【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)電機的單機容量越來越大。風力發(fā)電機所用的發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機，對于定槳距風力發(fā)電機組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機的效率問題，而且還改善了低風速時的葉尖速比。由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。所以，有些風力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機，該電機定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。目前，這種發(fā)電機形式成為各風電制造廠商生產(chǎn)的主流形式 。 但對于直驅(qū)式風力 發(fā)電機系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機形式。這種直接新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 驅(qū)動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。直驅(qū)式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅(qū)式風機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。圖 24 所示為雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機構(gòu)聯(lián)結(jié)。 圖 24 雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)是用來調(diào)整風力機的風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)，因為當風輪葉 片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大。 解纜裝置 自 然界中的風是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風向是不定的。由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經(jīng)常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉(zhuǎn)動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。不同的風力發(fā)電機需要解纜時的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。當達到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時，系統(tǒng)應(yīng)自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解 纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。若因故障，自動解纜未起作用，風力發(fā)電機也規(guī)定了一個極值圈數(shù)，在紐纜達到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。 自動解纜包括計算機控制的凸輪自動解纜和紐纜開關(guān)控制的安全鏈動作計算機報警兩部分，以保證風電機組安全。凸輪控制的自動解纜過程如下 :根據(jù)角新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 度傳感器所記錄的偏轉(zhuǎn)角度情況，確定順時針解纜還是逆時針解纜。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報告，當需要解纜且記錄數(shù)字為負時，控制偏轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)，當需要解纜且記錄數(shù)字為正時，控制偏 轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)。在此過程中同時檢測偏航中心電機工作，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，向中心控制器發(fā)出自動解纜完成信號。紐纜開關(guān)控制的安全鏈保護；若凸輪控制的自動解纜未能執(zhí)行，則紐纜情況可能會更加嚴重，當紐纜達到極值圈數(shù)時，紐纜開關(guān)將動作，此開關(guān)動作將會觸發(fā)安全鏈動作，向中心控制器發(fā)出緊急停機信號和不可自復(fù)故障信號，等待進行人工解纜操作。 剎車系統(tǒng) 其功能是當風力機需要停止運轉(zhuǎn)或在大風時使風力機停止運轉(zhuǎn)以達到維修或保護風力機的目的。在小型風力機中多采用機械抱閘剎車方式實現(xiàn)制動停車，可以手動也可自動實現(xiàn)停車；在大中型 風力機中多采用液壓或電氣制動方式實現(xiàn)抱閘停車。 塔架 用來支撐風力機及機艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風力機能處于良好的風況環(huán)境下運轉(zhuǎn)。根據(jù)風力機容量的大小，塔架可以制成實心鐵柱式，也可以制成鋼材晰架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。 控制系統(tǒng) 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。定槳距風力機控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)距角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風速范圍內(nèi)，該形式的控制系統(tǒng)在運行過程中對由于風速的變化引起輸出量的 變化是不作任何控制的。