风力发电机组偏航控制系统设计
3MW风力发电机组偏航控制系统设计
3MW风力发电机组偏航控制系统设计发表时间：2020-10-10T11:53:08.160Z 来源：《中国电业》2020年6月第16期作者：张津瑞[导读] 本文整体的设计需求是以3MW风力发电机组的控制系统为基础，核心采用德国Beckhoff生产的嵌入式PC控制器组成整体的控制系统。
张津瑞（中国能源建设集团沈阳电力机械总厂有限公司辽宁省沈阳市110000）摘要：本文整体的设计需求是以3MW风力发电机组的控制系统为基础，核心采用德国Beckhoff生产的嵌入式PC控制器组成整体的控制系统。
主要内容依据模糊控制原理，主要设计是针对偏航系统的模糊控制自定义参数设计，实验采用MATLAB/simulink进行仿真，通过PLC 实现F-PID控制，最后论证系统可行性。
1 风机控制系统组成风轮的组成包括桨叶、轮毂、风轮轴及变桨系统。
桨叶是获取风能及进行能量转化的部件。
轮毂主要是起固定作用的装置。
风轮轴起到把风轮旋转产生的机械能传递到发电机当中的作用，是风机关键性结构之一。
塔架用来支撑机舱和叶片，必须具有足够的静动强度来承载风轮转动所引起的震动载荷。
偏航系统主要由执行机构、控制器、传感器和偏航计数器等组成，主要包括主动和被动两种偏航方式。
变桨距功率调节机构主要由桨叶、导套、连杆、法兰、短转轴、长转轴、推动杆、支撑杆、同步盘、偏心盘、防转装置等部件组成。
变桨系统针对不断变化的风速，通过调整叶片攻角来保持功率的恒定。
同条件下两种功率调节方式对比见图1.1所示。
图1.1 变桨距与定桨距输出功率的对比构成风机的两大块部分为风力机和发电机，在风力发电机组吸收风能并对其尽可能地转化阶段中，起关键作用的是风机的控制系统。
如果把控制系统比作风机的大脑起到监控、预警等作用，那么PLC就是其中枢神经起着调节、指示作用。
针对不断变化的风，PLC通过对偏航系统发出指令调节控制桨叶位置，保证风能利用效率的最大化。
2 偏航控制系统设计风力发电机组偏航控制系统工作过程：风传感器把采集到的风向角度传送至PLC控制器，控制器对其进行判断预处理，若需对风则输出命令驱动偏航电机旋转至与风向正对90°的位置，来达到快速对风的目的。
MW级风力发电系统偏航控制器的硬件设计
MW级风力发电系统偏航控制器的硬件设计关 开(华北电力大学,河北石家庄 050000) 摘 要:本文中利用PLC 作为偏航控制器,单片机为主的外围电路作为P LC 的信号转换和处理单元。
通过对各种信号的转换、处理,匹配成PLC 能够接受的信号,再通过P LC 实现的偏航控制程序,输出相应的控制信号控制执行机构,来达到自动对风的目的。
关键词:风能;偏航控制器;单片机 中图分类号:T K83 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)12—0074—02 风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。
其蕴量巨大,全球的风能约为2×107MW,其中可利用的风能为2.74×109MW 。
如何有效、高效的利用风能就是偏航控制系统所要解决的问题。
偏航控制器是偏航控制系统的控制机构,在偏航控制系统的信号下,做相应的动作。
由于风力机所处的工作环境比较特殊,一般情况下都是些恶劣的自然气候如大风,冰雹等,所以对控制器的抗扰动要求就比较严格。
在恶劣环境中不受影响的或能把影响限制在最小范围是偏航控制器最基本要求。
1 偏航控制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:其一是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;其二是提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安全运行。
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。
偏航控制系统主要具备以下几个功能:风向标控制的自动偏航;风向标控制的90°侧风;自动解缆;人工偏航,按其优先级别由高到低依次为:顶部机舱控制偏航、面板控制偏航、远程控制偏航。
图1 偏航控制系统框图偏航控制系统是一个随动系统,是风力发电机组电控系统的重要组成部分。
偏航控制系统可实现在规定风速范围内自动准确对风,在非可用风速范围内能够90°侧风,在连续跟踪风向可能造成电缆缠绕的情况下自动解缆,从而使风力发电机能够平稳可靠的运转,高效地利用风能,节约了大量能源,进一步降低发电成本并且有效地保护风力发电机。
基于PLC的风力发电机偏航控制系统设计
