【正文】 電技術(shù)不斷進(jìn)步，單機(jī)容量逐步增大，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，可用率達(dá)到 98%以上，是一種安全可靠的能源。若考慮煤電的環(huán)境污染和交通安全等問題，風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于煤電。單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝僅需幾個(gè)星期，可多臺同時(shí)安裝，互不干擾。 (5)風(fēng)力發(fā)電占 地面積少。 由此可見，風(fēng)力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到世界各國政府的高度重視。運(yùn)行可靠性從 20 世紀(jì) 80 年代初的 50%提高到 98%以上 。風(fēng)電場發(fā)展空間更加廣闊，已從內(nèi)陸移到海上。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電 根據(jù)全國風(fēng)能理事會（ GWEC）發(fā)布的全球風(fēng)電市場裝機(jī)數(shù)據(jù)， 2020 年，全球新增風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到 237669MW。到目前為止，全球 75 個(gè)過國家有商業(yè)運(yùn)營的風(fēng)電裝機(jī)，其中 22 個(gè)國家的裝機(jī)容量超過 1000MW。 圖 11 1996~2020 年全球風(fēng)電每年新增裝機(jī)容量 圖 12 1996~2020 年全球風(fēng)電每年累計(jì)裝機(jī)容量 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 風(fēng)電行業(yè)在 2020 年仍然保持了較快的發(fā)展，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到 2020年 12 月末，中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá) 萬千瓦（包括已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電和等待并網(wǎng)發(fā)電），分布在 31 個(gè)省、直轄市、自治區(qū)和特別行政區(qū)。累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)超過 200 萬千瓦的省級地 區(qū)有 10 個(gè)，其中內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)容量以 萬千瓦位居第一，河北與甘肅分別位居第二和第三。 圖 13 2020 年底中國升級地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量前十位 “十二五”期間將是中國風(fēng)電發(fā)展的重要時(shí)期，中國風(fēng)電在此期間將會取得重要的發(fā)展，中國政府還將出臺一些促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展的政策，促進(jìn)風(fēng)電健康、可持續(xù)發(fā)展。 本課題主要任務(wù) 偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的，它主要有兩個(gè)功能：一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向；二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于偏航作用，機(jī)艙內(nèi)引線的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解纜。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成及功能簡介概述 風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的分類 目前投入商業(yè)運(yùn)行的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為定槳定速型和變槳變速型兩大類，主要采用籠式異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)三種發(fā)電機(jī)。 圖 21 風(fēng)機(jī)分類 現(xiàn)代風(fēng)機(jī) 現(xiàn)代風(fēng)機(jī) 為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī) 發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無，電壓和頻率不穩(wěn)定 的問題， 增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如圖 22。 圖 23 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)總圖 風(fēng)力機(jī)槳葉系統(tǒng) 風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而通過增速器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。這一特點(diǎn)，給定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個(gè)必須要解決的問題，一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪額定風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。二是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)。另外在槳葉尖部安 裝葉尖擾流器，在需要制動(dòng)時(shí)打開。 對于變槳距系統(tǒng)，葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動(dòng)以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到最大功率。 風(fēng)力機(jī)齒輪箱系統(tǒng) 由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的巨大差距，增速齒輪箱成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的一個(gè)必不可少的部件。齒輪箱系統(tǒng)的特點(diǎn)是： （ 1）低速軸采用行星架浮動(dòng)，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動(dòng)，這種兩級或者三級的復(fù)合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時(shí)均載效果好。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)愈多，增速箱的傳動(dòng)比就可以越小。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)通常要求在無人值班運(yùn)行條件下工作長達(dá) 20 年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗(yàn)。