變槳矩風力發(fā)電機組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制，在并網(wǎng)后則可對功率進行控制。相對于定槳距風力發(fā)電機組來說，變槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機構(gòu)，作為變距系統(tǒng)，它自身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或電液伺服閥，控制系統(tǒng)水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。 圖 25 所示為風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對此控制系統(tǒng)，選用集散型或分布式工業(yè)控制計算機，是絕大多數(shù)風力發(fā)電機組選用的形式。其優(yōu)點是有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實現(xiàn)就 地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采焦信號講行處理。這樣就避免了各類傳感器和艙內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)與地面主控制器之間的通信線路及控制線路。主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊，對電網(wǎng)風況及風力發(fā)電機組的運行參數(shù)進行監(jiān)控，并與其它控制模塊保持通信，通過對各方面的情況進行綜合分析后，發(fā)出控制指令，實現(xiàn)控制目的。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 圖 25 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 3 偏航控制系統(tǒng)組成和原理 偏航系統(tǒng)的組成 風力機的偏航系統(tǒng)由偏航控制機構(gòu)和偏航驅(qū)動機構(gòu)兩大部分組成，其中偏航控制機構(gòu)包括： （ 1） 風向傳感器 （ 2）偏航控制器 （ 3）解纜傳感器 機械驅(qū)動機構(gòu)包括： （ 1）偏航軸承 （ 2）偏航驅(qū)動裝置 （ 3）偏航制動器 偏航控制機構(gòu)是風力機特有的伺服系統(tǒng)，機械驅(qū)動機構(gòu)則是偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。 偏航控制機構(gòu) 偏航控制機構(gòu)是風力機特有的伺服系統(tǒng)，用于控制風論跟蹤變化穩(wěn)定的風向，并且具有當電纜發(fā)生纏繞時，能夠自動解除纏繞功能。 風向傳感器 風向傳感器相關(guān)的原理和性能參數(shù)參見第三章。需要說明的是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(shè)備不同有一些區(qū)別。具體有以下兩個方面： （ 1）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。 （ 2）風向儀安裝在機艙頂部隨機艙一起轉(zhuǎn)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。因此風力機上所使用的風向儀和測風裝置上的風向儀在結(jié)構(gòu)和原理上有很大區(qū)別。主要使用的風向儀的結(jié)構(gòu)與原理如圖 31 所示。 風向傳感器安裝在風力發(fā)電機組的玻璃鋼機艙罩上的固定支架土，可隨風力發(fā)電機組同步旋轉(zhuǎn)。兩個光敏傳感器安裝在風向標里， OPT 為 0 度角傳感器，OPT2 為 90 度角傳感器。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 圖 31 風向傳感器原理圖 當風力發(fā)電機與風向其工作原理是：一個半圓形桶罩有風向標驅(qū)動，當傳感器 OPT1 或 OPT2 沒有被半圓筒罩擋住時，傳感器輸出信號是高電平，反之是低電平。以下就幾種情況加以討論： （ 1）風力發(fā)電機對準風向 當風力發(fā)電機對準風向時， OPT1 完全或部分（因此時不一定對風很準，且風向不時變化）被遮住，輸出 0～ 24V(具體看對風的準確度 )的電信號。 OPT2完全沒有被遮住，輸出 24V 穩(wěn)定高電平信號。 （ 2）風力發(fā)電機與風向成順時針 90 成順時針 90176。時， OPT2 完全或部分被遮住，輸出 0～ 24V 電信號。 OPT1 完全沒有被遮住 ,輸出 24V 穩(wěn)定高電平信號。 （ 3）風力發(fā)電機與風向成 180176。 當風力發(fā)電機與風向成 180176。時， OPT1 完全或部分被遮住，輸出 0～ 24V電信號， OPT2 完全被遮住，輸出 0V 穩(wěn)定低電平信號。 （ 4）風力發(fā)電機與風向成逆時針 90176。 當風力發(fā)電機與風向成逆時針 90176。時， OPT1 完全被遮住，輸出 OV 低電平。 OPT2 完全或部分被遮住，輸出 0～ 24V 電信號。由于風一直是波動的，方向是不定的，因此風向標在風中不停搖擺，這樣造成 OPT1 或 OPT2 有時的輸出不是穩(wěn)定的 0V 或 24V 的電平信號，而是 0～ 24V 之間的 一個不確定值。這樣造成的的后果是 :由于不是對風很正，偏航系統(tǒng)就會不停的工作，機艙將會頻繁的調(diào)向。 可以看出，采用這樣的光敏傳感器，其精度不高，指示也不明確，同時也不能記錄每次的偏航角度為解纜作參考。針對這樣的缺陷，文獻中采用了具有新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 很高的精確性、分辨率與可靠性的絕對式角位移傳感器作為風向傳感器。但如果存在大風強風雷電等惡劣天氣時候，這樣的角位移傳感器極易損壞。 