【正文】 設計）題目 風力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)設計 論文（設計）來源 教師科研 ，掌握風機發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)； ，了解風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及功能； ，掌握偏航控制系統(tǒng)的幾種流程； （如visual basic ）； ； 。風力發(fā)電作為一種可持續(xù)發(fā)展的新能源，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而且減少環(huán)境污染，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，越來越受到各國的重視。偏航控制系統(tǒng)成為水平軸風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分。前者多用于小型的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)，由尾舵控制，風向改變時，被動對風。本文設計是大型風力發(fā)電機組根據(jù)風速儀、風向標等傳感器數(shù)據(jù)，對風、制動、開閘并確定起動，達到同步轉(zhuǎn)速一段時間后，進行并網(wǎng)操作，開始發(fā)電。在我們進入21世紀的今天，世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變，即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。它包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等。風能是一種干凈的可再生能源?？諝鈴母邭鈮簠^(qū)向低氣壓區(qū)流動就產(chǎn)生了風。地球上大約有2%的太陽能被轉(zhuǎn)化成風能。風力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為五點:(1)風力發(fā)電是一種潔凈的自然能源。風電沒有常規(guī)能源及核電對環(huán)境造成的污染問題。(2)風力發(fā)電技術不斷進步，單機容量逐步增大，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，可用率達到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，風電的經(jīng)濟性優(yōu)于煤電。單臺風力發(fā)電機組安裝僅需幾個星期，可多臺同時安裝，互不干擾。(5)風力發(fā)電占地面積少。由此可見，風力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，風力發(fā)電技術的發(fā)展受到世界各國政府的高度重視。運行可靠性從20世紀80年代初的50%提高到98%以上。風電場發(fā)展空間更加廣闊，已從內(nèi)陸移到海上。根據(jù)全國風能理事會（GWEC）發(fā)布的全球風電市場裝機數(shù)據(jù)，2011年，全球新增風電裝機達到237669MW。到目前為止，全球75個過國家有商業(yè)運營的風電裝機，其中22個國家的裝機容量超過1000MW。圖11 1996~2011年全球風電每年新增裝機容量圖12 1996~2011年全球風電每年累計裝機容量風電行業(yè)在2011年仍然保持了較快的發(fā)展，根據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2011年12月末，（包括已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電和等待并網(wǎng)發(fā)電），分布在31個省、直轄市、自治區(qū)和特別行政區(qū)。累計風電裝機超過200萬千瓦的省級地區(qū)有10個，河北與甘肅分別位居第二和第三。圖13 2011年底中國升級地區(qū)累計風電裝機容量前十位“十二五”期間將是中國風電發(fā)展的重要時期，中國風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風電發(fā)展的政策，促進風電健康、可持續(xù)發(fā)展。偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組特有的，它主要有兩個功能：一是使風輪跟蹤變化穩(wěn)定的風向；二是當風力發(fā)電機組由于偏航作用，機艙內(nèi)引線的電纜發(fā)生纏繞時，自動解纜。2 風力發(fā)電機組系統(tǒng)構(gòu)成及功能簡介概述目前投入商業(yè)運行的并網(wǎng)風力發(fā)電機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、雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機三種發(fā)電機。圖21 風機分類現(xiàn)代風機為了解決風力發(fā)電機發(fā)出的電時有時無，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)代風機的示意如圖22。圖23 風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)總圖風輪是吸收風能并將其轉(zhuǎn)換成機械能的部件，風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，將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，進而通過增速器驅(qū)動發(fā)電機。這一特點，給定槳距風力發(fā)電機組提出了兩個必須要解決的問題，一是當風速高于風輪額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動時打開。對于變槳距系統(tǒng)，葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風速條件下風力發(fā)電機得到最大功率。由于風輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的巨大差距，增速齒輪箱成為風力發(fā)電機組中的一個必不可少的部件。齒輪箱系統(tǒng)的特點是：（1）低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時均載效果好。在大型風力發(fā)電機中，發(fā)電機的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。風力發(fā)電機組的設計通常要求在無人值班運行條件下工作長達20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。在齒輪箱的使用中，應根據(jù)使用地點的不同添加潤滑油冷卻或加溫機構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組是我國日后風力發(fā)電機制造的趨勢之一。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。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。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。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。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(gòu)聯(lián)結(jié)。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。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，因此必須設法解纜。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(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。凸輪控制的自動解纜過程如下:根據(jù)角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。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。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。用來支撐風力機及機艙內(nèi)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(zhuǎn)。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。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。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。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。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。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。（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。主要使用的風向儀的結(jié)構(gòu)與原理如圖31所示。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。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。（2）風力發(fā)電機與風向成順時針90成順時針90176。OPT1完全沒有被遮住,輸出24V穩(wěn)定高電平信號。當風力發(fā)電機與風向成180176。（4）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。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?？梢钥闯觯捎眠@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。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。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。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、蝸桿和齒輪傳動多級減速，驅(qū)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。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(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。偏航系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)，如圖32 所示。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。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?；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。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）。這種軸承已成為標準件大批量生產(chǎn)。目前使用的大多數(shù)風力機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根據(jù)機組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進行選擇。 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)簡圖驅(qū)動裝置包括偏航電機和偏航減速齒輪機構(gòu)。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。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)。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)） 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。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，因此在技術上都比較成熟，選用也很方便。如此往復運動，實現(xiàn)機艙的間歇性偏航。通常40分鐘偏航一圈。由于采用摩擦傳動，容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生大風和霜凍天氣因打滑無法偏航的情況。偏航制動器是偏航系統(tǒng)中的重要部件，制動器應在額定負載下，制動力矩穩(wěn)定，其值應不小于設計值。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不小于設計面積的50%；。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)。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向。制動盤的連接、固定必須可靠牢固，表面粗糙度應達到Ra。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。一般每臺風機的偏航制動器都備有2個可以更換的制動襯塊。它的功能有兩個：一是要控制風輪跟蹤變化穩(wěn)定的風向；二是當風力發(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。當需要調(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，達到對準風向的目的。側(cè)風；（4）自動解纜；偏航角θe： (31)其中： θW－風向角度；θT－風力機葉輪角度。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，帶動風輪偏航對風，當對風結(jié)束后，風向標失去電信號，電機停止轉(zhuǎn)動，偏航過程結(jié)束。為了確定電機的轉(zhuǎn)向使風力機轉(zhuǎn)過最小路徑，即偏航時間最短，需要弄清偏航角θe與風向角度和風力機葉輪角度（也就是機艙角度）之間的相對關系。圖37 θw180176。時，偏航角為： (34)如圖38所示（葉輪迎風面以粗實線表示，虛線表示風力機處于迎風位置），電機反轉(zhuǎn)，風力機機艙逆時針調(diào)向。時θe=360向176。(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用程序。 Visual （1） 主窗口應用程序窗口，由標題欄、菜單欄和工具欄組成。（3） 代碼(code)窗口編輯窗體、標準模塊中的代碼。（5） 工程資源管理器(project experor)窗口保存一個應用程序所有的文件。 VB主要功能和特點： (1) 具有面向?qū)ο蟮目梢暬O計工具。(3) 提供了易學易用的應用程序集成開發(fā)環(huán)境。(5) 支持多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問。(7) VB 、網(wǎng)絡功能等的增強。偏航過程分自動對風偏航、側(cè)風偏航、解纜偏航和手動偏航四個過程。在偏航過程中不論是對風偏航還是側(cè)風偏航，確定在一分鐘內(nèi)風向在某一方位頻率的高低最為關鍵，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，會降低對風或側(cè)風的靈敏度，影響風機的出力。首先