風(fēng)力發(fā)電機變漿與偏航技術(shù)應(yīng)用研究

摘要風(fēng)能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。與此同時，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點課題項目之一。本文對風(fēng)力發(fā)電機的主體—機械部分中的變槳系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)進行了一定的研究、分析。由于風(fēng)力發(fā)電機工作環(huán)境的惡劣性，這就要求其各個部件的維護周期要長，從而便于降低維護費用，延長工作時間。首先，采用葉素理論建立了風(fēng)電機組變槳距調(diào)節(jié)原理。設(shè)計了一套新型變距傳動機構(gòu)——電動變槳距傳動機構(gòu)。構(gòu)建了基于CAXA的三維實體模型，施以正弦運動律，其動態(tài)仿真結(jié)果驗證了該變槳模型建立的有效性和準(zhǔn)確性，進一步為風(fēng)力機變槳距系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。其次，針對風(fēng)力發(fā)電機偏航時的要求設(shè)計了偏航控制器，改以前的遮掩式角度傳感器為絕對式數(shù)字角度傳感器，增加了系統(tǒng)的靈敏性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變槳距；偏航系統(tǒng)。AbstractWindenergy,asakindofrenewableenergy,ispaidattentiontobygovernmentsallaroundtheworld.Thewindpowertechnologyanditsequipmentresearchbecomeahotspottopicfortechnicalcirclesandenterprise.ThisarticlehasstudiedthebrakesystemandYaw-controlsystemofwind-drivengenerator.Aswind-drivengeneratorworkingconditionsisbad,inordertoreducethemaintenancecostthemaintenancecycleofitseachpartrequeststobelonger.First,usingtheoryestablishedbythewindgeneratorchangepropellerfromadjustmentprinciple.Designedasetofnewchangefromtransmissionmechanism—Electricchangepropellerfromtransmissionmechanism.windpower;Pitch;Yaw-controlsystem.目錄1.緒論 51．1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 51．2風(fēng)力發(fā)電的背景 61．2．1能源危機 61．2．2環(huán)境危機 61．2．3可再生能源開發(fā)利用 71．2．4風(fēng)能開發(fā)利用 71．3風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 81．3．1世界風(fēng)電 81．3．2我國風(fēng)電 91．4國內(nèi)外風(fēng)電機組發(fā)展趨勢 101．4．1產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 101．4．2水平軸風(fēng)電機組技術(shù)成為主流 111．4．3風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大 111．4．4變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用 111．4．5雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位 121．4．6直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)得到迅速發(fā)展 121．4．7大型風(fēng)電機組關(guān)健部件的性能日益提高 131．4．8智能化控制技術(shù)的應(yīng)用加速提高了風(fēng)電機組的可靠性和壽命 131．4．9葉片技術(shù)發(fā)展趨勢 141．4．10風(fēng)電場建設(shè)和運營的技術(shù)水平日益提高 141．4．11惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機組可靠性得到重視 141．4．12低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用 151．5小結(jié) 152.發(fā)電機組的基本功能構(gòu)成及工作原理 162．1風(fēng)電機組的基本功能構(gòu)成 162．2風(fēng)電機組的工作原理 172.3小結(jié) 193.風(fēng)電機組設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟 203．1確定設(shè)計目標(biāo) 203．2總體設(shè)計 203．3風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 233．4樣機測試與設(shè)計驗證 233.5小結(jié) 244.風(fēng)電機組變槳距與偏航系統(tǒng) 254.1變槳距系統(tǒng) 254.1.1變槳距系統(tǒng)基本工作原理 254.2變槳距機構(gòu)設(shè)計與實體建模 274.2.1變槳距機構(gòu)分析 274.2.2變槳距三維實體模型的構(gòu)建 284.2.3槳距機構(gòu)的動態(tài)仿真與分析 304.3偏航系統(tǒng) 304.3.1偏航系統(tǒng)的工作原理 314.3.1偏航控制系統(tǒng)的功能 314.3.2偏航系統(tǒng)控制原理 324.4偏航傳動系統(tǒng)設(shè)計 344.4.1偏航操作裝置概述 344.4.2偏航驅(qū)動機構(gòu) 364.5小結(jié) 38結(jié)論 39致謝 40參考文獻 411.緒論1．1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況風(fēng)能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開發(fā)利用越來越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動能的59.3%，同時由于受到機械結(jié)構(gòu)等限制，實際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；?，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來，大型風(fēng)電機組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風(fēng)力機產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動是快速變化的。傳統(tǒng)線性定?？刂破饕虼嬖谳^大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風(fēng)電機組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4個動態(tài)過程構(gòu)成，即啟動、變速運行、變槳距運行和剎車。其中，啟動、剎車過程使系統(tǒng)能在最短時間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負荷的影響；變槳距控制通過調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機組輸出額定功率不變。世界上第1臺風(fēng)電機組于1891年在丹麥建成，但由于技術(shù)和經(jīng)濟等方面的原因，風(fēng)力發(fā)電一直未能得到廣泛應(yīng)用。直到1973年發(fā)生了石油危機，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費，采用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)電機組。20世紀(jì)80年代開始建立示范風(fēng)電場。20世紀(jì)90年代，許多國家紛紛制定了激勵風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。1992年以來，全球風(fēng)電累計裝機容量的年增長率一直高于15%，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻成熟。2002年4月2～5日，首屆世界風(fēng)能大會在法國巴黎舉行，歐洲和北美風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。2006年，全球已有48個政府引入法規(guī)扶持風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。2008年年底全球累計風(fēng)電裝機容量已超過了120.8GW，相當(dāng)于減排1.58億噸CO2。美國風(fēng)電市場近年來一直保持高速發(fā)展，2009年新增風(fēng)電裝機容量9.92GW，累計風(fēng)電裝機容量達到35.16GW，排名世界第1。我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場之一，風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)量為1400GW。其中，陸上開發(fā)量為600GW；海上開發(fā)量為800GW。我國在20世紀(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。20世紀(jì)70年代末到80年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨戶使用或?qū)嶒炇已芯侩A段。1983年，山東引進3臺丹麥Vestas55kW風(fēng)力發(fā)電機，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗和示范；1986年5月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場，其次是新疆達坂城風(fēng)電場。1986～1993年，全國共建12個風(fēng)電場，裝機容量為13.3MW；1994～1999年，全國共建有21個風(fēng)電場，裝機容量達到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機型為200～300kW機組，1997～2002年的主力機型則為600kW機組。