【文章內(nèi)容簡介】 通過控制液壓缸的往復(fù)運動，實現(xiàn)偏航、松繩、回缸幾個運動，完成偏航運動行程，使機艙偏轉(zhuǎn)一個角度。如此往復(fù)運動，實現(xiàn)機艙的間歇性偏航。由于每個行程中都有松繩和回缸運動，運動是間歇的，因此效率很低。通常40分鐘偏航一圈。而且這種偏航驅(qū)動采用國歌電磁閥、復(fù)雜的控制油路和電控系統(tǒng)來控制，因此故障率很高。由于采用摩擦傳動，容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生大風(fēng)和霜凍天氣因打滑無法偏航的情況。為了保證風(fēng)力機停止偏航時不會因葉片受風(fēng)載荷而被動偏離風(fēng)向的情況，風(fēng)力機上多裝有偏航制動器。偏航制動器是偏航系統(tǒng)中的重要部件，制動器應(yīng)在額定負載下，制動力矩穩(wěn)定，其值應(yīng)不小于設(shè)計值。在機組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應(yīng)保持平穩(wěn)，與設(shè)計值的偏差應(yīng)小于5%，制動過程不得有異常噪聲。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自動補償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的穩(wěn)定。在偏航系統(tǒng)中，制動器可以采用常閉式和常開式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較并考慮失效保護，一般采用常閉式制動器。采用滑動軸承的偏航系統(tǒng)，因軸瓦出于干摩擦和邊界摩擦狀態(tài)，摩擦阻力很大，加上下推力瓦上彈簧的壓力，更加大了偏航時的阻力，因此采用這種軸承的偏航系統(tǒng)，停止偏航時，機艙不會被動偏離風(fēng)向。制動盤通常位于塔架或塔架與機艙的適配器上，一般為環(huán)狀，制動盤的材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強度和韌性，如果采用焊接連接，材質(zhì)還應(yīng)具有比較好的可焊性，此外，在機組壽命期內(nèi)制動盤不應(yīng)出現(xiàn)疲勞損壞。制動盤的連接、固定必須可靠牢固，表面粗糙度應(yīng)達到Ra。圖36 偏航制動器結(jié)構(gòu)圖制動鉗由制動鉗體和制動襯塊組成。制動鉗體一般采用高強度螺栓連接用經(jīng)過計算的足夠的力矩固定于機艙的機架上。制動襯塊應(yīng)由專用的摩擦材料制成，一般推薦用銅基或鐵基粉末冶金材料制成，銅基粉末冶金材料多用于濕式制動器，而鐵基粉末冶金材料多用于干式制動器。一般每臺風(fēng)機的偏航制動器都備有2個可以更換的制動襯塊。 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，達到對準風(fēng)向的目的。偏航控制系統(tǒng)主要具備以下幾個功能：（1）風(fēng)向標控制的自動偏航；（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)向標控制的90176。側(cè)風(fēng)；（4）自動解纜；偏航角θe： (31)其中： θW－風(fēng)向角度；θT－風(fēng)力機葉輪角度。風(fēng)向標作為感應(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θe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180o時，偏航角為： (32)通常，風(fēng)向角度θW是相對于葉輪迎風(fēng)面法線方向角度，故取θT＝0，偏航角度為： (33)如圖37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。圖37 θw180176。時θe=θw 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180176。時，偏航角為： (34)如圖38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。圖38 θw180176。時θe=360向176。θw機艙逆時針調(diào)向4 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)果分析 Vb結(jié)構(gòu)和功能 Visual ：(1)、易于學(xué)習(xí)和使用visual basic基于圖形界面的開發(fā)環(huán)境使開發(fā)者對各種功能一目了然、易于理解。(2)、開發(fā)高效，功能強大，程序員可以輕松使用visual basic提供的各種功能組件快速搭建一個應(yīng)用程序。 (3)、廣泛的用戶基于visual basic是世界上使用人數(shù)最多的語言之一，能給更多的開發(fā)者帶來更多的思想，更多的交流和更多的試用機會。 Visual （1） 主窗口應(yīng)用程序窗口，由標題欄、菜單欄和工具欄組成。（2） 窗體(form)窗口設(shè)計VB程序的界面。（3） 代碼(code)窗口編輯窗體、標準模塊中的代碼。（4） 屬性(properties)窗口所有窗體或控件的屬性設(shè)置。（5） 工程資源管理器(project experor)窗口保存一個應(yīng)用程序所有的文件。（6） 工具箱(toolbox)窗口顯示各種控件的制作工具，供用戶在窗體上設(shè)計。 VB主要功能和特點： (1) 具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計工具。(2) 事件驅(qū)動的編程機制。