基于ＰLC的风力发电机偏航控制系统设计摘要由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注,因此清洁绿色的风力发电技术已深受全世界的重视。
本设计主要研究的偏航系统是风力发电机组的重要组成部分。
由于偏航机构安装在机舱底部,通过偏航轴承与机舱相连。
当风向改变时,风向仪将信号传到控制系统,控制驱动装置工作，小齿轮在大齿圈上转动,从而带动机舱旋转，是风轮对准风向。
当机舱的旋转方向有接近开关进行检测,当机舱向同一方向达到极限偏航角度时，限位开关会及时将信号传到控制装置内，控制装置会迅速发出信号使机组快速停机,并反转解缆,经过上述过程从而实现偏航控制使风轮始终保持迎风状态。
根据边行系统的工作原理本设计所要解决的基本问题有：1、实现自动偏航控制及手动偏航控制的双控制系统设计2、设计偏航系统的制动装置以及扭缆、解缆保护装置的控制方法3、了解偏航液压系统的作用、工作原理和控制方法。
4、编写驱动控制程序、扭缆、解缆保护程序。
关键词:风向,自动偏航,风向仪,偏航电机Ｄesｉgnｏf Yａw Conｔrｏl SysteｍfoｒWindMotor Bａｓed on ＰＬCABSTRＡCTＣleaｎａnｄgreen wｉnd power ｔｅchnｏｌogy has gotteｎgreat atｔeｎtｉon ｂyｔｈe worlｄbecause ofｔｈe ｉncreasingly exhａustｅｄfossil ｒesourcｅs aｎｄthe ｍore ａtteｎtioｎon the ｇloｂal envｉｒｏnｍｅｎｔaｌｄeｇraｄａtion。
Ｔhis ｄesi ｇn ｍａｉnly reｓeａrchｅsｔｈe yaw ｓystem which iｓan imｐortanｔｃompoｎent of ｔhｅwiｎｄｔuｒbine。
Beｃausｅthe yaw mechaｎiｓｍinstallｅd at the bｏttoｍofｔhe enｇineｒoom ａn ｄconneｃｔｅd tｏthｅenginｅroom through ｔhe ｙａw ｂeａri ｎｇ. When ｔhｅwｉnｄchａnges, wiｎd ｖane wilｌｓｅnｄthe siｇnal ｔo ｔhe cｏntroｌsysｔem ｔｏｃoｎｔｒol tｈe drivｅwork．Tｈe pinion rotated ｏn tｈe ｂｉg gｅａr rｉng，whｉch ca ｎtuｒｎｔhe enｇｉne rｏｏm to ｍaｋe thｅwｉnd wheel ｔuｒbines on the diｒｅctｉon of tｈｅwｉnd．When tｈe ｒevolving direcｔｉon of the engｉｎe rooｍisｃloseｄｔo the swｉtcｈto do deｔｅｃtｉon and the enｇine ｒｏom ｒeａchｅs thｅmａｘimｕm yaｗａngｌe tｏthe samｅdiｒection,the liｍited switｃh willｓend the signals to the controｌdevｉｃｅin time. Thｅn the coｎtrol ｄevｉce could quickly ｓenｄａsｉgnal tｏmake the set quｉck stｏp ａnd ｔurn over thｅcast loop．Aｆteｒａｂovｅthe pｒoceｓs，it will ｒeaｌize the yaw cｏntrol aｎｄmaｋe the wｉnd ｗheｅl keeｐthe state oｆｆacinｇthe wiｎd。
风力机偏航系统
限位开关
大齿圈
接近开关
17
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当然风向变化是一个连续的过程，并不一定瞬时从东南风就 变为南风了，而是一个逐渐变化的过程。
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机舱是可以顺时针旋转也可以逆时针旋转的，在偏航 过程中，机舱不能总是朝向一个方向旋转，因为机舱底 部大齿圈内部布置着多根电缆，机舱旋转电缆也就跟着 扭转，所以为了防止电缆扭转破坏特地控制机舱同一方 向旋转圈数不得超过650度（从0度开始，0度为安装风 电机组时确定的位置）。这种控制方法就是靠偏航接近 开关和限位开关来实现的，接近开关一左一右共两个， 负责记录机舱位置，当机舱达到＋650度或－650度时 发出信号，控制系统控制偏航电机反向旋转解缆。限位 开关是作为极限位置开关使用的，当机舱继续旋转达到 700度时，限位开关被触发而使得风电机组快速停机。