2008年，我國累計裝機容量達到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機容量為8.94kW。截止到2009年年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)總量累計達到16.13GW，累計裝機容量為25805.3MW。1．2風(fēng)力發(fā)電的背景1．2．1能源危機能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了工業(yè)化的進程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機制約了人類進一步發(fā)展。自20世紀(jì)50年代以后，由于石油危機的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟造成巨大影響，國際輿論開始關(guān)注世界能源危機問題。全球能源危機的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲量與開采時間有限?？梢灾涞幕Y源的極限大約為1180~1510億噸，自1995年世界石油的開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050年左右即將枯竭；天然氣儲量估計131800~152900m3，年開采量維持在2300m3，將在57~65年內(nèi)枯竭；煤的儲量約為5600億噸，1995年煤開采量為33億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開采量目前為每年6萬噸，據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀(jì)30年代中期。綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。1．2．2環(huán)境危機在能源消耗急劇增長，能源危機凸顯的同時，環(huán)境危機也出現(xiàn)了?，F(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生CO2和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計，按照目前的趨勢，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應(yīng)強度將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會以前CO2濃度的3倍，達到5000萬年前的CO2濃度水平。能源消費在迅速擴大，已經(jīng)達到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運轉(zhuǎn)的程度。研究表明：地球變暖不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是人類活動排放的CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2密切相關(guān)。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。1．2．3可再生能源開發(fā)利用目前，如何解決能源危機及其引起的環(huán)境危機成為全球經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的待解決的重大課題?？朔茉次C的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機帶來的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國所關(guān)注。綠色電力來源于風(fēng)能、小水電、太陽能、地?zé)?、生物質(zhì)和其他可再生能源。因為它們在生產(chǎn)的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的排放物。相對于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。全球市場對于風(fēng)這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達到峰值且開始下降，而風(fēng)電是目前唯一實現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。1．2．4風(fēng)能開發(fā)利用太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能稱為風(fēng)能。據(jù)估計到達地球的太陽能只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為2.74×104GW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。根據(jù)我國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進行估算，全國平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲量為3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量為600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為800GW，共計約1400GW。50m或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量為2000GW。人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風(fēng)能的國家。12世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。16世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機械無法與蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機等競爭而逐漸被淘汰。1891年，丹麥建成了世界第一座風(fēng)力發(fā)電站。20世紀(jì)30年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功的研制了一些小型風(fēng)電機組。這種小型風(fēng)電機組被廣泛運用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村，所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機的發(fā)電成本低很多。不過，當(dāng)時的發(fā)電量較低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危機爆發(fā)以后，風(fēng)能作為新能源得到重視，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速開始加快，各國都在積極研制、開發(fā)1100kW以上的大型風(fēng)電機組。美國在1974年開始實施聯(lián)邦風(fēng)能計劃，20世紀(jì)80年代成功開發(fā)了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW等6種風(fēng)電機組。瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙等國，也根據(jù)各自國家的情況制訂了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計劃。在20世紀(jì)70年代中期以后，我國將風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發(fā)展。我國風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開始真正起步。20世紀(jì)70年代末80年代初，我國自主開發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量10kW以下的小型風(fēng)電機組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場。20世紀(jì)80年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風(fēng)電機組，在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了8座示范性風(fēng)電場。1．3風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀1．3．1世界風(fēng)電風(fēng)電成本不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過30年的努力，隨著市場不斷擴大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時風(fēng)電成本由20世紀(jì)80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價格完全可以和煤電競爭，低于燃氣電價。裝機容量高速增長根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的2003~2007年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機容量累計達到近94GW，新增風(fēng)電裝機容量20GW，分別在全球70多個國家和地區(qū)。2007年全球大約生產(chǎn)了2000億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的1%。按照累計風(fēng)電裝機容量數(shù)據(jù)排名，2007年全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。2008年全球新裝機容量超過27GW，同比增長42%，風(fēng)電裝機增長率為29%，高于過去5年的平均增長速度。2008年年底，總裝機容量達到了120.8GW，美國超過德國，躍居全球風(fēng)電裝機容量首位，同時也成為第二個風(fēng)電裝機容量超過20GW的風(fēng)電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國。到2008年年底，在世界風(fēng)電累計裝機容量中，已有包括美國、中國、德國、西班牙、印度等在內(nèi)的16個國家超過1GW。在歐盟2007年新增發(fā)電裝機容量中，風(fēng)電開始超過天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的46%。