(3) 提供了易學(xué)易用的應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境。(4) 結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言。(5) 支持多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問。(6) Active技術(shù)。(7) VB 、網(wǎng)絡(luò)功能等的增強。(8) 完備的help聯(lián)機幫助功能。偏航過程分自動對風(fēng)偏航、側(cè)風(fēng)偏航、解纜偏航和手動偏航四個過程。其中手動偏航優(yōu)先級最高。在偏航過程中不論是對風(fēng)偏航還是側(cè)風(fēng)偏航，確定在一分鐘內(nèi)風(fēng)向在某一方位頻率的高低最為關(guān)鍵，頻率取得低，會造成偏航電機的頻繁啟動和停止，頻率取得高，會降低對風(fēng)或側(cè)風(fēng)的靈敏度，影響風(fēng)機的出力。自動對風(fēng)偏航是在風(fēng)機系統(tǒng)無故障，風(fēng)速持續(xù)10分鐘達到偏航風(fēng)速，電網(wǎng)電壓和頻率持續(xù)10分鐘無異常后執(zhí)行的。首先采樣一分鐘的風(fēng)向，通過一分鐘內(nèi)風(fēng)向在某一方位的頻率來判斷現(xiàn)在風(fēng)機是正好對風(fēng)，還是需要順時針偏航或逆時針偏航。開始偏航時先執(zhí)行偏航制動，過2秒后再執(zhí)行釋放偏航剎車，2秒后執(zhí)行順/逆時針偏航。當(dāng)風(fēng)向的采樣值說明現(xiàn)在正好對風(fēng)，則執(zhí)行偏航制動。側(cè)風(fēng)偏航過程在剎車系統(tǒng)有故障時執(zhí)行。通過分析Bonus150KW、Tacke 500KW及其他機型風(fēng)機的運行記錄，特別是小風(fēng)機在風(fēng)速很高時(25m以上)，停機后也要執(zhí)行側(cè)風(fēng)偏航過程。但這樣使偏航系統(tǒng)的負載很大，容易出現(xiàn)故障，因此在設(shè)計時取消了高風(fēng)速的側(cè)風(fēng)保護。當(dāng)剎車系統(tǒng)出現(xiàn)閘塊磨損、計算機在兩套圓盤閘均處于剎車狀態(tài)時檢測到葉輪轉(zhuǎn)速信號2RPM(風(fēng)機在剎車狀態(tài)下仍有轉(zhuǎn)速)、剎車過程中兩套圓盤閘都剎住6秒后檢測到葉輪轉(zhuǎn)速5RPM(因故障圓盤閘不能使風(fēng)機停止轉(zhuǎn)動)，在執(zhí)行安全剎車過程的同時，采樣一分鐘風(fēng)向，判斷風(fēng)機是正好處于側(cè)風(fēng)狀態(tài)，還是需要順時針偏航或逆時針偏航。開始偏航時先執(zhí)行偏航制動，過2秒后再執(zhí)行釋放偏航剎車，2秒后執(zhí)行順/逆時針偏航。當(dāng)風(fēng)向的采樣值說明現(xiàn)在正好側(cè)風(fēng)，則執(zhí)行偏航制動。側(cè)風(fēng)過程在故障信號清除時結(jié)束，返回自動偏航過程。解纜偏航過程在收到順/逆時針偏航位置開關(guān)信號時執(zhí)行，表示風(fēng)機向一個方向偏航過多。不論正在執(zhí)行對風(fēng)偏航還是側(cè)風(fēng)偏航，中斷后立即執(zhí)行偏航制動，2秒后執(zhí)行偏航剎車釋放，2秒后執(zhí)行逆/順時針偏航。當(dāng)收到中間位置開關(guān)信號時執(zhí)行偏航制動，返回自動偏航過程。手動偏航級別最高。只要收到手動偏航信號，停止現(xiàn)在的偏航過程執(zhí)行偏航制動，2秒后執(zhí)行偏航剎車釋放，2秒后執(zhí)行偏航過程。當(dāng)手動偏航信號消失時執(zhí)行偏航制動，返回自動偏航過程。除此之外還要檢測偏航電機過載信號，對風(fēng)、側(cè)風(fēng)偏航過程中設(shè)有偏航時間過長的保護，解纜過程中設(shè)有兩個位置開關(guān)信號同時收到的故障檢測，解纜后120秒位置開關(guān)信號仍未消失的故障檢測，以及扭纜開關(guān)動的故障檢測。 根據(jù)風(fēng)機主要運行控制過程，列出程序中主流程圖及重要的程序流程圖3幅如下。（1）程序主流程圖 圖41 程序主流程圖(2)自動偏航過程 圖42自動偏航過程(3) 解纜過程 圖43解纜過程 Vb編程設(shè)計作為風(fēng)機的偏航控制系統(tǒng)，其主要作用就是根據(jù)風(fēng)機的運行工況，正確的調(diào)整機組的迎風(fēng)方向。所以風(fēng)機無論在什么工況下，風(fēng)機都離不開3中基本工作狀態(tài)，它們是：順時針偏轉(zhuǎn)，逆時針偏轉(zhuǎn)和停機偏轉(zhuǎn)。下面簡單介紹自動偏的過程，vb程序如圖44。圖44 vb程序風(fēng)向儀將采集的信號傳送控制計算機，計算平均風(fēng)向，與偏航角度絕對值編碼器比較，輸出指令驅(qū)動偏航電機（帶失電制動），將機頭朝正對風(fēng)向調(diào)整，并記錄當(dāng)前調(diào)整角度，調(diào)整完畢電機停轉(zhuǎn)并啟動偏航制動，偏航制動如下圖45和圖46所示。圖45圖46注：順時針偏航和逆時針偏航是相對而言的，是機組的兩個不同方向的偏航過程，只要知道這兩個過程是相對的即可。 風(fēng)力機偏航控制系統(tǒng)從原理上來說是一個位置伺服控制系統(tǒng)，即偏航電動機帶動風(fēng)力機機艙負載使其根據(jù)傳感器發(fā)出的信號，進行位置調(diào)整，以達到對風(fēng)。工作原理即通過風(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，達到對準風(fēng)向的目的。 