风力发电机偏航系统控制 - 图文

摘 要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染，具有较好的经济效益和社会效益，越来越受到各国的重视。

由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。风力发电机组的偏航控制系统，主要分为两大类：被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。本文设计是大型风力发电机组根据风速仪、风向标等传感器数据，对风、制动、开闸并确定起动，达到同步转速一段时间后，进行并网操作，开始发电。

本文介绍了风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上，采用PLC作为主控单元，设计了风电机组的偏航控制系统。系统根据风向、风速传感器采集的数据，采取逻辑控制主动对风，实现了对风过程可控。论文给出了基于风向标、风速仪的偏航控制系统的软硬件设计结果。

关键词：风力发电机；风向标；偏航控制系统；驱动机构

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目 录

第1章 绪论 .................................................. 2 1.1 课题的背景和意义 ......................................... 2 1.2 国内风力发电的发展 ....................................... 3 第2章 风力发电机组系统组成及功能简介 .......................... 5 2.1 风力机桨叶系统 ........................................... 5 2.2 风力机齿轮箱系统 ........................................ 6 2.3 发电机系统 ............................................... 7 2.4 偏航系统 ................................................ 8 2.6 刹车系统 ................................................. 8 2.8 控制系统 ................................................ 8 第3章 偏航控制系统功能和原理 ................................ 10 3.1 偏航控制机构 ............................................ 10 3.1.1 风向传感器 .......................................... 10 3.1.2 偏航控制器 .......................................... 12 3.1.3 解缆传感器 .......................................... 12 3.2 偏航驱动机构 ............................................ 13 3.2.2 偏航驱动装置 ........................................ 15 3.2.3 偏航制动器 .......................................... 16 第4章 偏航控制系统设计及结果分析............................. 18 4.1 偏航系统控制过程分析 .................................... 18 4.1.1 自动偏航 ............................................ 18 4.1.2 90度侧风控制 ........................................ 19 4.1.3 人工偏航控制 ........................................ 20 4.1.4 自动解缆 ............................................ 20 4.1.5 阻尼刹车 ............................................ 21 4.2 偏航控制系统总体设计结构与思想 .......................... 22 4.3 偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理 .............. 22 总结与展望 ................................................... 23 参考文献 ..................................................... 24 致谢 ......................................................... 24

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第1章 绪论

1.1 课题的背景和意义

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风能是一种干净的可再生能源。太阳辐射对地球表面的不均匀性加热是风的主要成因。空气从高气压区向低气压区流动就产生了风。地球自转、公转的影响和地形、地貌的差异，加剧了空气流量和流向的变化，造成风速和风向的变化。地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点:

(1)风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。

(2)风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。

(3)由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降。 从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。

(4)风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，

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互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。

(5)风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。

由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%提高到98%以上;并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制;风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。

风电的迅猛发展已经形成了规模巨大的产业，因此它还可带动一批相关产业和产品的发展，对促进国民经济的发展具有重要的意义。

1.2 国内风力发电的发展

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。

目前我国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。新华社报道，截至2006 年10 月，内蒙古自治区克什克腾旗的风电装机容量达80160 千瓦，占全国风电装机总容量的10.54%，年发电量

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达1.6 亿千瓦时。克什克腾旗风能资源十分丰富。自1999 年首批2 台单机600 千瓦风机投入运行以来，到2005 年由大唐集团公司投资3.5 亿元兴建的塞罕坝一期36 台单机850 千瓦风电机组投入运营，克什克腾旗规划的5 个风电场已建成了4 个，共装风机109 台。

中国 2004 年电力新投产的装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，有可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。

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第2章 风力发电机组系统组成及功能简介

目前研究最多的也是双馈感应风力机系统，与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等但无论哪种结构形式，风力发电机系统基本包括以下几个组成部分：风力机桨叶系统，齿轮箱系统，发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。如图2.1所示。

图2.1 风力发电机组结构总图

2.1 风力机桨叶系统

风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机。

对于定桨距系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角

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度不能随之改变。这一特点，给定桨距风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。称桨叶的这一特性为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时打开。由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。

