風力發(fā)電偏航控制系統(tǒng)講解

1、風力發(fā)電偏航控制系統(tǒng)的研究0引言風能是一種清潔能源，在人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展中有著重要作用，由于它的作用 大，故此 吸引的許多人的開發(fā)，風力發(fā)電更是受到廣大的青睞。其可靠優(yōu)秀可靠優(yōu)秀也被更多人認識。本文主要是對風力偏航控制系統(tǒng)的組成和原理做一個簡單的了解，偏航系統(tǒng)主要是由偏航控制機構和偏航驅動機構兩大部分組成，控制機構包括風向傳感器，偏航 控制器，解纜傳感器組成，而驅動機構是由偏航軸承，偏航驅動裝置，偏航制動器組成。本課題也是在了解了風力發(fā)電的一些基本原理的前提下面，進一步對偏航做一個更好的認識，了解簡單的控制流程。同樣就風力在全世界的快 速發(fā)展，因此帶動 了一大批產(chǎn)業(yè)的崛起，它對世界經(jīng)濟的上 升

2、帶來了不可忽視的重大作用。1風力發(fā)電概況國外風力發(fā)電的發(fā)電根據(jù)全國風能理事會發(fā)布的全球風電市場裝機數(shù)據(jù)，2011年，全球新增風 電裝機達 到237669MW。這一數(shù)據(jù)表明全球累計裝機實現(xiàn)了21%的年增長，新裝數(shù)據(jù)達到6%o到目前，全球75個過國家有商業(yè)運營的風電裝機，其中 22個國 家的裝機容 量超過lOOOMWo 996A2011年全球風電發(fā)展情況如圖 1-1和圖1-2。400003000015000Mb Wr500012801530 25201996187 1998400003000015000Mb Wr500012801530 25201996187 1998國內(nèi)風力發(fā)電的發(fā)展風電行業(yè)在

3、2011年仍然保持了較快的發(fā)展，根據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到 2011年12月末，中國風電累計裝機容量達6580. 12月末，中國風電累計裝機容量達6580. 21萬千瓦（包括已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電和等待并網(wǎng)發(fā)電），分布在31電），分布在31個省、直轄市、自治區(qū)和特別行政區(qū)。其中，廣州和四川在2011年填補了無風電的空白。累計風電裝機超過200萬千瓦的省級地區(qū)有10個，其中內(nèi)蒙古風電裝機容量以1853. 無風電的空白。累計風電裝機超過200萬千瓦的省級地區(qū)有10個，其中內(nèi)蒙古風電裝機容量以1853. 63萬千瓦位居第一，河北與甘肅分別位居第二和第累計風電裝機容量前10位省級地區(qū)的合計裝機容量達到5671.45

4、萬千 瓦，占全國累計風電裝機容量的86. 19%如圖1-373& 252000.&n 64396. 17 360. 25160014001200lOtiD800 fKJD400262. It 八 36. b4 :?5. 5:圖1.32011年底中國升級地區(qū)累計風電裝機容量前十位內(nèi)蒙古河北If肅遼寧血菲黑罪江吉梅新疆寧夏害皴地區(qū)名稱Jill?2偏航系統(tǒng)73& 252000.&n 64396. 17 360. 25160014001200lOtiD800 fKJD400262. It 八 36. b4 :?5. 5:圖1.32011年底中國升級地區(qū)累計風電裝機容量前十位內(nèi)蒙古河北If肅遼寧血菲黑罪

5、江吉梅新疆寧夏害皴地區(qū)名稱Jill?2偏航系統(tǒng)2. 1偏航系統(tǒng)概述偏航系統(tǒng)是水平軸式風力發(fā)電機組不可缺少的組成之一。它的主要作用有兩個：一是與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風力發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率；二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風力發(fā)電機組的安全運行。2. 2偏航系統(tǒng)的結構組成風力機的偏航系統(tǒng)由偏航控制機構和偏航驅動機構兩大部分組成，其中偏航控制機構包括風向風速傳感器，偏航控制器，解纜傳感器。機械驅動機構包括：，偏航軸承，偏航驅動裝置，偏航制動器，偏航計數(shù)器，偏航控制機構是風力機特有的伺 服系統(tǒng)，機械驅動機構則是偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機構。以卜圖

