5-典型风力发电机组控制系统结构

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大型风力发电机组的偏航系统一般均采取的结构如图5-6所示，风 力发电机组的机舱安装在旋转支撑上，而旋转支撑的内齿环与风力发 电机组塔架用螺栓紧固相连，外齿环与机舱固定。调向是通过两台与 调向内齿环相啮合的调向减速器驱动的。在机舱底板上装有盘式刹车 装置，以塔架顶部法兰为刹车盘。
5.2.1 偏航轴承
偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。 轮齿可采用内齿形式或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的 外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的 内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿 形式应根据机组的具体结构和总体布置进行选择。偏航齿圈的结构 简图，如图5-3所示。
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风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。 主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见 的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都 采用主动偏航的齿轮驱动形式。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构 完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵调向、侧风轮调向、 风向跟踪装置调向这三种。 (1)尾舵调向。它的优 点是能自然地对准风向，不 需要特殊控制。尾舵面积 A‘与风轮扫掠面积A之间 应符合下列关系
5.2.4 偏航计数器
偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转 的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给 控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器一般是一个带控制开 关的蜗轮蜗杆装置或是与其相类似的程序。
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5.2 偏航系统的结构组成
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主轴
齿轮箱
液压变桨 系统 风向仪 发电机 主轴承
电动偏航 系统
冷却器
蓄能器
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(1)偏航齿圈的轮齿强度计算方法参照DIN 3990和GB 3480-1997 《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》及GB 6413-1986《渐开线圆柱 齿轮胶合承载能力计算方法》进行计算。在齿轮的设计上，轮齿齿根和 齿表面的强度分析，应使用以下系数： 1)静强度分析：①对齿表面接触强度，安全系数SH >1.O；②对轮 齿齿根断裂强度，安全系数SF>1.2。
风力发电机组控制技术
王生铁
2012年10月30日
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第五章 风力发电机组的偏航系统
偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统。它主要有两个功能： ①使风轮跟踪变化稳定的风向；②当风力发电机组由于偏航作用舱内 引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。
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偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏 航计数器、扭缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。
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风力发电机组的偏航系统一般有外齿驱动形式和内齿驱动形 式。偏航驱动装置可以采用电动机驱动或液压马达驱动，制动器可 以是常开式或常闭式。常开式制动器一般是指有液压力或电磁力拖 动时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器一般是指有液 压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。 采用常开式制动器时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或 防逆传动装置。
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尾舵调向装置结构笨重，因此，主要用于小型风力发电装置， 很少用于中型以上的风力机。 (2)侧风轮调向。在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮 主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏 向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。 (3)风向跟踪装置调向。对大型风力发电机组，一般采用电动机 驱动的风向跟踪装置来调向。 整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装 置等部分组成。偏航调节系统也包括风向标和偏航系统调节软件。风 向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软 件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机， 通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。如机舱在同一方 向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆。当回到中心 位置时解缆停止。
5.1 偏航系统简介
偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏 航系统的主要作用有两个： ①与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮 始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率； ②提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。
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5.3 偏航控制系统工作原理
偏航系统是一随动系统，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控 制系统经过一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到与风 向一致的方位。
就偏航控制本身而言，对响应速度和控制精度并没有要求，但在对 风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转功惯量， 从稳定性考虑，需要设置足够的阻尼。
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液压泵站
控制柜
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偏航系统
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当控制器发出正常停机指令后，风力发电机组将按下列程序停 机：①切除补偿电容器；②释放叶尖阻尼板；③发电机脱网；④测量 发电机转速下降到设定值后，投入机械刹车；⑤若出现刹车故障则收 桨，机舱偏航如90 °背风。 当出现紧急停机故障时，执行如下停机操作：切除补偿电容器， 叶尖阻尼板动作，延时0. 3s后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电 机转速小于同步速时，发电机解列（脱网），若制动时间超过20s， 转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航90 °背风。
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5.2.5 扭缆保护装置
扭缆保护装置是偏航系统必须具有的装置，它是出于失效保护的目的 而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆 的扭绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停 机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发， 则机组必须进行紧急停机。扭缆保护装置一般由控制开关和触点机构组 成，控制开关一般安装与机组的塔架内壁的支架上，触点机构一般安装与 机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆扭绞到一定程度后，触点 机构被提升或被松开而触发控制开关。
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偏航系统的作用主要有以下几个方面:
(1)自动对风。正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离 风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对 风，当达到允许的误差范围内时，自动对风停止。 (2)自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后，若此时风速小于 风力发电机组起动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方 向旋转2.3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕；若机 舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障 自动解绕未成功．在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告 扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。 (3)风轮保护。当有特大强风发生时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调 到最大，偏航90°背风，以保护风轮免受损坏。
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5.2.3 偏航制动器
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偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器，其结构简图如 图5-5所示。
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2)疲劳强百度文库分析。对齿表面接触强度，安全系数SH >O．6。对轮齿 齿根断裂强度，安全系数SF>1.o。-般情况下，对于偏航齿轮，其疲劳 强度计算用的使用系数KA =1.3。 (2)偏航轴承部分的计算方法参照DIN 281或JB/T 2300-1999《回转支 承》来进行计算，偏航轴承的润滑应使用制造商推荐的润滑剂和润滑油， 轴承必须进行密封。轴承的强度分析应考虑两个主要方面；①在静态计算 时，轴承的极端载荷应大于静态载荷的1.1倍；②轴承的寿命应按风力发 电机组的实际运行载荷计算。此外，制造偏航齿圈的材料还应在-3℃条件 下进行V形切口冲击能量试验，要求三次试验平均值不小于27J。
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(3)制动钳由制动钳体和制动衬块组成。制动钳体一般采用高强度螺栓 连接，用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。制动衬块应由专 用的摩擦材料制成，一般推荐用铜基或铁基粉末冶金材料制成，铜基粉 末冶金材料多用于湿式制动器，而铁基粉末冶金材料多用于干式制动 器。一般每台风机的偏航制动器都备有两个可以更换的制动衬块。
5.2.2 驱动装置
驱动装置一般由驱动电动机、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整 机构等组成。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与 行星减速器串联，传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。 偏航驱动装置要求起动平稳，转速均匀无振动现象。
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(1)偏航制动器是偏航系统中的重要部件，制动器应在额定负载下， 制动力矩稳定，其值应不小于设计值。在机组偏航过程中，制动器提供 的阻尼力矩应保持平稳，与设计值的偏差应小于5%，制动过程不得有异 常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应 不小于设计面积的50%。制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙任一处应 不大于0.5mm。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进 行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。在偏航系统中，制 动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力 的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相 比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。 (2)制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上，一般为环状，制 动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如果采用焊接连接，材质还应具 有比较好的可焊性，此外，在机组寿命期内制动盘不应出现疲劳损坏。 制动盘的连接、固定必须可靠牢固，表面粗糙度应达到Ra3.2。