歐洲2008年風(fēng)電新增裝機容量為88GW，累計裝機容量達到了66GW。美國2007年新增的風(fēng)電裝機也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。2008年內(nèi)美國竣工的風(fēng)電項目容量更是占當(dāng)年度美國所有新增電力裝機的42%，新增裝機容量達到8.34GW，同比增長157%，累計增長49.6%，完成新增投資170億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。發(fā)展規(guī)劃20世紀(jì)90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到2010年風(fēng)電裝機容量到40GW的目標(biāo)，并要求其成員國根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國的發(fā)展目標(biāo)與實施計劃。2007年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進一步修訂了發(fā)展計劃，希望2010年風(fēng)電裝機容量達到80GW；到2020年風(fēng)電裝機容量達到180GW，發(fā)電量達到3600億kW·h；2030年風(fēng)電裝機容量達到300GW，發(fā)電量達到6000×108kW·h，分別占屆時歐盟風(fēng)電裝機容量和發(fā)電量的35%和20%。2006年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發(fā)展目標(biāo)。美國風(fēng)能協(xié)會也提出了未來依靠風(fēng)電滿足國內(nèi)20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風(fēng)電。1．3．2我國風(fēng)電裝機容量2004年年底，全國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機容量超過60%，總?cè)萘窟_到了1260GW。2006年新增裝機容量超過100%，累計裝機容量超過2.6GW。2007年又新增裝機容量3.3GW，累計裝機容量達到5.9GW，超過丹麥，成為世界第5風(fēng)電大國。當(dāng)年裝機容量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場之一。風(fēng)電累計裝機容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。2009年新增裝機容量13.85GW，累計裝機容量為26GW，總裝機容量躍居世界第2位。風(fēng)電設(shè)備制造能力風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場建設(shè)主要依賴進口風(fēng)電整機?！堕_再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機制造企業(yè)已超過40家。除金風(fēng)科技和浙江運達加大投入、迅速擴張之外，東方汽輪機、華銳風(fēng)電、中國船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進入我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場。風(fēng)電技術(shù)研發(fā)“九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風(fēng)計劃”和“國家科技攻關(guān)計劃”，以及國債項目和風(fēng)電特許權(quán)項目，支持建立了首批6家風(fēng)電整機企業(yè)，進行風(fēng)電技術(shù)的引進和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機容量600kW和750kW定槳距風(fēng)電機組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計制造技術(shù)，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆濉逼陂g，還開展了1000kW、1500kW變速恒頻風(fēng)電機組，以及1200kW永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進，我國已基本掌握了以雙饋發(fā)電機為代表的變速恒頻風(fēng)電機組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級風(fēng)電機組樣機。我國風(fēng)電技術(shù)與國外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。1．4國內(nèi)外風(fēng)電機組發(fā)展趨勢縱觀世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)實和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電制造技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點：1．4．1產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢2009年，世界排名前十位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球78.7％的市場份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球88.1％的市場份額，丹麥VESTAS、美國GEWIND、中國華銳、德國ENERCON、中國金風(fēng)這前5家企業(yè)，就占據(jù)了國內(nèi)外49.8％市場份領(lǐng)?？梢钥闯觯菏澜顼L(fēng)電機組制造企業(yè)形成了由十多家大型風(fēng)電機組制造企業(yè)控制或壟斷的局面。近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購愈演愈烈。法國阿?，m集團收購-Multibrid；丹麥的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美國GE公司收購了德國安然風(fēng)電公司；Siemes公司收購了丹麥AN/Bonus和德國winergyAG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金風(fēng)科技收購了德國Vensys公司；湘電股份1000萬歐元收購荷蘭達爾文公司；中復(fù)連眾收購了德國NOI公司；中航惠騰2009年收購了荷蘭CTC葉片公司；美國GE公司與哈電集團合資成立了通用哈電風(fēng)能（沈陽）公司和哈電通用風(fēng)能（江蘇）公司。此外，各大公司在主要市場集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個大公司相當(dāng)于多個公司的集成。1．4．2水平軸風(fēng)電機組技術(shù)成為主流水平軸風(fēng)電機組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機組上更顯出經(jīng)濟性等優(yōu)點，使水平軸風(fēng)電機組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機型，并占到95％以上的市場份額。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機組因轉(zhuǎn)軸過長、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應(yīng)用數(shù)量有限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。1．4．3風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大近年來，世界風(fēng)電市場中風(fēng)電機組的單機容量持續(xù)增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機型已經(jīng)從2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我國主流機型已經(jīng)從2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW，2009年我國陸地風(fēng)電場安裝的最大風(fēng)電機組為2MW。近年來，海上風(fēng)電場的開發(fā)進一步加快了大容量風(fēng)電機組的發(fā)展，2008年底世界上已運行的最大風(fēng)電機組單機容量已達到6MW，風(fēng)輪直徑達到127m。目前，已經(jīng)開始8-10MW風(fēng)電機組的設(shè)計和制造。我國華銳風(fēng)電的3MW海上風(fēng)電機組已經(jīng)在上海東海大橋海上風(fēng)電場成功投入運行，5MW海上風(fēng)電機組已在2010年10月底下線。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制5MW或6MW的大容量風(fēng)電機組。1．4．4變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點，近年在大型風(fēng)電機組上得到了廣泛采用。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機組，使得在風(fēng)能轉(zhuǎn)換上有了進一步完善和提高。2009年，在全球所安裝的風(fēng)電機組中有95％的風(fēng)電機組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。我國2009年安裝的MW級風(fēng)電機組中，也全部是變槳距機組。2MW以上的風(fēng)電機組大多采用三個獨立的電控調(diào)槳機構(gòu)，通過三組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環(huán)控制。1．4．5雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位以丹麥Vestas公司的V80、V90為代表的雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組，在國際風(fēng)電市場中所占的份額最大。德國Repower公司利用該技術(shù)開發(fā)的機組單機容量已經(jīng)達到5MW。西門子公司、德國Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美國GE風(fēng)能公司和印度Suzlon公司都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組，2009年新增風(fēng)電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組仍然占80％以上。