这时，由风速风向仪测得风向变化，并传给控制系统存储 下来，控制系统又来控制偏航驱动装置中的四台偏航电机往 风速变化的方向同步运转，偏航电机通过减速齿轮箱带动小 齿轮旋转。小齿轮是与大齿圈相啮合的，与偏航电机、偏航 齿轮箱统一称为偏航驱动装置，上图可以看出，偏航驱动装 置通过螺栓紧固在主机架上，而大齿圈通过88个螺栓紧固在 塔筒法兰上，不可旋转，那么只能是小齿轮围绕着大齿圈旋 转带动主机架旋转，直到机舱位置与风向仪测得的风向相一 致。
3
尾舵对风
许多农用的多 叶风轮风力机也采 用尾舵对风，有些 尾舵是两叶张开的 样式，对风有较大 的阻力，以抗衡多 叶风轮的阻力，保 证稳定的对风。
4
尾舵对风
5
侧风轮对风
侧风轮对风结构在机舱后部两侧有两个侧风轮（舵轮），两个侧风轮一 般在同一个转轴上，转轴水平并与风力机风轮主轴垂直。在风力机准确对风 时两侧风轮面与风向平行，侧风轮不会旋转；当风力机未对风时侧风轮与风 有夹角就会旋转，并通过齿轮、蜗杆蜗轮推动机舱转动直至风力机风轮对风 后停止。
风力发电机组偏航系统自动控制设计
理工学院毕业设计学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化题目：风力发电机组偏航系统自动控制设计指导教师：（教授）评阅教师：2013 年 6 月河北科技大学理工学院毕业设计成绩评定表注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。
毕业设计中文摘要毕设计外文摘要目录1 绪论 (1)1.1风能的意义 (1)1.2国际风电技术的发展现状和趋势 (1)1.3我国风电技术的发展现状和趋势 (2)1.4风力发电控制技术现状 (4)2 风力发电机组系统构成及功能简介 (5)2.1风电机简介 (5)2.2风力发电的原理 (7)2.3风力发电机系统组成部分简介 (8)3 偏航控制系统功能和原理 (14)3.1偏航系统概述 (14)3.2偏航系统的组成 (14)3.3偏航控制机构 (15)3.4偏航驱动机构 (17)4 偏航控制系统设计及结果分析 (22)4.1偏航系统控制过程分析 (22)4.2 偏航控制系统整体方案设计 (25)4.3 结果分析 (41)5 结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)1 绪论1.1 风能的意义世界经济的快速发展和激烈的竞争，新能源发电尤其是风力发电技术日趋受到世界各国的普遍重视。
除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。
由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。
风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。
风力发电是人们有效利用风能的方法之一，其技术在可再生能源利用中的运用也是比较成熟的。
风力发电是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学、等十几个专业学科，是一项系统技术。
风力发电作为现在新能源利用的重要技术之一，电气工程和它是息息相关，密不可分的。
风力发电机组偏航系统探究与优化
风力发电机组偏航系统探究与优化摘要：可再生能源的异军突起，风力发电被广泛应用，风力发电机组的容量己普遍达到兆瓦级别，因此风力发电机组的稳定性尤为重要，尤其是偏航系统，偏航系统对风的准确性直接影响机组的发电效率。
目前风力发电机组关于风向偏航控制主要是基于风向标进行的控制，而风向标的控制误差值较大，还有风向标控制的相关数据都是非线性的。
也就是说在小范围以内，风向标的控制精度较低，影响了风电机组对风能的获取。
因此探讨怎样提高对风精度，对进一步增加发电量具有重要意义。
所以，偏航控制技术的探究和优化，对改善风能捕捉、确保机组安全使用具有一定现实意义。
1本文的研究意义主要体现（1）有效缓解风力发电机组在使用中出现运行不稳定的情况；（2）小范围风向变化以内，缓解风向标的控制精度较低的情况，提高对风精度，增加发电量。
（3）改善风能捕捉、确保机组安全使用。
2风电机组的三种控制技术定桨距控制技术：机组桨叶的桨距角受安装位置等限制保持一个定值，许可的风速变化范围以内，控制系统则不会做出具体控制，技术简化明了。
变桨距控制技术：在机组刚启动运行时就可以实现对转速的跟踪控制，并网以后实现对功率的跟踪控制，大大改善了机组风机的启动特性以及功率变化情况。
