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(dòng)偏航控制系統(tǒng)和主動(dòng)偏航控制系統(tǒng)兩種。其中，被動(dòng)偏航控制系統(tǒng)是當(dāng)風(fēng)輪偏離風(fēng)向時(shí)，通過(guò)風(fēng)壓所形成的轉(zhuǎn)矩使得風(fēng)輪和風(fēng)向相一致，其偏航力矩是由風(fēng)力產(chǎn)生；主動(dòng)偏航控制系統(tǒng)是應(yīng)用液壓機(jī)構(gòu)或者電動(dòng)機(jī)、齒輪機(jī)來(lái)使風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)。當(dāng)前，我國(guó)多數(shù)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均采用的是主動(dòng)偏航控制系統(tǒng)，在本文中也主要分析的是主動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，主要是由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、功率放大器以及偏航計(jì)數(shù)器等多個(gè)部分所組成。其各組成部分的工作原理框架圖，見(jiàn)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(fēng)向傳感器采集風(fēng)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?dāng)中，經(jīng)過(guò)功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和偏航計(jì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)和判斷，以最終給出是否需要偏航以及偏航方向的指令，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪能始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，以最大限度的吸收風(fēng)能的目的。2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1.1 控制器設(shè)計(jì)偏航控制系統(tǒng)的硬件控制功能主要是由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于風(fēng)向瞬時(shí)波動(dòng)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(rèn)為是對(duì)風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)輪偏航信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入到 CPU 中進(jìn)行處理，再將所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，并經(jīng)過(guò)功率放

3、大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果系統(tǒng)需進(jìn)行人工操作，還可以通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)得以實(shí)現(xiàn)，CPU 還可用于和主控制器之間的信號(hào)交換。2.1.2 偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由偏航軸承、偏航電動(dòng)機(jī)、偏航減速機(jī)、偏航小齒輪、偏航齒圈、制動(dòng)器、偏航液壓回路等設(shè)備所構(gòu)成。其中，對(duì)于偏航減速機(jī)的設(shè)計(jì)，由于偏航速度低，驅(qū)動(dòng)裝置的減速器通常采用的是多級(jí)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(jī)組偏航傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要，可以布置多個(gè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。裝配時(shí)必須通過(guò)齒輪嚙合間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)正確調(diào)整各個(gè)小齒輪與齒圈的相互位置，使各個(gè)齒輪副的嚙合狀況相一致，以避免出現(xiàn)卡滯或偏載問(wèn)題。2.1.3 偏航傳感器設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)乇毕驗(yàn)榛鶞?zhǔn)，有方向性，同時(shí)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(dāng)機(jī)艙和塔架相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以將轉(zhuǎn)動(dòng)信息記錄下來(lái)，用于限制發(fā)電機(jī)組電纜扭轉(zhuǎn)的次數(shù)。2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由于偏航控制系統(tǒng)是采用的計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件主程序控制流程，如下圖 3 所示。通過(guò)該系統(tǒng)軟件流程，可使偏航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)偏航、人工偏航、90°側(cè)風(fēng)以及自動(dòng)解纜等多種功能。2.2.1 自動(dòng)偏航功能當(dāng)偏航控制系統(tǒng)接收到中心控制器發(fā)送的需要進(jìn)行自動(dòng)偏航的信號(hào)后，經(jīng)

5、過(guò) 3min 時(shí)間連續(xù)檢測(cè)風(fēng)向情況。如果風(fēng)向判定準(zhǔn)確，同時(shí)機(jī)艙不位于對(duì)風(fēng)位置時(shí)，則松開(kāi)偏航制動(dòng)，偏航電動(dòng)機(jī)也開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并開(kāi)始偏航對(duì)風(fēng)程序。同時(shí)，偏航計(jì)數(shù)器也開(kāi)始工作，根據(jù)機(jī)艙所需偏轉(zhuǎn)的具體角度，使風(fēng)輪軸線方向和風(fēng)向相一致。2.2.2 手動(dòng)偏航功能手動(dòng)偏航控制主要包括了人工進(jìn)行頂部機(jī)艙控制、面板控制以及遠(yuǎn)程控制偏航這三種方式。2.2.3 自動(dòng)解纜功能自動(dòng)解纜功能是偏航控制器通過(guò)檢測(cè)偏航角度、偏航時(shí)間以及偏航傳感器，使出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況的電纜自動(dòng)解開(kāi)的控制過(guò)程。通常而言，當(dāng)偏航控制器檢測(cè)到扭纜達(dá)到一定圈數(shù)時(shí)（可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置），如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于暫?；騿?dòng)狀態(tài)時(shí)，則系統(tǒng)可控制自動(dòng)解纜；如發(fā)電機(jī)組