結(jié)束語風(fēng)能作為一種可再生“綠色能源”越來越受到世界各國的重視。而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是典型的機電一體化技術(shù)系統(tǒng)，同時它還涉及到到空氣動力學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域，開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，具有深遠的意義。隨著《可再生能源法》在我國于2006年1月1日起正式實施，必將極大促進我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。在這部法規(guī)中明確規(guī)范了政府和社會在可再生能源開發(fā)利用方面的責(zé)任與義務(wù)，確立了一系列制度和措施。在中國能源與環(huán)境形勢相當(dāng)嚴峻的情況下，該法將引導(dǎo)和激勵國內(nèi)外各類經(jīng)濟主體參與開發(fā)利用可再生能源，促進可再生能源長期發(fā)展，使得可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中逐步占有重要地位，有效地減緩礦物燃料特別是煤炭帶來的環(huán)境問題，促進可持續(xù)發(fā)展。重視和努力推動我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展正當(dāng)其時。其社會效益與經(jīng)濟效益是不言而喻的。目前國內(nèi)的研究人員針對風(fēng)力發(fā)電的研究主要局限在電氣方面的研究，而對于風(fēng)力發(fā)電機的主體——機械部分少有涉及。本文主要是對風(fēng)力發(fā)電機的機械部分中的偏航控制系統(tǒng)進行了一定的研究。風(fēng)力發(fā)電機工作環(huán)境比較惡劣。因此在維護上不是很方便，且費用較高。由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性就使得風(fēng)力發(fā)電機并不能總是工作在平穩(wěn)狀態(tài)。為了最大效率的發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電機的性能，必須使風(fēng)力發(fā)電機時時對準風(fēng)向。這就要求風(fēng)力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向與風(fēng)機位置的不同而調(diào)向。本文主要做了以下工作：（1）敘述了國內(nèi)國外風(fēng)力發(fā)電的狀況以及風(fēng)能的概念。（2）介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功能和組成結(jié)構(gòu)。（3）分析了發(fā)電機系統(tǒng)的偏航系統(tǒng)的原理及其功能，并且介紹了偏航系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)和制動機構(gòu)。（4）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)對偏航控制系統(tǒng)的功能要求，介紹vb的基本結(jié)構(gòu)和特點， 并使用vb簡單模擬風(fēng)力發(fā)電機偏航控制過程。現(xiàn)今世界上的風(fēng)力發(fā)電機正向大型化、智能化的方向發(fā)展。提高風(fēng)力發(fā)電的效率與改善風(fēng)電的品質(zhì)是風(fēng)力發(fā)電研究的主要目的之一，但還存在著很大困難。其困難在于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)涉及空氣動力學(xué)，而風(fēng)具有很強的流動性和可壓縮性，風(fēng)速與風(fēng)向是隨機變化的。由于不確定的因素比較多，目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模主要是采用了空氣動力的靜態(tài)模型。建立動態(tài)模型相對比較困難，這與實際風(fēng)力發(fā)電機的運行情況并不太相符。應(yīng)用當(dāng)代非線性控制技術(shù)的發(fā)展成果，加強對風(fēng)力發(fā)電機組的研制和對風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的魯棒性控制研究，必將對風(fēng)力發(fā)電的研究起到實際的推動作用。它的發(fā)展必將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也會極大的減小對環(huán)境的污染。中國資源利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會主持、綠色和平與歐洲風(fēng)能協(xié)會資助的報告同時指出：2030年，中國風(fēng)能規(guī)?？蛇_1億千瓦；2050年前后，可達到或超過4億千瓦的裝機容量。2020年之后風(fēng)電可以超過核電成為中國第三大主力發(fā)電電源，到2050年風(fēng)電將超過水電成為第二大主力發(fā)電電源。從長遠來看，風(fēng)力發(fā)電具有極大的社會效益與經(jīng)濟效益。致謝在本論文即將結(jié)束時，我真心感謝很多給與我學(xué)習(xí)和生活關(guān)懷幫助的人。王海云老師在課題研究階段，精心指導(dǎo)、認真講解設(shè)計過程中遇到的各種困難，在這里我向王老師表示真摯衷心的感謝！最后還要感謝我的同學(xué)，謝謝你們在設(shè)計過程中的支持與鼓勵。