变速恒频技术：跟踪控制机组的转速和功率，而直接以采集到的风速信号为机组控制的输入量来跟踪变化，当机组在额定风速以下运行时，可以达到最优功率变化的跟踪控制，这样可以保证风电机组获得最大的风能资源，提高风能利用率；当机组在额定风速以上运行时，变速控制可以使得控制系统更具有柔性，进而确保系统输出稳定的功率。
3偏航系统概述1.偏航系统。
风力发电机组要在最佳的载荷情况下最大限度的捕获风能，输出较多的电量，必须要保证机组在安全的环境下正常稳定地运转工作，在风力发电机组控制系统研究时，变桨的动作和发电机的转速相关，而风向的特性和偏航系统相关，偏航系统的控制是通过风向标实现的。
利用风向标传感器来监测风的方向，偏航控制器通过采集监测到的风信号，并分析判断风信号和风轮轴向之间的偏移角度，然后输出偏航控制信号，从而带动机组将叶轮的轴向和风向位置调整到同一位置上，进而实现对风目的。
PLC的风力发电机偏航系统控制
偏航控制系统主要有三个功能： （1） 正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或者向右 调向的指令，机舱开始对风，知道达到允许的范围内，自动对风停止； （2） 绕缆时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一定的角度时，系统控制停机， 或者此时报告扭缆故障，机组自动停机，等待工作人员来手动解缆； （3）失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自动停机，释放叶尖，背风，以 达到保护风轮免受损坏的目的。
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图 2-2-3 带有避雷装置的风向传感器
图 2-2-4 偏航驱动装置
其中，风向传感器采用绝对式传感器，绝对式风向传感器一般由风向标和旋转编码盘组 成，风向标可随风自由转动，其方向与风向一致，旋转编码盘安装在风向标的转轴上，风向 标转动带动旋转编码盘轴转动，当编码盘处于不同的位置时，就会输出不同的风向。
1.3.1 世界风电发展.............................................2 1.3.2 我国风电发展.............................................3 第二章 偏航控制系统功能简介和原理.................................3 2.1 偏航控制系统的功能............................................
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2.2 风力发电机组偏航控制原理......................................
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第三章 偏航系统的控制过程.........................................
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风力发电机组偏航系统
风力发电机组偏航系统偏航系统的功能是驱动风轮跟踪风向的变化，使其扫掠面始终与风向垂直，以最大限度地提升风轮对风能的捕获能力。
偏航系统位于塔架和主机架之间，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、偏航液压装置等几个部分组成，结构简图如图2-17所示，包含外齿驱动[图2-17（a）]和内齿驱动[图2-17（b）]两种形式。
当风向改变时，风向仪将信号传输到控制装置，控制驱动装置工作，小齿轮在大齿圈上旋转，从而带动机舱旋转使得风轮对准风向。
机舱可以两个方向旋转，旋转方向由接近开关进行检测。
当机舱向同一方向偏航的角度达到700°（根据机型设定）时，限位开关将信号传输到控制装置后，控制机组快速停机，并反转解缆。
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；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。
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。
图2-17 偏航系统结构简图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。
轮齿可采用内齿或外齿形式。