6、2-1就是偏航控制系統(tǒng)的結構框圖。風向信號偏航控制器放大器偏航執(zhí)行機構風輪風向圖2-1偏航控制系統(tǒng)的結構框圖3偏航控制機構3.1風向風速傳感器感器有風向風速傳感器又稱為風向風速計，它是用來測量風向和風速用的。而風向傳感器有很多種類，但是一般都是采用螺旋式，而風速重要用于變槳柜來配合我們的偏航控制。風力機上安裝的風向、風速計與氣象和氣候分析所用的測風設備不同有一些區(qū)別，一是因為只用于控制偏航系統(tǒng)的工作，并不用于風向、風速的精確計量，因此通常精度較低，而是風向儀安裝在機艙頂部隨機艙一起轉動，因此只能測量出機艙與來風方向的大致角度，以判斷從哪個方向偏航對風，并不能 檢測出風的實際方向。因此風力機上所

7、使用的風向儀和測風裝置上的風向儀在結構和原理上有很大區(qū)別，以下是圖2-2是風向傳感器。*圖2-2風向傳感器2.3? 2偏航控制器偏航控制器負責接受和處理信號，根據(jù)控制要求，發(fā)送控制命令。通常采用 單片 機等 微處理器作為偏航控制器，隨著數(shù)字處理信號技術的發(fā)展，采用嵌入式微處理器或者DSP等作為控制器成為研究應用的趨勢。2. 3. 3解纜傳感器由于風力機總是選擇最短距離最短時間內(nèi)偏航對風，有時由于風向的變化規(guī)律，風力機有可能長時間往一個方向偏航對風，這樣就會造成電纜的纏繞，如果纏 繞圈過多，超過了規(guī)定的值，將造成電纜的損壞。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常安裝有解纜傳感器。解纜傳感器安裝在機艙底部，

8、通過一個尼龍齒輪與偏航 大齒圈嚙 合，這樣在偏航過程 中，尼龍齒輪也一起轉動。通過蝸輪、蝸桿和齒輪 傳動多級減速，驅動一組凸輪，每個凸 輪推動一個微動開關工作，發(fā)出不同的信號指令。微 處理器通過各個微動開關的信號來判斷 是否需要解纜，向哪個方向解纜以及何時停 止解纜等。2. 4偏航機械驅動機構風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)一般有外齒形式和內(nèi)齒形式兩種。偏航驅動裝置可以采用電動機驅動或液壓馬達驅動，制動器可以是常閉式或常開式。常開式制動器般是指有液壓力或電磁力拖動時，制動器處于鎖緊狀態(tài)的制動器；常閉式制動器采用常開式制動般是指有液壓力或電磁力拖動時， 制動器處于松開狀態(tài)的制動器 器時，偏航系統(tǒng)必須具有偏

9、航定位鎖緊裝置或防逆?zhèn)鲃友b置。采用常開式制動2. 4.1偏航軸承常用的偏航軸承有滑動軸承和回轉支承兩種類型?；瑒虞S承常用工程塑料做軸 瓦，這種材料即使在缺少潤滑的情況下也能正常工作。偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對來說比較簡單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結構緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式應根據(jù)機組的具體結構和總體布置進行選擇。偏航齒圈的結構簡圖，如圖2-3所示a）結構簡圖，如圖2-3所示a）外齒驅動形式的偏航b）內(nèi)齒驅動形式的偏航系統(tǒng)圖2-3偏航齒圈的結構簡圖2. 4. 2