目前，歐洲正在開發(fā)10MW的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機組。我國內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、東方氣輪機、國電聯(lián)合動力、廣東明陽等企業(yè)也在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組。2009年我國新增風(fēng)電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組仍然占82％以上。目前，我國華銳風(fēng)電研發(fā)的3MW的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機組已經(jīng)投入運行。1．4．6直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)得到迅速發(fā)展無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統(tǒng)的運行可靠性和壽命，減少維護成本，因而得到了市場的青睞。采用無齒輪箱系統(tǒng)的德國Enercon公司在2009年仍然是德國、葡萄牙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的第一大供應(yīng)商和印度風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的第二大供應(yīng)商，在新增風(fēng)電裝機容量中，Enercon公司已占本國市場份額的55％以上。西門子公司已經(jīng)在丹麥的西部安裝了兩臺3GMW的直驅(qū)式風(fēng)電機組，這兩臺風(fēng)力機正處于試運行階段。其他主要制造企業(yè)也在積極開發(fā)研制直驅(qū)風(fēng)電機組。我國新疆金風(fēng)科技有限公司與德國Vensys公司合作研制的1。5MW直驅(qū)式風(fēng)電機組，已有上千臺安裝在風(fēng)電場。金風(fēng)科技在2009年是我國風(fēng)電市場的第二大供應(yīng)商。同時，我國湘電公司的2MW直驅(qū)風(fēng)電機組也已批量進入市場。其他如：廣西銀河艾邁迪、航天萬源、濰坊瑞其能、包頭匯全稀土、江西麥德公司、山東魯能等制造企業(yè)也開發(fā)研制了直驅(qū)風(fēng)電機組。2009年新增大型風(fēng)電機組中，直驅(qū)式風(fēng)電機組已超過17%。伴隨著直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功率變流技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍擴展到。至150％的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍。由于全功率變流技術(shù)對低電壓穿越技術(shù)有很好且簡單的解決方案，對下一步發(fā)展占據(jù)了優(yōu)勢。與此同時，半直驅(qū)式風(fēng)電機組也開始出現(xiàn)在世界風(fēng)電市場上。在軸承支撐方式上，單個迥轉(zhuǎn)支承軸承代替主軸和兩軸承成為某些2兆瓦以上機組的選擇，如：富蘭德的2.5兆瓦風(fēng)機，這說明無主軸系統(tǒng)正在成為歐洲風(fēng)電機組發(fā)展的一個新動向。1．4．7大型風(fēng)電機組關(guān)健部件的性能日益提高隨著風(fēng)電機組的單機容量不斷增大，各部件的性能指標(biāo)都有了提高，國外己研發(fā)出3000V-12000V的風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機，使發(fā)電機效率進一步提高；高壓三電平變流器的應(yīng)用大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達到98％以上；某些公司還對槳葉及變槳距系統(tǒng)進行了優(yōu)化，如德國ENERCON公司在改進槳葉后使葉片的Cp值達到了0.5以上。從2007年胡蘇姆風(fēng)能展的情況看，歐洲風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我國在大型風(fēng)電機組關(guān)鍵部件方面也取得明顯進步，如南京高速齒輪箱廠、重慶齒輪箱廠、大重減速機廠、杭州前進齒輪箱廠和德陽二重等主要齒輪箱制造企業(yè)生產(chǎn)的大型風(fēng)電機組齒輪箱，供貨能力充足，質(zhì)量已有明顯提高；保定惠騰、連云港中復(fù)連眾和中材科技已能生產(chǎn)長達48.8m，與3兆瓦風(fēng)電機組配套的大尺寸葉片，蘭州電機廠生產(chǎn)的發(fā)電機等產(chǎn)品質(zhì)量都有很大提高。從2009年上海第四屆風(fēng)能展的情況看，我國風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。我國在某些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領(lǐng)域已經(jīng)具有優(yōu)勢，不僅能滿足國內(nèi)市場需求，而且已經(jīng)向國際市場供貨。北京科諾偉業(yè)能源科技有限公司、合肥陽光電源有限公司、北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司、天津瑞能電氣、龍源電氣、九州電氣和禾旺電氣等10多家企業(yè)已具備兆瓦級風(fēng)電機組變流器研發(fā)、生產(chǎn)和供貨能力。1．4．8智能化控制技術(shù)的應(yīng)用加速提高了風(fēng)電機組的可靠性和壽命鑒于風(fēng)電機組的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)電機組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來，風(fēng)電機組制造廠家與有關(guān)研究部門積極研究風(fēng)電機組的最優(yōu)運行和控制規(guī)律，通過采用智能化控制技術(shù)，與整機設(shè)計技術(shù)結(jié)合，努力減少和避免風(fēng)電機組運行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風(fēng)電控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。1．4．9葉片技術(shù)發(fā)展趨勢隨著風(fēng)電機組尺寸的增大，葉片的長度也變得更長，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設(shè)計的主要思路是增加葉片的剛度。為了減少重力和保持頻率，則需要降低葉片的重量。好的疲勞特性和好的減振結(jié)構(gòu)有助于保證葉片長期的工作壽命。額外的葉片狀況檢測設(shè)備將被開發(fā)出來并安裝在風(fēng)電機組上，以便在葉片結(jié)構(gòu)中的裂紋發(fā)展成致命損壞之前或風(fēng)電機組整機損壞之前警示操作者。對于陸上風(fēng)電機組來說，不久這種檢測設(shè)備就會成為必備品。為了增加葉片的個剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長度大于50米的葉片上將廣泛使用強化碳纖維材料。為了方便兆瓦級葉片的道路運輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。例如德國Enercon公司的E1266MW風(fēng)電機組的葉片由內(nèi)、外兩段葉片組成，靠近葉根的內(nèi)段由鋼制造，外包玻璃鋼殼體形成氣動形狀表面。智力材料例如壓電材料將被使用以使葉片的氣動外形能夠快速變化。為了減少葉片和整機上的疲勞負荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場。熱塑材料的應(yīng)用：LMGlasfibre公司正開展一項耗資8百萬歐元的研究項目，目的是用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲去制造葉片。一旦這種紗絲鋪進模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會融化，并將紗絲轉(zhuǎn)化為合成材料，這可能會使葉片生產(chǎn)時間縮短50%。1．4．10風(fēng)電場建設(shè)和運營的技術(shù)水平日益提高隨著投資者對風(fēng)電場建設(shè)前期的評估工作和建成后運行質(zhì)量的越來越高的要求，國外已經(jīng)針對風(fēng)資源的測試與評估開發(fā)出了許多先進測試設(shè)備和評估軟件。在風(fēng)電場選址，特別是選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的應(yīng)用軟件。在風(fēng)電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對風(fēng)電機組和風(fēng)電場的短期及長期發(fā)電量預(yù)測做了很多研究，取得了重大進步，預(yù)測精確度可達90％以上。1．4．11惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機組可靠性得到重視由于中國的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點，惡劣氣候環(huán)境已對風(fēng)電機組造成很大的影響，包括增加維護工作量，減少發(fā)電量，嚴(yán)重時還導(dǎo)致風(fēng)電機組損壞。因此，在風(fēng)電機組設(shè)計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，今年來中國的風(fēng)電機組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風(fēng)、防鹽霧等方面著手進行了研究，以確保風(fēng)電機組在惡劣氣候條件下能可靠運行，提高發(fā)電量。1．4．12低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增大和風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大，風(fēng)電機組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機組因自身保護而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行（faultride-through)，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，也就是說，要求風(fēng)電機組具有一定低電壓穿越(lowvoltageride-through)能力。