风力发电机组偏航控制系统设计毕业论文(设计)(编辑修改稿)

风力发电机组偏航控制系统设计毕业论文(设计)(编辑修改稿)内容摘要：

轻的碳纤维。 风力机齿轮箱系统 由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。 增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。 齿轮箱系统的特点是： （ 1）低速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。 （ 2）输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。 在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。 国外一般 采用 24 极的发电机。 风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达 20 年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。 近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。 在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。 与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。 开发直驱式风力发电机 组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。 发电机系统 现今，风力发电机的单机容量越来越大。 风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。 由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。 所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。 目前，这种发电机形式成为各风电制 造厂商生产的主流形式。 但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步发电机形式。 这种直接新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 7 驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。 直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。 目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。 图 24 所示为双馈异步感应发电机系统，通过轴承与齿轮箱机构联结。 图 24 双馈异步感应发电机系统结构图 偏航系统 偏航系统是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与 空气流动方向相对位置的机构，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大。 解缆装置 自 然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。 由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。 如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。 不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。 当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆， 此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。 若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。 在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。 自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。 凸轮控制的自动解缆过程如下 :根据角新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 8 度传感器所记录的偏转角度情况，确定顺时针解缆还是逆时针解缆。 首先松偏航闸，封锁传感器故障的报告，当需要解缆且记录数字为负时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录数字为正时，控制偏转电机反转。 在此过程中同时检测偏航中心电机工作，系统处于待机状态，向中心控制器发出自动解缆完成信号。 纽缆开关控制的安全链保护；若凸轮控制的自动解缆未能执行，则纽缆情况可能会更加严重，当纽缆达到极值圈数时，纽缆开关将动作，此开关动作将会触发安全链动作，向中心控制器发出紧急停机信号和不可自复故障信号，等待进行人工解缆操作。 刹车系统 其功能是当风力机需要停止运转或在大风时使风力机停止运转以达到维修或保护风力机的目的。 在小型风力机中多采用机械抱闸刹车方式实现制动 停车，可以手动也可自动实现停车；在大中型风力机中多采用液压或电气制动方式实现抱闸停车。 塔架 用来支撑风力机及机舱内各种设备，并使之离开地面一定高度，以使风力机能处于良好的风况环境下运转。 根据风力机容量的大小，塔架可以制成实心铁柱式，也可以制成钢材晰架结构或柔性塔架。 控制系统 风力发电机组控制系统的结构图如图 所示。 定桨距风力机控制系统由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定；发电机的转速则是由电网频率限制。 所以，在允许的风速范围内，该形式的控制系统 在运行过程中对由于风速的变化引起输出量的变化是不作任何控制的。 变桨矩风力发电机组，则在控制性能方面，大大改善，不但在起动时可对转速进行控制，在并网后则可对功率进行控制。 相对于定桨距风力发电机组来说，变桨距风力发电机组的液压系统也不再是简单的执行机构，作为变距系统，它自身是一个闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，控制系统水平得到了极大的改善和提高，并逐渐发展成熟。 图 25 所示为风力发电机控制系统的结构，针对此控制系统，选用集散型或分布式工业控制计算机，是绝大多数风力发电机组选用的形式。 其优点是有各种 功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采焦信号讲行处理。 这样就避免了各类传感器和舱内执行机构与地面主控制器之间的通信线路及控制线路。 主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网风况及风力发电机组的运行参数进行监控，并与其它控制模块保持通信，通过对各方面的情况进行综合分析后，发出控制指令，实现控制目的。 