10、偏航驅動裝置驅動裝置一般由驅動電動機或驅動馬達、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機構 等組成。驅動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳 動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。驅動裝置也包括偏航電機和偏航減速齒輪機構，偏 航驅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 結構，小齒輪由安裝在機艙 上的驅動器驅動。4. 3偏航制動器為了保證風力機停止偏航時不會因葉片受風載荷而被動偏離風向的情況，風力機上多裝有偏航制動器。偏航制動器是偏航系統(tǒng)中的重要部件，制動器應在額定負載下，制動力矩穩(wěn)定，其值應不小于設計值。偏航制動器一般采用液壓。制動盤通常位于塔架或塔架

11、與機艙的適配器上，一般為環(huán)狀，制動盤的材質應具有足夠的強 度和韌性。4偏航計數(shù)器偏航計數(shù)器是記錄偏航系統(tǒng)旋轉圈數(shù)的裝置，當偏航系統(tǒng)旋轉的圈數(shù)達到設計所規(guī)定的初級解纜和終極解纜圈數(shù)時，計數(shù)器則給控制系統(tǒng)發(fā)信號使機組自動進行解纜。計數(shù)器一般是一個帶控制開關的蝸輪蝸桿裝置或是與其相類似的程序。3.偏航系統(tǒng)的控制過程與設計要求偏航系統(tǒng)控制過程在控制過程當中，我們根據(jù)風力發(fā)電機在偏航中的作用，就對系統(tǒng)進行分析，偏 航系統(tǒng) 的控制過程可以分為：在對用風速范圍內(nèi)，自動偏航 ；超出可用風速范圍時90度側風；為防止 電纜纏繞，自動解纜；在風機維修或故障時，人工偏航。自動偏航自動偏航是指風力發(fā)電機，根據(jù)風向與機艙

12、的夾角，自動調(diào)整機艙位置，確保 風 輪能 夠準確對風，以實現(xiàn)風能的最大獲取。為了防止過頻的執(zhí)行偏航動作，保證風力發(fā)電機的壽命，偏航系統(tǒng)需要有一個合適的偏航誤差容許角。當超出誤差范圍時，系統(tǒng)控制器發(fā)出自動偏航指令，使機艙準確對風。對于運行中的風機，平均 風向不可能 突變，所以風機絕大部分 時間都在進行銳角偏航。但對于由停機狀態(tài)開始運行的風 機，也有可能進彳亍鈍角偏航，圖 3-1為自動偏航示意圖圖3-1自動偏航示意圖1.2 90度側風90度側風是指在出現(xiàn)特大強風等極端環(huán)境時，為了保證風力發(fā)電機的安全，停機時需要將風輪側對風向的操作。90度側風時應當使機艙走最短路徑，盡量減小偏航運轉時間降低風機損壞

13、的危險性。90度側風時需屏蔽自動偏航指令。在機艙調(diào)到側風位置時，應當啟動偏航剎車器。當風向變化時，風輪同樣也需要追蹤風 向的變化，使風輪始終保持側風位置，確保風力發(fā)電機的安全。3. 1. 3人工偏航人工偏航是指當風力發(fā)電機自動偏航失效，在需要維修和人工解纜時，通過 人工發(fā)送命令來控制風力發(fā)電機調(diào)向的操作。當偏航控制器接到開啟人工偏航的命令后，控制器首先檢測此時偏航系統(tǒng)是否正在進行偏航操作。如果系統(tǒng)無偏航操作，則屏蔽自動偏航操作，如果系統(tǒng)正在進行偏航，則清除自動偏航控制標記信號；然后 檢測自動偏航的方向信號，如果與人工偏航方向一致，控制偏航電機繼續(xù)運轉，執(zhí)行人工偏航；若不一致，先停止偏航電機工作