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統(tǒng)運行導(dǎo)則對風(fēng)電機組的低電壓穿越（LVRT）能力做出了規(guī)定。我國的風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落情況下，也必須采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保風(fēng)電系統(tǒng)的安全運行并實現(xiàn)LVRT功能。目前，我國已有多家企業(yè)的風(fēng)電機組產(chǎn)品通過了低電壓穿越性能試驗。1．5小結(jié)隨著能源危機程度的加深，世界各國都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國能源耗費相對較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。針對我國風(fēng)力發(fā)電面臨的問題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對研發(fā)的投入，隨著國家對風(fēng)電的重視，可再生能源法及實施辦法出臺，相信我國的風(fēng)電發(fā)展將會快步前進。為了可持續(xù)發(fā)展，我國的風(fēng)電發(fā)展產(chǎn)業(yè)需要借鑒其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗教訓(xùn)，要重質(zhì)量，講效益，走集約發(fā)展路線，創(chuàng)造和諧發(fā)展藍圖。2.發(fā)電機組的基本功能構(gòu)成及工作原理2．1風(fēng)電機組的基本功能構(gòu)成控制與安全系統(tǒng)一次能源轉(zhuǎn)換單元機械能傳遞單元發(fā)電單元控制與安全系統(tǒng)一次能源轉(zhuǎn)換單元機械能傳遞單元發(fā)電單元圖2-1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成（1）一次能源轉(zhuǎn)換單元風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風(fēng)輪軸驅(qū)動與之連接的機械能傳遞單元和發(fā)電單元。（2）機械能傳遞單元機械能傳遞單元也可簡稱為風(fēng)電機組的傳動鏈，連接風(fēng)電機組的一次能源轉(zhuǎn)換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機組的風(fēng)輪設(shè)計轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機組發(fā)電單元的需要。同時，機械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動機構(gòu)，以保證風(fēng)電機組的安全運行。（3）發(fā)電單元發(fā)電單元一般由發(fā)電機和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。（4）控制與安全系統(tǒng)該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機組運行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風(fēng)電機組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風(fēng)電機組的正常和安全運行；同時又要保證風(fēng)電機組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機，以預(yù)防或減輕損失。此外，風(fēng)電機組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機組需要設(shè)置對風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。2．2風(fēng)電機組的工作原理在風(fēng)力發(fā)電機組中，存在著兩種物質(zhì)流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機組的工作原理如圖2-2所示?？刂葡到y(tǒng)偏航系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)控制系統(tǒng)偏航系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)制動裝置發(fā)電系統(tǒng)測風(fēng)系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)風(fēng)M1?1M2?2P3變壓器轉(zhuǎn)速測量風(fēng)力發(fā)電機調(diào)速風(fēng)速、風(fēng)向功率測量圖2-2風(fēng)電機組的工作原理能量流當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機時，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。將風(fēng)的動能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動能，兩者都屬于機械能。風(fēng)輪的輸出功率為（1-1）式中P1——風(fēng)輪的輸出功率，單位為W；M1——風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；?1——風(fēng)輪的角速度，單位為1/s.風(fēng)輪的輸出功率通過主傳動系統(tǒng)傳遞。主傳動系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有（1-2）式中P2——主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為W；M2——主傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；?2——主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為1/s；1——主傳動系統(tǒng)的總效率。主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機把機械能變?yōu)殡娔堋０l(fā)電機的輸出功率為（1-3）式中P3——發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是W；UN——定子三相繞組上的線電壓，單位是V；IN——流過定子繞組線電流，單位是A；cos——功率因數(shù)； 2——發(fā)電系統(tǒng)的總效率。對于并網(wǎng)型風(fēng)電機組，發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)過變壓器升壓后，即可輸入電網(wǎng)。信息流信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過程控制和安全保護。過程控制包括起動、運行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機組零部件突然失效時應(yīng)該緊急停機。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時對輸入信息進行加工和比較，及時的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。對于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機組輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。對于變速型風(fēng)機，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機最大限度的捕獲風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對準(zhǔn)來風(fēng)方向。當(dāng)需要停機時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實現(xiàn)制動。實際上，在風(fēng)電機組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。2.3小結(jié)本章主要從不同的角度分析了風(fēng)電機組的功能構(gòu)成以及風(fēng)電機組的工作原理。3.風(fēng)電機組設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟風(fēng)電機組設(shè)計所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實踐經(jīng)驗是保證大型風(fēng)電機組設(shè)計質(zhì)量的必備條件。3．1確定設(shè)計目標(biāo)與所有大型裝備的設(shè)計相似，首先需要明確所設(shè)計風(fēng)電機組的設(shè)計目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機組與偏僻地區(qū)的小型單機設(shè)計需求明顯不同。因此，針對設(shè)計需求，應(yīng)考慮合理的機組功能構(gòu)成、電機類型、控制方式、運輸和安裝方式等影響機組性能指標(biāo)的主要因素。例如，陸上風(fēng)電場所需的大型機組通常額定功率范圍為500-2MW，便于運輸、安裝、運行和維修。近海風(fēng)力發(fā)電機組的運行環(huán)境（如風(fēng)況、波浪和鹽霧等）、安裝條件等與陸上有很大差別，基礎(chǔ)和運輸方式需要重點考慮。此外，檢修、維護不便，對可靠性有更高的要求。3．2總體設(shè)計風(fēng)電機組是比較復(fù)雜的機電裝備，且要求較好的性價比?？傮w設(shè)計是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計過程，在某種意義上來說，總體設(shè)計可以決定整個設(shè)計過程的成敗。由于風(fēng)電機組由多個功能子系統(tǒng)組成，機組總體設(shè)計與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計密切相關(guān)，以針對風(fēng)輪部件的總體設(shè)計為例，就包括了葉片參數(shù)、氣動性能、結(jié)構(gòu)強度、制造工藝與成本等多方面的設(shè)計內(nèi)容，而這些設(shè)計目標(biāo)很難同時達到，需要權(quán)衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。有鑒于低成本與高可靠性是現(xiàn)代風(fēng)電機組發(fā)展的主要動力和研究熱點，如何根據(jù)設(shè)計目標(biāo)并結(jié)合工程經(jīng)驗，在這些復(fù)雜因素之間取得平衡關(guān)系，滿足盡可能高的設(shè)備性價比要求，是風(fēng)電機組總體設(shè)計的關(guān)鍵所在。