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 9 图 25 控制系统结构图 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 10 3 偏航控制系统组成和原理 偏航系统的组成 风力机的偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大 部分组成，其中偏航控制机构包括： （ 1）风向传感器 （ 2）偏航控制器 （ 3）解缆传感器 机械驱动机构包括： （ 1）偏航轴承 （ 2）偏航驱动装置 （ 3）偏航制动器 偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，机械驱动机构则是偏航系统的执行机构。 偏航控制机构 偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风论跟踪变化稳定的风向，并且具有当电缆发生缠绕时，能够自动解除缠绕功能。 风向传感器 风向传感器相关的原理和性能参数参见第三章。 需要说明的是风力机上安装的风向、风速计与气象和气候分析所用的测风设备不 同有一些区别。 具体有以下两个方面： （ 1）因为只用于控制偏航系统的工作，并不用于风向、风速的精确计量，因此通常精度较低。 （ 2）风向仪安装在机舱顶部随机舱一起转动，因此只能测量出机舱与来风方向的大致角度，以判断从哪个方向偏航对风，并不能检测出风的实际方向。 因此风力机上所使用的风向仪和测风装置上的风向仪在结构和原理上有很大区别。 主要使用的风向仪的结构与原理如图 31 所示。 风向传感器安装在风力发电机组的玻璃钢机舱罩上的固定支架土，可随风力发电机组同步旋转。 两个光敏传感器安装在风向标里， OPT 为 0 度角传感器，OPT2 为 90 度角传感器。 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 11 图 31 风向传感器原理图 当风力发电机与风向其工作原理是：一个半圆形桶罩有风向标驱动，当传感器 OPT1 或 OPT2 没有被半圆筒罩挡住时，传感器输出信号是高电平，反之是低电平。 以下就几种情况加以讨论： （ 1）风力发电机对准风向 当风力发电机对准风向时， OPT1 完全或部分（因此时不一定对风很准，且风向不时变化）被遮住，输出 0～ 24V(具体看对风的准确度 )的电信号。 OPT2完全没有被遮住，输出 24V 稳定高电平信号。 （ 2）风力发电机与风向成顺时针 90 成顺时针 90176。 时， OPT2 完全或部 分被遮住，输出 0～ 24V 电信号。 OPT1 完全没有被遮住 ,输出 24V 稳定高电平信号。 （ 3）风力发电机与风向成 180176。 当风力发电机与风向成 180176。 时， OPT1 完全或部分被遮住，输出 0～ 24V电信号， OPT2 完全被遮住，输出 0V 稳定低电平信号。 （ 4）风力发电机与风向成逆时针 90176。 当风力发电机与风向成逆时针 90176。 时， OPT1 完全被遮住，输出 OV 低电平。 OPT2 完全或部分被遮住，输出 0～ 24V 电信号。 由于风一直是波动的，方向是不定的，因此风向标在风中不停摇摆，这样造成 OPT1 或 OPT2 有时的输出不是稳定的 0V 或 24V 的电平信号，而是 0～ 24V 之间的一个不确定值。 这样造成的的后果是 :由于不是对风很正，偏航系统就会不停的工作，机舱将会频繁的调向。 可以看出，采用这样的光敏传感器，其精度不高，指示也不明确，同时也不能记录每次的偏航角度为解缆作参考。 针对这样的缺陷，文献中采用了具有新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 12 很高的精确性、分辨率与可靠性的绝对式角位移传感器作为风向传感器。 但如果存在大风强风雷电等恶劣天气时候，这样的角位移传感器极易损坏。 偏航控制器 偏航控制器负责接受和处理信号，根据控制要求，发送控制命令。 通常采用单片机等微处理器作为 偏航控制器，随着数字处理信号技术的发展，采用嵌入式微处理器或者 DSP 等作为控制器成为研究应用的趋势。 解缆传感器 由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，有时由于风向的变化规律，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定的值，将造成电缆的损坏。 为了防止这种现象的发生，通常安装有解缆传感器。 解缆传感器安装在机舱底部，通过一个尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合，这样在偏航过程中，尼龙齿轮也一起转动。 通过蜗轮、蜗杆和齿轮传动多级减速，驱动一组凸轮，每个凸轮推动 一个微动开关工作，发出不同的信号指令。 微处理器通过各个微动开关的信号来判断是否需要解缆，向哪个方向解缆以及何时停止解缆等。 有的风力机的解缆传感器中设置了有条件解缆和无条件解缆两种解缆信号，目的是保证电缆在扭转圈数较少的情况下，在无功率输出或停机的情况下就进行解缆，以减少解缆时的停机次数和功率损失。 偏航驱动机构 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、纽缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。 偏航系统的一般组成结构，如图32 所示。 风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿 形式两种。 偏航驱动装置可以采用电动机驱动或液压马达驱动，制动器可以是常闭式或常开式。 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。 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 13 图 32 偏航驱动机构示意图 偏航轴承 常用的偏航轴承有滑动轴承和回转支承两种类型。 滑动轴承常用工程塑料做轴瓦，这种材料即使在缺少润滑的情况下也能正常工作。 轴瓦分为轴向上推力瓦、径向推力瓦和轴向下 推力瓦三种类型，分别用来承受机舱和叶片重量产生的平行于塔筒方向的轴向力，叶片传递给机舱的垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩。 从而将机舱受到的各种力和力矩通过这三种轴瓦传递到塔架（ Nordtank 和 Vestas 机组均采用这种偏航轴承）。 回转支承是一种特殊结构的大型轴承，它除了能够承受径向力、轴向力外，还能承受倾覆力矩。 这种轴承已成为标准件大批量生产。 回转支承通常有带内齿轮或外齿轮的结构类型，用于偏航驱动。 目前使用的大多数风力机都采用这种偏航轴承。 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 33 所示。 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计） 14 a）外齿驱动形式的偏航 b）内齿驱动形式的偏航系统 图 33 偏航系统结构简图 a）外齿形式 b）内齿形式 图 34 偏航齿圈结构简图 偏航驱 动装置 驱动装置包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。 偏航驱动装置通。