对于变桨距系统，叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。

随着风力机单机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。

2.2 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

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动比就可以越小。国外一般采用2-4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。

2.3 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2.2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。

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图2.2 双馈异步感应发电机系统结构图

2.4 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。

2.6 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。

2.8 控制系统

风力发电机组控制系统的结构图如图2.9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

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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2.3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。

图2.3 控制系统结构图

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第3章 偏航控制系统功能和原理

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，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。

3.1 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。

3.1.1 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3.1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。

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图3.1 风向传感器原理图

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°

当风力发电机与风向成顺时针90°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。

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（3）风力发电机与风向成180°

当风力发电机与风向成180°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90°

当风力发电机与风向成逆时针90°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。

3.1.2 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。

3.1.3 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

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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。

3.2 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。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。

3.2.1 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

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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3.2所示。

a）外齿驱动形式的偏航 b）内齿驱动形式的偏航系统

图3.2 偏航系统结构简图

a）外齿形式 b）内齿形式

图3.3 偏航齿圈结构简图

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3.2.2 偏航驱动装置

包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。

偏航驱动装置通常采用开式齿轮传动。大齿轮固定在塔架顶部静止不动，多采用内齿轮结构，小齿轮由安装在机舱上的驱动器驱动。参见3.2。为了得到对称的驱动扭矩，在大型风力发电机组上通常由两台或多台驱动器驱动偏航系统。偏航驱动器多采用电机驱动，通过齿轮减速器得到合适的输出转速和扭矩，由于偏航速度很慢，减速器传动比很大，通常在1：1000左右，因此采用多级减速器，一般采用二到三级平行轴斜齿轮减速器和两级行星减速器组合而成（BONUS和NEG-Micon机组采用这种机构）。也有采用一级涡轮减速器和一级行星减速器组合而成的减速器（VESTAS机组采用这种机构）

图3.4 偏航减速齿轮

（说明：该结构只是偏航减速齿轮中的小齿轮，多采用外齿轮，安装在机舱上，由偏航电机和蜗轮蜗杆驱动；大齿轮固定在塔架顶部，多采用内齿轮。）

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为了减小偏航驱动器的体积，也有采用低速大扭矩液压马达驱动，通过一级行星减速器装置（WIND MASTER机组采用这种机构）。

这些偏航驱动器均采用了传统的驱动装置，驱动电机、多级减速器、液压马达都已经是标准化、系列化的产品，因此在技术上都比较成熟，选用也很方便。但在NEDWIND机组中却采用了一种其他类型的驱动装置－钢丝绳驱动，通过缠绕在回转支承上的钢丝绳两端的两个液压缸驱动，通过控制液压缸的往复运动，实现偏航、松绳、回缸几个运动，完成偏航运动行程，使机舱偏转一个角度。如此往复运动，实现机舱的间歇性偏航。由于每个行程中都有松绳和回缸运动，运动是间歇的，因此效率很低。通常40分钟偏航一圈。而且这种偏航驱动采用国歌电磁阀、复杂的控制油路和电控系统来控制，因此故障率很高。由于采用摩擦传动，容易发生打滑现象，经常发生大风和霜冻天气因打滑无法偏航的情况。

3.2.3 偏航制动器

为了保证风力机停止偏航时不会因叶片受风载荷而被动偏离风向的情况，风力机上多装有偏航制动器。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。

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采用滑动轴承的偏航系统，因轴瓦出于干摩擦和边界摩擦状态，摩擦阻力很大，加上下推力瓦上弹簧的压力，更加大了偏航时的阻力，因此采用这种轴承的偏航系统，停止偏航时，机舱不会被动偏离风向。

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Ra。

1-弹簧 2-制动钳体 3-活塞 4-活塞杆 5-制动盘 6制动衬块 7-按头 8-螺栓

图3.5 偏航制动器结构图

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2个可以更换的制动衬块。

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第4章 偏航控制系统设计及结果分析

风力机偏航控制系统从原理上来说是一个位置伺服控制系统，即偏航电动机带动风力机机舱负载使其根据传感器发出的信号，进行位置调整，以达到对风。工作原理即通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。