以下簡要介紹風(fēng)電機組總體設(shè)計的主要任務(wù)與大致步驟:（1）風(fēng)電機組總體設(shè)計方案1）總體氣動布局方案設(shè)計隨著風(fēng)電機組單機功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計逐漸成為風(fēng)電機組設(shè)計重要方面。此階段的任務(wù)主要包括對風(fēng)場的風(fēng)況分析，有針對性地對各類可行的功能構(gòu)成形式和氣動布局方案進行比較和選擇，并結(jié)合機組性能和氣動特性的分析和仿真技術(shù)，初步確定整機的和各主要部件（子系統(tǒng)）的基本形式，并提交有關(guān)的分析計算報告。2）風(fēng)電機組總體參數(shù)設(shè)計風(fēng)電機組氣動設(shè)計前須首先確定總體參數(shù)，如風(fēng)輪運行參數(shù)、葉片參數(shù)、設(shè)計風(fēng)速、尖速比、翼型分布及其氣動性能等，總體參數(shù)設(shè)計的基本要求是發(fā)電成本最低、機組載荷最小，發(fā)電量多且滿足電源品質(zhì)要求。3）風(fēng)電機組的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計此階段是需要從風(fēng)電機組的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。同時需要對整機的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進行分析，選擇合理的設(shè)計分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計界面，保證總體設(shè)計的質(zhì)量。此階段的設(shè)計要求是盡可能的詳盡分析風(fēng)電機組各子系統(tǒng)構(gòu)成方案的可行性，使之布置合理、協(xié)調(diào)、緊湊，便于安裝，且能可靠保證運行和維護三維數(shù)字模型，并編寫有關(guān)報告和設(shè)計說明文件。4）載荷分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準(zhǔn)確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。風(fēng)電機組應(yīng)能夠承受正常運行中的任何載荷，同時也具備一定的承受極端載荷的能力。最重要的載荷產(chǎn)生于風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該階段要注意查閱并依據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體的風(fēng)電機組運行工況要求，對所有載荷都應(yīng)予以仔細分析評估。5）發(fā)電成本估算是影響風(fēng)電成本的關(guān)鍵因素。在設(shè)計早期，可以通過功率曲線來預(yù)測風(fēng)電機組性能，這既是風(fēng)輪總體設(shè)計的重要功能目標(biāo)之一，同時也受到發(fā)電機類型、傳動系統(tǒng)效率、運行方式（恒速或變速）以及控制方式的影響。6）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計方案根據(jù)整機總體結(jié)構(gòu)方案，開展包括對各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計工作。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報告和技術(shù)說明。7）配套附件選擇和確定整機配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。提交協(xié)作及采購清單等有關(guān)文件。總體設(shè)計階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗，以求總體設(shè)計階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計的失誤和延期。上述總體設(shè)計的各階段屬于靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果是：風(fēng)電機組總體設(shè)計方案圖、總體布置圖和設(shè)計計算報告、風(fēng)電機組性能分析與載荷初步分析報告、各部件和子系統(tǒng)的初步技術(shù)要求與設(shè)計示意圖、系統(tǒng)原理圖、對制造方面的協(xié)作和采購要求清單等，以及對其他有關(guān)經(jīng)濟性和使用性能等均應(yīng)有明確的技術(shù)文件。（2）風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析在初步完成風(fēng)電機組總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進一步對風(fēng)電機組動特性進行詳細的分析。動特性分析屬于風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究范疇，主要涉及動載荷分析、振動及結(jié)構(gòu)動特性分析等方面的內(nèi)容。1）動載荷問題作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動和機械載荷會引起葉片等構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，而此響應(yīng)反饋于外部氣動負荷。因此，這實質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問題，對風(fēng)輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。同時，葉片等構(gòu)件的動負載將合成為風(fēng)輪的動負載，也是風(fēng)電機組振動的主要振源。2）振動風(fēng)電機組的運行過程中，始終存在持續(xù)的周期性的振動，圖3-1所示為風(fēng)輪葉片的兩種振動形式。實際上，風(fēng)輪、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計都必須考慮振動問題。振動會引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，影響設(shè)備的可靠性和可用性。3）穩(wěn)定性風(fēng)電機組載荷存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，可能會導(dǎo)致各種動力穩(wěn)定性問題的產(chǎn)生。在風(fēng)電機組發(fā)展史上，運行中風(fēng)輪與其他機體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴(yán)重的后果。風(fēng)輪的動力不穩(wěn)定性，包括變距/揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距/擺振不穩(wěn)定性及揮舞/擺振不穩(wěn)定性等。（3）風(fēng)電機組的可靠性設(shè)計風(fēng)電機組可靠性量化指標(biāo)，通常以其可利用率來度量。此種量化指標(biāo)屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。因此，可利用率實際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機組固有可靠性和運行管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。為保證風(fēng)電機組有較高的可利用率，在總體設(shè)計階段，對重要零部件和系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定可靠性量化指標(biāo)的要求，可以采用串聯(lián)模型法，確定有關(guān)零部件的可靠性定量要求。對電控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等應(yīng)考慮平均故障間隔時間（MTBF）或平均維修間隔時間（MTBM）和平均維修時間，以滿足整機可靠性要求。對重要承載零部件，總體設(shè)計中還應(yīng)規(guī)定合理的使用壽命等技術(shù)指標(biāo)。為保護風(fēng)電機組的安全，對重要的安全系統(tǒng)應(yīng)采取有余設(shè)計。3．3風(fēng)電機組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）風(fēng)電機組部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計根據(jù)確定的總體氣動布局、總體技術(shù)參數(shù)、設(shè)計載荷以及風(fēng)電機組的初步結(jié)構(gòu)方案，開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這些子系統(tǒng)或主要的部件有：風(fēng)輪（包括詳細的葉片結(jié)構(gòu)、輪轂、變槳距機構(gòu)等）、主傳動鏈（包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置等）、發(fā)電機系統(tǒng)、機艙和主機架、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等。（2）設(shè)計準(zhǔn)則風(fēng)電機組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求，參照合理的設(shè)計準(zhǔn)則進行詳細的設(shè)計與校核。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計、強度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強度要求，并進行必要的剛度分析。（3）零部件強度與剛度分析1）結(jié)構(gòu)的極限強度設(shè)計極限強度設(shè)計的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。對于載荷的波動情況，一般需要通過增加許用安全系數(shù)加以解決。2）構(gòu)件剛度分析構(gòu)件剛度一般是指其抵抗變形的能力，包括在動載荷和靜載荷作用的剛度。實際上，構(gòu)件的剛度分析與強度設(shè)計有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強度分析使設(shè)計達到優(yōu)化。3）結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計壽命的主要失效形式之一。