14、，再向相反方向進行運轉并記錄轉向，當系統(tǒng)檢測到人工偏航停止信號出現(xiàn)時，停止偏航電機工作，啟動偏航剎車器，清除人工偏航標志。3. 1.4自動解纜由于自然風的隨機性，風機的偏航方向也是不確定的。如風力發(fā)電機持續(xù)向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞，甚至絞斷。因此解纜裝置成為了風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的一個重要部分。當風機達到其自身規(guī)定的解纜角度時，系統(tǒng)進行自動解纜，此時風力發(fā)電機立即剎車停機，然后啟動偏航電機驅動機艙反方向旋轉，使機 艙返回 電纜無纏繞位置。3. 2偏航系統(tǒng)設計要求在我們設計偏航系統(tǒng)的時候，我們要考慮很多的條件來確保系統(tǒng)能夠更加的可靠運行，最主要有環(huán)境條件的注意，如溫度、濕度、陽光輻射、雨、

15、冰雹、雪 和冰、近 海環(huán)境需要考 慮附加特殊條件。其二就是電纜，為保證機組懸垂部分電纜不至于產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂失效，風力發(fā)電機智能偏航控制系統(tǒng)研究必須使電纜有足夠的懸垂量，在設計上要采用冗余設計。電纜懸垂量的多少是根據(jù)電纜所允許的扭轉角度確定的。其三就是解纜和紐纜保護是風力發(fā)電機組的偏 航系統(tǒng)所必須具有 的主要功能。其四就是偏航液壓系統(tǒng)，并網(wǎng)型風力 發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)一般都設有 液壓裝置，其作用是拖動偏航制動器松開或鎖緊。一般液壓 管路應采用無縫鋼管制 成，柔性管路連接部分應采用合適的高壓軟管，最后就是要對一些系 統(tǒng)環(huán)境該進行密封的要密封處理，有一些設備零件需要做好防腐。4偏航控制系統(tǒng)

16、的功能及原理4. 1偏航控制系統(tǒng)的功能偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組特有的伺服系統(tǒng)，是風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。它的功能有兩個：一是要控制風輪跟蹤變化穩(wěn)定的風向；二 是當風力發(fā)電機組由于 偏航作用，機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。風力機偏航的原理是通過風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到微處 理器，微處理器計算出風向信號與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機艙方向以及朝哪個方向調(diào)整能盡快對準風向。當需要調(diào)整方向時，微處理器發(fā) 出一定的信號給偏航驅動機構，以調(diào)整機艙的方向，達到對準風向的目的。偏航 控制 系統(tǒng)主要具備以下 幾個功能，一是風向標控制的自動偏航；二是

17、人工偏航，按其優(yōu)先級別由高到低依次為：頂部機艙控制偏航、面板控制偏航、遠程控制偏航；三是風向標控制的90。側風；四是自動解纜。4. 2偏航控制原理根據(jù)空氣動力學中的貝茲理論，風力機能夠從風中捕獲并輸出的功率P的表達式為:1(4-1)P CPDV(4-1)2式（3.1）中：P為風輪吸收的功率；p為空氣密度；D為風輪掃掠的面積；CP為風力 機 的功率 系數(shù)；v為風速。偏航角9 e：(4-2)其中：9 w 一風向角度；9 T 風力機葉輪角度風向標作為感應元件將風向變化信號轉換為電信號傳遞到偏航電機控制回路的處理器中，處理器經(jīng)過比較后給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航指令。在偏航過程中，風力機總是按最

18、短路徑將機艙轉過相應角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機的起動和轉向問題。為了確定電機的轉向使風力機轉過最小路徑，即偏航時間最短，需要弄清偏航角9e與風向角度和風力機葉輪角度（也就是機艙角度）之間的相對關系。就水平軸風力機而 言，風向和風力機葉輪 迎風面法線方向的夾角有 以下兩種情況（以下角度都是相對的）當風向與風力機葉輪迎風面法線方向角度差小于180o時，偏航角為:(4-3)(4-3)入一兀一齊通常，風向角度9 W是相對于葉輪迎風面法線方向角度，故取9 TZ1 0,偏航角度為:(4-4)正轉,如圖4-1所示（葉輪迎風面以粗實線表示，虛線表示風力機處于迎風位置）電機正轉,風力機機艙順時針調(diào)向。葉輪葉輪圖4-1