在齒輪箱的使用中，應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的不同添加潤滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組是我國日后風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的趨勢之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時(shí)發(fā)電機(jī)的效率問題，而且還改善了低風(fēng)速時(shí)的葉尖速比。所以，有些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機(jī)，該電機(jī)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。 但對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)形式。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)間。圖 24 所示為雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)。 解纜裝置 自 然界中的風(fēng)是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風(fēng)向是不定的。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。當(dāng)達(dá)到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)解纜， 此時(shí)啟動(dòng)偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù)解纜，將機(jī)艙返回電纜無纏繞位置。在自動(dòng)解纜過程中，必須屏蔽自動(dòng)偏航動(dòng)作。凸輪控制的自動(dòng)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(jì)） 8 度傳感器所記錄的偏轉(zhuǎn)角度情況，確定順時(shí)針解纜還是逆時(shí)針解纜。在此過程中同時(shí)檢測偏航中心電機(jī)工作，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，向中心控制器發(fā)出自動(dòng)解纜完成信號。 剎車系統(tǒng) 其功能是當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要停止運(yùn)轉(zhuǎn)或在大風(fēng)時(shí)使風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到維修或保護(hù)風(fēng)力機(jī)的目的。 塔架 用來支撐風(fēng)力機(jī)及機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風(fēng)力機(jī)能處于良好的風(fēng)況環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。 控制系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。所以，在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，該形式的控制系統(tǒng) 在運(yùn)行過程中對由于風(fēng)速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。相對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為變距系統(tǒng)，它自身是一個(gè)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。其優(yōu)點(diǎn)是有各種 功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實(shí)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(diǎn)，就地采焦信號講行處理。主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊，對電網(wǎng)風(fēng)況及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)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(jìn)行綜合分析后，發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)控制目的。 偏航控制機(jī)構(gòu) 偏航控制機(jī)構(gòu)是風(fēng)力機(jī)特有的伺服系統(tǒng)，用于控制風(fēng)論跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，并且具有當(dāng)電纜發(fā)生纏繞時(shí)，能夠自動(dòng)解除纏繞功能。需要說明的是風(fēng)力機(jī)上安裝的風(fēng)向、風(fēng)速計(jì)與氣象和氣候分析所用的測風(fēng)設(shè)備不 同有一些區(qū)別。 （ 2）風(fēng)向儀安裝在機(jī)艙頂部隨機(jī)艙一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此只能測量出機(jī)艙與來風(fēng)方向的大致角度，以判斷從哪個(gè)方向偏航對風(fēng)，并不能檢測出風(fēng)的實(shí)際方向。主要使用的風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)與原理如圖 31 所示。兩個(gè)光敏傳感器安裝在風(fēng)向標(biāo)里， OPT 為 0 度角傳感器，OPT2 為 90 度角傳感器。以下就幾種情況加以討論： （ 1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向時(shí)， OPT1 完全或部分（因此時(shí)不一定對風(fēng)很準(zhǔn)，且風(fēng)向不時(shí)變化）被遮住，輸出 0～ 24V(具體看對風(fēng)的準(zhǔn)確度 )的電信號。 （ 2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)向成順時(shí)針 90 成順時(shí)針 90176。 OPT1 完全沒有被遮住 ,輸出 24V 穩(wěn)定高電平信號。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)向成 180176。 （ 4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)向成逆時(shí)針 90176。時(shí)， OPT1 完全被遮住，輸出 OV 低電平。由于風(fēng)一直是波動(dòng)的，方向是不定的，因此風(fēng)向標(biāo)在風(fēng)中不停搖擺，這樣造成 OPT1 或 OPT2 有時(shí)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(gè)不確定值。 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(shí)也不能記錄每次的偏航角度為解纜作參考。但如果存在大風(fēng)強(qiáng)風(fēng)雷電等惡劣天氣時(shí)候，這樣的角位移傳感器極易損壞。通常采用單片機(jī)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。