有鑒于風(fēng)電機組的循環(huán)和隨機載荷作用條件，許多構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效。因此，需要詳細分析主要零部件在風(fēng)電機組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。4）零部件的工程詳圖設(shè)計根據(jù)風(fēng)電機組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可以開展風(fēng)電機組的工程詳圖設(shè)計根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作。設(shè)計中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細的設(shè)計技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。3．4樣機測試與設(shè)計驗證風(fēng)電機組的原型設(shè)計完成后，一般需要制造樣機，以通過對樣機設(shè)計的測試試驗，驗證設(shè)計結(jié)果，確保設(shè)計的可用性，為日后的產(chǎn)品批量制造、裝配和可靠運行奠定基礎(chǔ)。研制的樣機通常需要一段時間的實際運行，參照有關(guān)的產(chǎn)品認證標(biāo)準(zhǔn)進行必要的測試。測試項目主要包括功率特性、關(guān)鍵部件的動特性、實際載荷和溫升等?；跇訖C的試驗測試數(shù)據(jù)，應(yīng)進一步完善和修改原設(shè)計，形成批量生產(chǎn)的工程竣工設(shè)計。還應(yīng)注意，批量生產(chǎn)的風(fēng)電機組與原型樣機的工程設(shè)計與制造方法通常會有差別，某些部分可能需要改進；有些情況下，為降低批量生產(chǎn)的成本，風(fēng)電機組的某些部分可能需要基于原形設(shè)計原理，對設(shè)計結(jié)構(gòu)作出較大的調(diào)整，但其前提是確保設(shè)計的可靠性。3.5小結(jié)風(fēng)電機組的設(shè)計在不同條件下對它的設(shè)計要求是不同的，本章詳細的介紹了在設(shè)計風(fēng)電機組時可能遇到的情況以及如何設(shè)計。4.風(fēng)電機組變槳距與偏航系統(tǒng)作為一種無污染的可再生能源，風(fēng)能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保價值和發(fā)展前景。隨著社會對能源的急劇需求，我國風(fēng)力發(fā)電的單機容量已發(fā)展到兆瓦級機組，控制方式從基本的定槳距失速型控制轉(zhuǎn)向變槳距控制，但與國際水平還有一定差距。風(fēng)力發(fā)電機設(shè)置偏航調(diào)向系統(tǒng)，可以使風(fēng)輪最大程度地保持迎風(fēng)狀態(tài)，從而高效地利用風(fēng)能，進一步降低發(fā)電成本，有效地保護風(fēng)力發(fā)電機，是風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，變距控制型風(fēng)電機組以其優(yōu)越的性能越來越受到人們的青睞。采用變槳距機構(gòu)的風(fēng)力機可使葉輪重量減輕，并使整機的受力狀況大為改善。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風(fēng)力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術(shù)。目前投入使用的風(fēng)電機組變槳距機構(gòu)主要有2種方案：液壓控制方案和電機控制方案。液壓執(zhí)行機構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置等優(yōu)點占有主要的地位，總的來說其技術(shù)已較成熟，但由于其液壓驅(qū)動本身存在油泄露問題，且受溫度變化影響大，所以精度受到限制。電機執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能對槳葉進行單獨控制，精度高，受到許多廠家的青睞，但其動態(tài)特性相對較差，有較大的慣性，且如連續(xù)頻繁的進行變槳調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生過量的熱負荷而損壞訓(xùn)。我們基于一種新型的變距驅(qū)動一電作動筒變槳的傳動機構(gòu)，進行了分析與設(shè)計。4.1變槳距系統(tǒng)4.1.1變槳距系統(tǒng)基本工作原理變槳距系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示。所有機艙的信號，如電源線、Canopen總線、安全鏈信號等，都從機艙經(jīng)過滑環(huán)進入輪轂內(nèi)的變槳控制柜內(nèi)，實現(xiàn)機艙與輪轂動力和信號的傳輸。每個槳葉在減速齒輪箱的輸入端和輸出端分別配有一個旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver）和絕對值編碼器，用于測量變槳的速度和位置，并將其作為速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的反饋信號，用于實時的動態(tài)調(diào)節(jié)。備用電源是在電網(wǎng)或滑環(huán)故障，外部電源無法直接為變槳距系統(tǒng)供電時，通過電源切換電路，將備用電源接入到變槳控制柜，使其能夠為變槳距系統(tǒng)提供動力和控制用電，保證葉片能夠安全、快速的回到順槳位。位置開關(guān)1和位置開關(guān)2作為一個硬件開關(guān)，用于保證變槳距系統(tǒng)能夠在設(shè)定的范圍內(nèi)運行，避免超出工作范圍。圖4-1變槳距系統(tǒng)硬件框圖4.1.2變槳距調(diào)節(jié)原理風(fēng)流經(jīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子時，風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（1）式中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩是由負載決定的，為風(fēng)輪半徑，為空氣密度。這樣，當(dāng)風(fēng)力機處于一定的風(fēng)速下，對于一定的負載下，、、亦為常量，那么風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就取決于風(fēng)能利用系數(shù)的大小，即（2）根據(jù)葉素特性理論，分析風(fēng)輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時葉片微元的受力情況，如圖4-2所示。得出理想情況下氣流與葉片角的關(guān)系（3）其中，為傾角，為攻角，為槳距角，為相對風(fēng)速，為葉尖速比。圖4-2葉片微元的受力情況分析圖4-3C1與Cl/Cd隨i的變化曲線轉(zhuǎn)矩系數(shù)（4）風(fēng)能利用系數(shù)（5）因此，對于一個在一定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)的風(fēng)力機，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向一定時，和一定，如果增大槳距角，攻角i便減小，在失速點以前的工作區(qū)內(nèi)，和升阻比將減小，由表達式(4)知，其轉(zhuǎn)矩系數(shù)也要減小，所以減小，最終導(dǎo)致風(fēng)輪輸出的機械功率減小，從而限制了風(fēng)功率的吸收。為了提高風(fēng)功率的吸收率，需要變槳距調(diào)節(jié)。4.2變槳距機構(gòu)設(shè)計與實體建模4.2.1變槳距機構(gòu)分析機械執(zhí)行機構(gòu)采用的是曲柄滑塊機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)采用的是電作動筒控制系統(tǒng)。電作動筒工作行程：(625~645)mm；作動筒作用力(持續(xù)載荷)：(69950~79720)N；作動筒重量(包括電機)不大于50kg，有專用的控制柜，重復(fù)定位精度：小于0.1mm；作動筒活塞桿位移從(0~180)mm，響應(yīng)時間：3.6s。根據(jù)機構(gòu)運動學(xué)原理，考慮到作動筒的工作行程及1.5MW風(fēng)機組槳葉實際尺寸，擬選擇曲柄450mm，連桿840ram，變距機構(gòu)設(shè)計如圖4-4所示。圖4-4動變槳距機構(gòu)設(shè)計圖4.2.2變槳距三維實體模型的構(gòu)建參數(shù)化設(shè)計是CAD中最為重要的研究技術(shù)之一，參數(shù)化技術(shù)使得設(shè)計者可以通過設(shè)計參數(shù)來驅(qū)動產(chǎn)品零件的幾何模型。本論文中風(fēng)力機變槳距機構(gòu)采用CAXA軟件來進行零件的建模，由于其參數(shù)化驅(qū)動的設(shè)計功能，可以方便的對各個部件根據(jù)實際需要進行修改。整體裝配后的三維實體模型如圖4-5所示，單一槳葉變距傳動的造型示意如圖4-6所示，傳動部分局部放大如圖4-7所示。在生成的分解視圖4-7中，作動筒伸縮桿與推力軸承外圈連接，內(nèi)圈隨風(fēng)輪回轉(zhuǎn)軸同步運轉(zhuǎn)，通過與內(nèi)圈相連的的推桿將軸向運動傳遞給連桿，從而推動槳葉圓盤曲柄在變槳范圍內(nèi)擺動，完成變槳動作。其中，推力軸承內(nèi)圈相連接的桿件(2個導(dǎo)向桿和1個推桿)與空心軸上對應(yīng)的導(dǎo)向孔相配合，導(dǎo)向桿主要起固定軸承內(nèi)圈的作用。圖4-5槳距傳動實體裝配模型圖4-6一槳葉變距傳動示意圖圖4-7槳距局部傳動設(shè)計圖圖4-8槳距傳動分解式圖其機構(gòu)的三維圖形為：輪轂：推力軸承：4.2.3槳距機構(gòu)的動態(tài)仿真與分析風(fēng)機的變槳距系統(tǒng)中涉及的要素很多，最主要的要求是在驅(qū)動機構(gòu)的作用下，槳距角按預(yù)定的精確位置關(guān)系進行變化。為了驗證所設(shè)計變槳機構(gòu)的運動狀態(tài)和運動的準(zhǔn)確性，給電作動筒伸縮桿施加一正弦的往復(fù)運動(圖4-9)，得出槳距角運動變化曲線如圖4-10所示。7006005004003002001000 時間t/s0204060801004-9作動筒伸縮桿位移槳距角變化（槳距角變化（）88.178.1 68.158.148.138.128.118.18.1-1.9020406080100時間t/s圖4-10葉節(jié)距角運動變化由機構(gòu)的動態(tài)仿真結(jié)果來看，機構(gòu)各部件均能很好的協(xié)調(diào)動作。且由此仿真曲線可以看到，伺服機構(gòu)沿主軸方向的直線往復(fù)運動經(jīng)變槳距機構(gòu)傳遞葉片，使葉片能夠繞自身軸線在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動變化，滿足了變槳距機構(gòu)的功能要求。