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(shù)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(yīng)用的趨勢。 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，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(zhuǎn)動。通過蝸輪、蝸桿和齒輪傳動多級減速，驅(qū)動一組凸輪，每個凸輪推動一個微動開關(guān)工作，發(fā)出不同的信號指令。微 處理器通過各個微動開關(guān)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。 有的風力機的解纜傳感器中設(shè)置了有條件解纜和無條件解纜兩種解纜信號，目的是保證電纜在扭轉(zhuǎn)圈數(shù)較少的情況下，在無功率輸出或停機的情況下就進行解纜，以減少解纜時的停機次數(shù)和功率損失。 偏航驅(qū)動機構(gòu) 偏航系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航計數(shù)器、紐纜保護裝置、偏航液壓回路等幾個部分組成。偏航系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)，如圖32 所示。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(qū)動裝置可以采用電動機驅(qū)動 或液壓馬達驅(qū)動，制動器可以是常閉式或常開式。常開式制動器一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；常閉式制動器一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。采用常開式制動器時，偏航系統(tǒng)必須具有偏航定位鎖緊裝置或防逆?zhèn)鲃友b置。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 圖 32 偏航驅(qū)動機構(gòu)示意圖 偏航軸承 常用的偏航軸承有滑動軸承和回轉(zhuǎn)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。軸瓦分為軸向上推力瓦、徑向推力瓦和軸向下推力瓦三種類型，分別用來承受機艙和葉片重 量產(chǎn)生的平行于塔筒方向的軸向力，葉片傳遞給機艙的垂直于塔筒方向的徑向力和機艙的傾覆力矩。從而將機艙受到的各種力和力矩通過這三種軸瓦傳遞到塔架（ Nordtank 和 Vestas 機組均采用這種偏航軸承）?；剞D(zhuǎn)支承是一種特殊結(jié)構(gòu)的大型軸承，它除了能夠承受徑向力、軸向力外，還能承受傾覆力矩。這種軸承已成為標準件大批量生產(chǎn)?；剞D(zhuǎn)支承通常有帶內(nèi)齒輪或外齒輪的結(jié)構(gòu)類型，用于偏航驅(qū)動。目前使用的大多數(shù)風力機都采用這種偏航軸承。 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(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式應(yīng)根據(jù)機組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進行選擇。偏航齒圈的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖 33 所示。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 a）外齒驅(qū)動形式的偏航 b）內(nèi)齒驅(qū)動形式的偏航系統(tǒng) 圖 33 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 a）外齒形式 b）內(nèi)齒形式 圖 34 偏航齒圈結(jié)構(gòu)簡圖 偏航驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置包括偏航電機和偏航減速齒 輪機構(gòu)。 偏航驅(qū)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(jié)構(gòu)，小齒輪由安裝在機艙上的驅(qū)動器驅(qū)動。參見圖 32 和 33。為了得到對稱的驅(qū)動扭矩，在大型風力發(fā)電機組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動器驅(qū)動偏航系統(tǒng)。偏航驅(qū)動器多采用電機驅(qū)動，通過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，減速器傳動比很大，通常在 1： 1000 左右，因此采用多級減速器，一般采用二到三級平行軸斜齒輪減速器和兩級行星減速器組合而成（ BONUS 和 NEGMicon 機組采用這種機構(gòu)）。也有采用一級渦輪減速器和一級 行星減速器組合而成的減速器（ VESTAS 機組采用這種機構(gòu)） 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 圖 35 偏航減速齒輪 （說明：該結(jié)構(gòu)只是偏航減速齒輪中的小齒輪，多采用外齒輪，安裝在機艙上，由偏航電機和蝸輪蝸桿驅(qū)動；大齒輪固定在塔架頂部，多采用內(nèi)齒輪。） 為了減小偏航驅(qū)動器的體積，也有采用低速大扭矩液壓馬達驅(qū)動，通過一級行星減速器裝置（ WIND MASTER 機組采用這種機構(gòu)）。 這些偏航驅(qū)動器均采用了傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，驅(qū)動電機、多級減速器、液壓馬達都已經(jīng)是標準化、系列化的產(chǎn)品，因此在技術(shù)上都比較成熟，選用也很方便。但在 NEDWIND 機組中 卻采用了一種其他類型的驅(qū)動裝置－鋼絲繩驅(qū)動，通過纏繞在回