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常安裝有解纜傳感器。通過蝸輪、蝸桿和齒輪傳動(dòng)多級減速，驅(qū)動(dòng)一組凸輪，每個(gè)凸輪推動(dòng) 一個(gè)微動(dòng)開關(guān)工作，發(fā)出不同的信號指令。 有的風(fēng)力機(jī)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(jī)的情況下就進(jìn)行解纜，以減少解纜時(shí)的停機(jī)次數(shù)和功率損失。偏航系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)，如圖32 所示。偏航驅(qū)動(dòng)裝置可以采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)器可以是常閉式或常開式。采用常開式制動(dòng)器時(shí)，偏航系統(tǒng)必須具有偏航定位鎖緊裝置或防逆?zhèn)鲃?dòng)裝置?；瑒?dòng)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。從而將機(jī)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(jī)組均采用這種偏航軸承）。這種軸承已成為標(biāo)準(zhǔn)件大批量生產(chǎn)。目前使用的大多數(shù)風(fēng)力機(jī)都采用這種偏航軸承。輪齒 可采用內(nèi)齒或外齒形式。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式應(yīng)根據(jù)機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選擇。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 a）外齒驅(qū)動(dòng)形式的偏航 b）內(nèi)齒驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。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)。為了得到對稱的驅(qū)動(dòng)扭矩，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。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(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)） 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jī)艙上，由偏航電機(jī)和蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)；大齒輪固定在塔架頂部，多采用內(nèi)齒輪。 這些偏航驅(qū)動(dòng)器均采用了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、多級減速器、液壓馬達(dá)都已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)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。如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的間歇性偏航。通常 40 分鐘偏航一圈。由于采用摩擦傳動(dòng)，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。 偏航制動(dòng)器是偏航系統(tǒng)中的重要部件，制動(dòng)器應(yīng)在額定負(fù)載下，制動(dòng)力矩穩(wěn)定，其值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)值。制動(dòng)器在額定負(fù)載下閉合時(shí)，制動(dòng)襯墊和制動(dòng)盤的貼合面積應(yīng)不小于設(shè)計(jì)面積的 50%；制動(dòng)襯墊周邊與制動(dòng)鉗體的配合間隙任一處應(yīng)不大于新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 。在偏航系統(tǒng)中，制動(dòng)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(dòng)器是在有動(dòng)力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動(dòng)器則是處于鎖緊狀態(tài)。 采用滑動(dòng)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(shí)的阻力，因此采用這種軸承的偏航系統(tǒng)，停止偏航時(shí)，機(jī)艙不會被動(dòng)偏離風(fēng)向。制動(dòng)盤的連接、固定必須可靠牢固，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到 Ra。制動(dòng)鉗體一般采用高強(qiáng)度螺栓連接用經(jīng)過計(jì)算的足夠的力矩固定于機(jī)艙的機(jī)架上。一般每臺風(fēng)機(jī)的偏航制動(dòng)器都備有 2 個(gè)可以更換的制動(dòng)襯塊。它的功能有兩個(gè)：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(jī)組由于偏航作用，機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 微處理器發(fā)出一定的信號給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對準(zhǔn)風(fēng)向的目的。側(cè)風(fēng)； （ 4）自動(dòng)解纜； 偏航控制原理 偏航角θ e： Twe ??? ?? (31) 其中： θ W－風(fēng)向角度； θ T－風(fēng)力機(jī)葉輪角度。為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，電機(jī)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(dòng)風(fēng)輪偏航對風(fēng)，當(dāng)對風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航過程結(jié)束。為了確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)過最小路徑，即偏航時(shí)間最短，需要弄清偏航角θ e 與風(fēng)向角度和風(fēng)力機(jī)葉輪角度（也就是機(jī)艙角度）之間的相對關(guān)系。 新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 圖 37 θ w180176。時(shí)，偏航角為： wTwe ???? ????? ?? 360360 (34) 如圖 38 所示（葉輪迎風(fēng)面以粗實(shí)線表示，虛線表示風(fēng)力機(jī)處于迎風(fēng)位置），電機(jī)反轉(zhuǎn)，風(fēng)力機(jī)機(jī)艙逆時(shí)針調(diào)向。時(shí)θ e=360 向176。 (2)、開發(fā)高效，功能強(qiáng)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(gè)應(yīng)用程序。 Visual 的開發(fā)環(huán)境 （ 1） 主窗口 應(yīng)用程序窗口，由標(biāo)題