【文章內容簡介】 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，這種摩擦接觸式結構在風力發(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，轉子為籠型結構，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的主流形式 。 但對于直驅式風力 發(fā)電機系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機形式。這種直接新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 7 驅動式風力發(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。直驅式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅式風機中系統(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發(fā)電機系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機構聯(lián)結。 圖 24 雙饋異步感應發(fā)電機系統(tǒng)結構圖 偏航系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)是用來調整風力機的風輪葉片旋轉平面與空氣流動方向相對位置的機構，因為當風輪葉 片旋轉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)電機的轉動而扭轉。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設法解纜。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)應自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉動纏繞圈數(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)角新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 8 度傳感器所記錄的偏轉角度情況，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，控制偏轉電機正轉，當需要解纜且記錄數(shù)字為正時，控制偏 轉電機反轉。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，紐纜開關將動作，此開關動作將會觸發(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或在大風時使風力機停止運轉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各種設備，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。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構或柔性塔架。 控制系統(tǒng) 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構圖如圖 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)電機的轉速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風速范圍內，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，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)的結構，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執(zhí)行機構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。 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 9 圖 25 控制系統(tǒng)結構圖 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 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)由偏航控制機構和偏航驅動機構兩大部分組成，其中偏航控制機構包括： （ 1） 風向傳感器 （ 2）偏航控制器 （ 3）解纜傳感器 機械驅動機構包括： （ 1）偏航軸承 （ 2）偏航驅動裝置 （ 3）偏航制動器 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。 偏航控制機構 偏航控制機構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構和原理上有很大區(qū)別。主要使用的風向儀的結構與原理如圖 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。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。 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 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科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 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。 解纜傳感器 由于風力機總是選擇最短距離最短時間內偏航對風，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。 有的風力機的解纜傳感器中設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。 偏航驅動機構 偏航系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅動裝置、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)的一般組成結構，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。 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 13 圖 32 偏航驅動機構示意圖 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。滑動軸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）。回轉支承是一種特殊結構的大型軸承，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?；剞D支承通常有帶內齒輪或外齒輪的結構類型，用于偏航驅動。目前使用的大多數(shù)風力機都采用這種偏航軸承。 偏航軸承的軸承內外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內齒或外齒形式。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；內齒形式是輪齒位于偏航軸承的內圈上，嚙合受力效果較好，結構緊湊。具體采用內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 33 所示。 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 14 a）外齒驅動形式的偏航 b）內齒驅動形式的偏航系統(tǒng) 圖 33 偏航系統(tǒng)結構簡圖 a）外齒形式 b）內齒形式 圖 34 偏航齒圈結構簡圖 偏航驅動裝置 驅動裝置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，多采用內齒輪結構，小齒輪由安裝在機艙上的驅動器驅動。參見圖 32 和 33。為了得到對稱的驅動扭矩，在大型風力發(fā)電機組上通常由兩臺或多臺驅動器驅動偏航系統(tǒng)。偏航驅動器多采用電機驅動，通過齒輪減速器得到合適的輸出轉速和扭矩，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）。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） 新疆大學科學技術學院畢業(yè)論文（設計） 15 圖 35 偏航減速齒輪 （說明：該結構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動；大齒輪固定在塔架頂部，多采用內齒輪。） 為了減小偏航驅動器的體積，也有采用低速大扭矩液壓馬達驅動，通過一級行星減速器裝置（ WIND MASTER 機組采用這種機構）。 這些偏航驅動器均采用了傳統(tǒng)的驅動裝置，驅動電機、多級減速器、液壓馬達都已經(jīng)是標準化、系列化的產品，因此在技術上都比較成熟，選用也很方便。但在 NEDWIND 機組中 卻采用了一種其他類型的驅動裝置－鋼絲繩驅動，通過纏繞在回