风力机偏航系统的设计与控制.docx
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风力机偏航系统的设计与控制
毕业设计（论文）
题目风力机偏航系统的设计与控制
系别
机械工程系
专业班级
机械工程及自动化专业07K1班
学生姓名
唐利忠
指导教师
向玲
二○一一年六月
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；
DESIGNANDCONTROLOFYAWSYSTEMFORWINDTURBINE
Abstract
Withthedevelopmentofsocialeconomy,theneedsoftheelectricityisincreasingdaybyday.Withoil,coal,andnaturalgasastheconventionalenergy,notonlylimitedresources,anditwillcausesevereenvironmentalpollutionafterusing.Weenterthe21stcentury,worldenergystructureispregnantwiththemajorshift,namelythefossilfuelsystemchangetorenewableenergyitisbasedsustainableenergysystem.Windpowerasinexhaustible,anunlimitedsupplyofgreencleanenergyhasreceivedtheworld'sattention,Andtheyawsystemforwindturbinecanmakebetteruseofthewindpower,sothedesignoftheyawsystemisveryimportant.
Yawsystemisapeculiarservosystemofwindpowergenerators.Ithastwomainfunctionswhenthedirectionofthewindvectorchanges,itcanquicklyonthedirectionofthewind,smoothlytogetthemaximumwind;therotortwoitisbecauseyawroleofthewindpowergenerators,thecabinraisescablehappentwists,automaticsolutioncable.Thissubjectistocompletedesignandcontroloftheyawsystem,letthewindgeneratorbetterandmoreefficientoperate.
Keywords:
WindPowerGeneration;WindDirectSignal;YawControlSystem;YawDriveFramework;
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题提出背景1
1.2课题的研究意义1
1.3国内外风力发电概况1
1.3.1世界风电发展1
1.3.2我国风电发展2
1.4课题主要工作3
2风力发电机组系统基本组成及功能简介4
2.1风力机桨叶系统4
2.2风力机齿轮箱系统4
2.3发电机系统5
2.4控制系统6
2.5偏航系统7
2.6刹车系统8
3偏航控制结构和驱动机构9
3.1偏航控制机构9
3.1.1风向传感器9
3.1.2偏航控制器10
3.1.3解缆传感器10
3.2偏航驱动机构10
3.2.1偏航轴承10
3.2.2偏航驱动装置11
3.2.3偏航制动器12
4风力机偏航控制过程13
4.1自动偏航13
4.290度侧风17
4.3人工偏航17
4.4自动解缆17
总结19
参考文献20
致谢22
1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，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、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；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：
●深入了解分析偏航系统应实现的功能
●熟悉并掌握偏航系统的机械结构
●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。
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。
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。
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