控制偏航电机运转，执行人工偏航；若不一致，停止偏航电机工作，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行运转并记录转向，直到检测到相应的人工偏航停止信号出现，停止偏航电机工作，抱闸，清除人工偏航标志。4.4 自动解缆自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞

40、断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。若因故障， 自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。凸轮控制的自动解缆过程如下:根据角度传感器CW 和CCW 所记录的偏转角度情况，确定顺时针解缆还是逆时针解缆。首先松偏航闸，封锁传感器故障的报告，

41、当需要解缆且记录CW 为1 时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录CCW 为1 时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心传感器信号，直到偏航传感器中心信号为0，则结束解缆；此时停止偏航电机工作，系统处于待机状态，向中心控制器发出自动解缆完成信号。纽缆开关控制的安全链保护；若凸轮控制的自动解缆未能执行，则纽缆情况可能会更加严重，当纽缆达到极值圈数时（比如设定3 圈），纽缆开关将动作，此开关动作将会触发安全链动作，向中心控制器发出紧急停机信号和不可自复故障信号，等待进行人工解缆操作。自动解缆控制梯形图如图4-6 所示。图 4-6 自动解缆控制梯形图总结电能作为一种应用最广泛和最方便的二次能

42、源，己经成为当今社会发展必不可少的条件。电能的利用渗透到生产和生活中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平和人们生活水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、天然气为主的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的环境污染。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界的重视。在众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域

43、存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与西方发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱。偏航系统作为风力发电机组特有的伺服系统，它能使风能得到更好的利用，所以偏航系统的设计非常的重要。本课题的主要目的是对风力机偏航系统的设计与控制。首先对风力发电机组系统的基本组成分别做了简要的介绍，并对系统的主要部分进行了功能分析。然后给出了偏航控制系统的控制机构和驱动机构的组成以及各部分的功能、工作原理。最后为了实现偏航系统的伺服控制，分析了偏航控制的几个过程：风向标控制的自动偏航，人工偏航，风向标控制的90侧风，自动解缆；同时给出了部分控制过程的流程图及梯形图。参考文献1 李勇东

44、中国风力发电的发展现状和前景J电气时代，2007(3)：16202 岑海堂，薛正福大型风电机组发展现状与关键技术J科技创新导报，2008 5(24)：78813 徐德，诸静.风力发电机风向随动控制系统J.太阳能学报，2000，21（2）： 187-188.4 李本立风力机结构动力学M北京:北京航空航天大学出版社，2005.5 蔡晓明，长征电器介入风电设备制造领域，证券时报，2006.6 宁夏日报，首批宁夏生产制造的风力发电机组问世，宁夏日报，2006.7 马洪飞，徐殿国，苗立杰. 几种变速恒频风力发电系统控制方案对比分析J. 电工技术杂志，2000，（10）：1-4.8 倪受元. 风力发电讲座

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