4.1 偏航系统控制过程分析

4.1.1 自动偏航

为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统计算机发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。 在实际的偏航控制中，带有解缆传感器的自动偏航控制过程分析：连续一段时间检测风向情况；根据自动偏航风向标传感器ASS信号给出偏航控制指令。当ASS=00时，表明机舱己处于对风位置；若ASS=11，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读上次钝角偏航方向并取其反方向，记录此次偏航方向；若ASS=01，设置偏航电机正转，若ASS＝10，设置偏航电机反转；偏航电机工作后启动偏航计时器计时，控制偏航电机运转一定时间，再判断ASS是否为00，若ASS=00，表明机舱已对风，否则判断计时时间是否超过偏转360度所需时间，若计时时间超过偏转360度所需时间偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若ASS＝00，偏航计时时间不超过偏转360度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直

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到ASS=00，向中心控制器发出自动偏航完成信号并复位自动偏航标志位。自动偏航传感器ASS状态示意图，如图4.1所示，参数说明和电机运行状态如表4.1所示。

图4-2 自动偏航传感器状态示意图（双箭头线表示风向标0 度位置）

表4-1 自动偏航传感器ASS 参数说明和电机运行状态表

ASS 00 01 10 11

设置

已对风（在偏航精度内） 锐角偏航偏航 锐角偏航偏航 钝角偏航

电机状态 停止 电机正转 电机反转 视上次偏航情况

4.1.2 90度侧风控制

在出现特大强风，遭遇切除风速以上的大风暴时，控制系统对机舱作90度侧风处理。由于90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下（例如出现特大强风），为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90度侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令；在侧风结束后应当抱紧偏航闸，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。

控制过程如下：根据90度侧风风向标传感器DSS的信号，当DSS=00时，表明机舱已处于90度侧风位置；再判断DSS是否为10，若DSS=10，为了使机舱走最短路径，

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师在课题研究阶段，精心指导、认真讲解设计过程中遇到的各种困难，在这里我向张老师表示真挚衷心的感谢！

此外，还感谢汇全集团的赵智刚工程师和程建邦工程师及电气的所有老师的指导与帮助。感谢你们在研究生期间给予的关心和照顾!

最后还要感谢我的同学，谢谢你们在设计过程中的支持与鼓励。

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设置偏航电机反转；若DSS=11，设置偏航电机正转；此时启动偏航计时器开始计时。控制偏航电机运转一定时间，再判断DSS是否为00，若DSS=0，表明机舱已90度侧风，否则判断计时时间是否超过偏转360度所需时间，若计时时间超过偏转360度所需时间且偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若DSS≠0，偏航计时时间不超过偏转360度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到DSS=00，向中心控制器发出90度侧风完成信号并复位90度侧风标志位。

4.1.3 人工偏航控制

人工偏航是指在自动偏航失败、人工解缆或者是在需要维修时，通过人工指令来进行的风力发电机偏航措施。

人工偏航控制过程如下：首先检测人工偏航起停信号。若此时有人工偏航信号，再检测此时系统是否正在进行偏航操作。若此时系统无偏航操作，封锁自动偏航操作，若系统此时正在进行偏航，清除自动偏航控制标志；然后读取人工偏航方向信号，判断与上次人工偏航方向是否一致，若一致，松偏航闸，控制偏航电机运转，执行人工偏航；若不一致，停止偏航电机工作，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行运转并记录转向，直到检测到相应的人工偏航停止信号出现，停止偏航电机工作，抱闸，清除人工偏航标志。

4.1.4 自动解缆

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

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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:根据角度传感器CW和CCW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CW为1时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录CCW为1时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心传感器信号，直到偏航传感器中心信号为0，则结束解缆；此时停止偏航电机工作，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（比如设定3圈），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。