6、正處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(jìn)行正常偏航和對(duì)風(fēng)跟蹤。如偏航控制器檢測(cè)到扭纜狀態(tài)達(dá)到保護(hù)極限時(shí)，偏航控制器通過(guò)軟件系統(tǒng)請(qǐng)求中心控制器正常停機(jī)，此時(shí)中心控制器允許偏航控制系統(tǒng)強(qiáng)制執(zhí)行解纜動(dòng)作。當(dāng)解纜完成后，偏航控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)送解纜完成信號(hào)。2.2.4 90°側(cè)風(fēng)功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 90°側(cè)風(fēng)功能是在風(fēng)輪過(guò)速或遭遇切出風(fēng)速以上的大風(fēng)時(shí)，控制系統(tǒng)為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，控制系統(tǒng)將對(duì)機(jī)艙進(jìn)行 90°側(cè)風(fēng)偏航處理。正是由于 90°側(cè)風(fēng)功能是在外界風(fēng)力對(duì)發(fā)電機(jī)組有較大影響的條件下，為確保機(jī)組安全所采取的措施，因此在該情況下，應(yīng)當(dāng)使機(jī)

7、艙走最短路徑，并應(yīng)當(dāng)屏蔽自動(dòng)偏航指令。在側(cè)風(fēng)結(jié)束后，還應(yīng)當(dāng)抱緊偏航制動(dòng)盤(pán)，同時(shí)當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，需繼續(xù)追蹤風(fēng)向的變化，以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全。90°側(cè)風(fēng)功能的控制過(guò)程與自動(dòng)偏航功能的控制相類似。3 總結(jié) 本文在對(duì)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(jì)方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究與探討。當(dāng)前，對(duì)偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，是我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化、批量化發(fā)展的需要，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，值得我們?nèi)ミM(jìn)一步探索與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 倪受元 . 風(fēng)力機(jī)的工作原理和氣動(dòng)力特性J. 太陽(yáng)能 ,2013(05).2 張新房 , 徐大平等 . 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及若干問(wèn)

8、題 J. 現(xiàn)代電力 ,2008(09).3 葉杭冶 . 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù) M.北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2006.4 王承熙 , 張?jiān)?. 風(fēng)力發(fā)電 M. 北京 : 中國(guó)電力出版社 ,2003.包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。 偏航驅(qū)動(dòng)裝置通常采用開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。大齒輪固定在塔架頂部靜止不動(dòng)，多采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，小齒輪由安裝在機(jī)艙上的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。參見(jiàn)圖 4-3 和圖 4-4。為了得到對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)扭矩，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上通常由兩臺(tái)或多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。偏航驅(qū)動(dòng)器多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)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(dòng)比很大，通常在 1：1000 左右，因此采用多級(jí)減速器，一般采用二到三級(jí)平行軸斜齒輪減速器和兩級(jí)行星減速器組合而成（BONUS 和 NEG-Micon 機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）。也有采用一級(jí)渦輪減速器和一級(jí)行星減速器組合而成的減速器（VESTAS 機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）。 4.2.2 偏航驅(qū)動(dòng)裝置 包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。 偏航驅(qū)動(dòng)裝置通常采用開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。大齒輪固定在塔架頂部靜止不動(dòng)，多采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，小齒輪由安裝在機(jī)艙上的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。參見(jiàn)圖 4-3 和圖 4-4。為了得到對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)扭矩，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上通常由兩臺(tái)或多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。偏航驅(qū)動(dòng)器多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪減速器得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航