4.3偏航系統(tǒng)偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組特有的伺服系統(tǒng)，是風(fēng)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(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向；二是當(dāng)風(fēng)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(fēng)力機偏航的原理是通過風(fēng)傳感器檢測風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測到的風(fēng)向信號送到微處理器，微處理器計算出風(fēng)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(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)需要調(diào)整方向時，微處理器發(fā)出一定的信號給偏航驅(qū)動機構(gòu)，以調(diào)整機艙的方向，達到對準(zhǔn)風(fēng)向的目的。風(fēng)力機發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)是否動作，受到風(fēng)向信號的影響，而偏航系統(tǒng)及其部件的運行工況和受力情況也受到地形狀況影響。本章主要闡述偏航控制系統(tǒng)的功能、原理、以及影響偏航系統(tǒng)工作的一些確定的和不確定的因素。4.3.1偏航系統(tǒng)的工作原理偏航系統(tǒng)的原理框圖如圖4-11所示，工作原理為：通過風(fēng)傳感器將風(fēng)向的變化傳遞到偏航電機控制回路的處理器里，判斷后決定偏航方向和偏航角度，最終達到對風(fēng)目的。為減少偏航時的陀螺力矩，電機轉(zhuǎn)速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)。當(dāng)對風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)傳感器失去電信號，電機停止工作，偏航過程結(jié)束。偏航控制器放大器偏航控制器放大器偏航機構(gòu)風(fēng)力機偏航計數(shù)檢測元件風(fēng)向信號-風(fēng)輪軸風(fēng)向圖4-11偏航系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖4.3.1偏航控制系統(tǒng)的功能偏航控制系統(tǒng)主要具備以下幾個功能：（1）風(fēng)向標(biāo)控制的自動偏航；（2）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；（3）風(fēng)向標(biāo)控制的90°側(cè)風(fēng)；（4）自動解纜；4.3.2偏航系統(tǒng)控制原理風(fēng)能普密度函數(shù)為：（1）其中，，風(fēng)波動頻率；—積分步長；—表面張力因數(shù)；—風(fēng)波動范圍因數(shù)；—平均風(fēng)速。平均風(fēng)速附近的瞬時風(fēng)速為：（2）對于時變量而言，為自由獨立變量，0<<2，n為積分步長數(shù)量。又式（1）、（2）定義實際風(fēng)速為：（3）假設(shè)平均風(fēng)速＝5m/s，在風(fēng)況穩(wěn)定的情況下，我們在仿真時間取為600s的情況下，仿真的實際風(fēng)況如圖4-12所示。圖4-12＝5m/s時的風(fēng)況仿真風(fēng)力機輸出的機械功率為：（4）其中：—空氣密度；—槳葉半徑；—風(fēng)速；—功率系數(shù)。為風(fēng)力機葉尖速比的函數(shù)，通常用下式表達：（5）轉(zhuǎn)矩系數(shù)：（6）—風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，與葉尖速比的關(guān)系：（7）偏航角：（8）其中：—風(fēng)向角度；—風(fēng)力機葉輪角度。風(fēng)向標(biāo)作為感應(yīng)元件將風(fēng)向變化信號轉(zhuǎn)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。為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉(zhuǎn)速將通過同軸連接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)，當(dāng)對風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號，電機停止轉(zhuǎn)動，偏航過程結(jié)束。在偏航過程中，風(fēng)力機總是按最短路徑將機艙轉(zhuǎn)過相應(yīng)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(zhuǎn)向問題。為了確定電機的轉(zhuǎn)向使風(fēng)力機轉(zhuǎn)過最小路徑，即偏航時間最短，需要弄清偏航角與風(fēng)向角度和風(fēng)力機葉輪角度（也就是機艙角度）之間的相對關(guān)系。就水平軸風(fēng)力機而言，風(fēng)向和風(fēng)力機葉輪迎風(fēng)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(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機葉輪迎風(fēng)面法線方向角度差小于180時，偏航角為：（9）通常，風(fēng)向角度是相對于葉輪迎風(fēng)面法線方向角度，故取＝0，偏航角度為： （10）如圖4-13所示（葉輪迎風(fēng)面以粗實線表示，虛線表示風(fēng)力機處于迎風(fēng)位置），電機正轉(zhuǎn)，風(fēng)力機機艙順時針調(diào)向。葉輪葉輪風(fēng)向風(fēng)向eWWe圖4-13<180時機艙順時針調(diào)向當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機葉輪迎風(fēng)面法線方向角度差大于180時，偏航角為：360-=360-（11）如圖4-14所示（葉輪迎風(fēng)面以粗實線表示，虛線表示風(fēng)力機處于迎風(fēng)位置），電機反轉(zhuǎn)，風(fēng)力機機艙逆時針調(diào)向。葉輪葉輪eeWWe風(fēng)向風(fēng)向圖4-14>180時=360-機艙逆時針調(diào)向4.4偏航傳動系統(tǒng)設(shè)計4.4.1偏航操作裝置概述偏航系統(tǒng)是水平軸風(fēng)電機組的重要組成部分。根據(jù)風(fēng)向的變化，偏航操作裝置按系統(tǒng)控制單元發(fā)出的指令，使風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，同時還應(yīng)提供必要的鎖緊力矩，以保證風(fēng)電機組的安全運行和停機狀態(tài)的需要。偏航操作裝置主要由偏航軸承、傳動、驅(qū)動與制動等功能部件或機構(gòu)組成。偏航系統(tǒng)要求的運行速度較低，且機構(gòu)設(shè)計所允許的安裝空間、承受的載荷更大，因而有更多的技術(shù)解決方案可供選擇。圖4-15所示是一種采用滑動軸承支撐的主動偏航裝置裝配設(shè)計方案，以下結(jié)合此種方案討論相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。圖4-15一種采用滑動軸承的偏航裝置裝配設(shè)計方案如圖4-15所示，偏航操作裝置安裝于塔架與主機架之間，采用滑動軸承實現(xiàn)主機架軸向和徑向的定位與支撐，用四組偏航操作裝置實現(xiàn)偏航的操作。該方案的設(shè)計中，大齒圈5與塔架10固定連接，在齒圈的上、下和內(nèi)圓表面裝有復(fù)合材料制作的滑動墊片，通過固定齒圈與主機架運動部位的配合，構(gòu)成主機架的軸向和徑向支撐（即偏向軸承）。在主機架上安裝主傳動鏈部件和偏航驅(qū)動裝置，通過偏航滑動軸承實現(xiàn)與大齒圈的連接和偏航傳動。當(dāng)需要隨風(fēng)向改變風(fēng)輪位置時，通過安裝在驅(qū)動部件上的小齒輪與大齒圈嚙合，帶動主機架和機艙旋轉(zhuǎn)使風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向。圖4-16所示是實現(xiàn)上述方案的偏航裝置與主機架結(jié)構(gòu)。圖4-16偏航裝置與主機架結(jié)構(gòu)為保證風(fēng)電機組運行的穩(wěn)定性，偏航系統(tǒng)一般需要設(shè)置制動器，多采用液壓鉗盤式制動器，制動器的環(huán)狀制動盤通常裝于塔架（或塔架與主機架的適配環(huán)節(jié)）。制動盤的材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強度和韌性，如采用焊接連接，材質(zhì)還具有比較好的可焊性。一般要求風(fēng)電機組壽命期內(nèi)，制動盤主體不出現(xiàn)疲勞等形式的失效損壞。制動鉗一般由制動鉗體和制動襯塊組成，鉗體通過高強度螺栓連接與主機架上，制動襯塊應(yīng)有專用的耐磨材料（如銅基和鐵基粉末冶金）制成。對偏航制動器的基本設(shè)計要求，是保證風(fēng)電機組額定負載下的制動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，所提供的阻尼轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)（與設(shè)計值的偏差小于5%），且制動過程沒有異常噪聲。制動器在額定負載下閉合時，制動襯墊和制動盤的貼合面積應(yīng)不小于設(shè)計面積的50%，制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙應(yīng)不大于0.5mm。制動器應(yīng)設(shè)有自動補償機構(gòu)，以便在制動襯塊磨損時進行間隙的自動補償，保證制動轉(zhuǎn)矩和偏航阻尼轉(zhuǎn)矩的要求。偏航制動器可采用常閉和常開兩種結(jié)構(gòu)形式。其中，常閉式制動器是指在有驅(qū)動力作用的條件下制動器處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是在驅(qū)動力作用時處于鎖緊狀態(tài)。考慮制動器的失效保護，偏航制動器多采用常閉式制動結(jié)構(gòu)形式。4.4.2偏航驅(qū)動機構(gòu)圖4-17變槳距風(fēng)力機控制系統(tǒng)圖4-17顯示了一個變槳距風(fēng)力機控制系統(tǒng)中的各組成部分，偏航驅(qū)動機構(gòu)包括偏航軸承，偏航驅(qū)動裝置和偏航制動器。1.偏航驅(qū)動部件如圖4-18所示，采用電力拖動的偏航驅(qū)動部件一般由電動機、大速比減速器和開始齒輪傳動副組成，通過法蘭連接安裝在主機架上。設(shè)計要求若不考慮電動機的選型問題，驅(qū)動部件的設(shè)計任務(wù)主要與大速比