4.1.5 阻尼刹车

为了保证刹车过程的稳定性，风力发电机的偏航系统中的阻尼刹车装置都是成对对称分布的，至少有两组四个刹车盘组成。

阻尼刹车的工作过程：当风力发电机收到偏航指令时，刹车机构动作。根据风速、风向及偏航系统调向的速度，来确定阻尼力矩的大小。阻尼力矩大小的调节是通过调节比例阀的开度的大小，从而调节液压流量的大小和液压力的大小。液压力的大小的改变同时也改变了刹车力矩的大小，刹车力矩的大小的变化也就反映了阻尼力矩的大小的变化。

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4.2 偏航控制系统总体设计结构与思想

系统的硬件主要有:偏航电机，纽缆开关，风速仪，风向标，s7200-cpu224 各部分的功能：

偏航电机：为风力发电系统中风机对风及解缆的执行机构,使风机随着风向的变化而转动，对准风向。

接近开关：偏航电机运行的速度位置反馈信号。

风速风向传感器：将风速、风向信号转换成4~20mA的电流信号传给PLC。 PLC：它是兆瓦机组的中央处理单元。接收绝对正北方向信号、风向风速信号和接近开关传给它的风机所处的实际位置,经过逻辑处理，把精确的控制命令传给执行机构即偏航电机。硬件框图如图4.3所示。

图4.3 硬件框图

4.3 偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理

风速仪：INT 10； 风向标：INT 30；

偏航电机：三相异步电动机，额定功率BONUS150KW风机为0.55KW； 接近开关：FRB8E1NK，供电电源是：10～30VDC，200mA。 PLC：西门子S7-200带模拟量模块EM235；

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总结与展望

一、 全文总结

针对风力发电机组偏航系统，本文主要做了以下工作： （1）叙述了国内国外风力发电的状况以及风能的概念。 （2）介绍了风力发电系统的功能和组成结构。

（3）分析了发电机系统的偏航系统的原理及其功能，并且介绍了偏航系统的驱动机构和制动机构。

（4）根据风力发电机组电控系统对偏航控制系统的功能要求，详细分析其控制过程，完成了基于单片机控制系统的硬件电路设计；给出了各部分软件程序流程图。

二、展望

现今世界上的风力发电机正向大型化、智能化的方向发展。提高风力发电的效率与改善风电的品质是风力发电研究的主要目的之一，但还存在着很大困难。其困难在于风力发电系统涉及空气动力学，而风具有很强的流动性和可压缩性，风速与风向是随机变化的。由于不确定的因素比较多，目前风力发电系统的建模主要是采用了空气动力的静态模型。建立动态模型相对比较困难，这与实际风力发电机的运行情况并不太相符。应用当代非线性控制技术的发展成果，加强对风力发电机组的研制和对风能转换系统的鲁棒性控制研究，必将对风力发电的研究起到实际的推动作用。从长远来看，风力发电具有极大的社会效益与经济效益。

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参考文献

[1]．叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M]，北京：机械工业出版社，2002，45-78. [2]．苏绍禹.风力发电机设计及运行维护[M]，北京：中国电力出版社，2003，130-190. [3]．徐蒲荣.大型风电场及风电机组的控制系统[M]，电气传动自动化，2003，100-145. [4]．李勇东.中国风力发电的发展现状和前景[J]，电气时代，2006，16-20.

[5]．魏毅立.变桨距调速风力发电机组控制系统研究及应用[D]，北京：科技大学博士学位论文，2004.

[6]．徐德.诸静.风力发电机风向随动控制系统[J]，太阳能学报，2000年第5期. [7]．李守好.风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究 [M]，西安： 西安电子科技大学，2005，98-154.

[8]．陈实.MW级风力发电系统单机电气控制技术研究―无功补偿和偏航控制系统 [M]， 南京航空航天大学，2004，78-143.

致谢

在本论文即将结束时，我真心感谢很多给与我学习和生活关怀帮助的人。张富全老

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师在课题研究阶段，精心指导、认真讲解设计过程中遇到的各种困难，在这里我向张老师表示真挚衷心的感谢！

此外，还感谢汇全集团的赵智刚工程师和程建邦工程师及电气的所有老师的指导与帮助。感谢你们在研究生期间给予的关心和照顾!

最后还要感谢我的同学，谢谢你们在设计过程中的支持与鼓励。

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