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；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。
具体采用哪种形式应根据机组的具体结构和总体布置进行选择。
偏航齿圈结构简图如图2-18所示。
（1）偏航齿圈的轮齿强度计算方法参照DIN3990—1970《圆柱齿轮和圆锥齿轮承载能力的计算》和GB 3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》及GB/Z 6413.2—2003《圆柱齿轮、锥齿轮和准双曲面齿轮胶合承载能力计算方法：第2部分》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：图2-18 偏航齿圈结构简图＞1.0；对轮齿齿根断裂强1）静强度分析。
风力发电机及偏航系统
政策法规对产业发展影响分析
补贴政策
政府对风力发电产业的补贴政策，包括上网电价补贴、投资补贴等， 对产业发展起到了积极的推动作用。
税收政策
政府对风力发电产业实行的税收优惠政策，如增值税即征即退、所 得税优惠等，降低了企业的税收负担。
环保政策
政府对可再生能源和环保产业的支持政策，如碳排放权交易、绿色电 力证书等，为风力发电产业的发展提供了良好的政策环境。
多元化能源融合
未来风力发电将与其他能源形式进行 融合，形成多元化的能源供应体系。
05 行业标准与政策法规解读
国内外相关行业标准梳理
国际标准
包括IEC（国际电工委员会）制定的风 力发电机组相关标准，以及ISO（国 际标准化组织）制定的可再生能源和 风力发电相关标准。
国内标准
中国制定的风力发电机组相关标准，如 GB/T（国家推荐性标准）和NB/T（能源行 业标准）等，涵盖了风力发电机组的设计、 制造、试验、安装和运行等方面。
特点
清洁、可
风力发电机类型及结构
类型
水平轴风力发电机、垂直轴风力发电 机等。
结构
包括叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、 塔筒、偏航系统等主要部件。
风力发电机性能指标
额定功率
发电机在额定风速下输 出的功率。
切入风速
发电机开始发电的最低 风速。
切出风速
为保护发电机而设定的 最高风速，超过此风速
机的发电量和运行稳定性。
案例二
某风电设备制造商对其偏航系统进 行了结构优化设计，降低了制造成 本并提高了市场竞争力。
案例三
某研究机构将智能化技术应用于偏 航系统，实现了对风力发电机的智 能监控和优化控制，取得了显著的 应用效果。
风力发电机组偏航系统误差与控制策略分析
风力发电机组偏航系统误差与控制策略分析摘要：本文首先分析了风力发电中，机组偏航系统控制的理论，并在控制理论的分析研究后，提出风力发电机组偏航系统的控制策略，以期能够有效地解决风力发电机组，偏航系统实际运行过程可能存在的问题，保证风力发电的效率、安全。
关键词：系统控制；偏航系统；风力发电机组引言：随着我国经济、科技的快速发展，电力能源的地位有了显著提升。
同时，随着我国发展理念不断进步，更加重视新能源、环保能源的开发与利用，风力发电作为电力系统的重要组成部分，需要对其偏航系统误差与控制策略进行分析。
一、机组偏航系统控制理论（一）设置偏航系统的价值近些年来，由于我国发展理念的不断更新，国家开始注重新型能源、可再生能源、环保型能源的开发利用[1]。
电力是当前世界各国发展的重要动力，关系到发展的速度、质量等多方面问题，其重要性不言而喻。
风力发电作为较新型的发展动力，有着几乎无污染、可再生的强大优势，逐渐成为我国电力系统的重要组成部分[2]。
随着我国各领域的快速发展，当前我国风力发电单机容量达到了兆瓦级，控制方式相比于传统的失速控制，发展成为变桨距控制。
但是由于风力发电固有的局限性，需要风轮能够始终保持迎风状态，才能够保证风力发电的持久运行。
所以在风力发电机组中，合理设置偏航系统，对风轮进行有效地控制，从而保证风力发电系统的高效运行，在最大程度上利用风能进行生产，降低发电的损耗，节约成本。
同时，当前我国风力发电机组中的偏航系统，与国际水平仍有一定的差距，所以要对偏航控制系统的发展进行分析探索，提高风力发电的水平。
（二）机组偏航系统的原理当前我国的风力发电机组中，偏航系统可以分为两部分，即控制检测系统和运行系统。
风力发电系统中，机组偏航系统的原理，是将测风传感器收集的风向数据传输到偏航控制系统的控制器中，然后偏航控制器通过信号放大、比对，将分析出的顺时针、逆时针指令传输到偏航电机中，进行风轮偏航动作。
当风轮轴方向与风向一致时，风向标停止风向数据传输，偏航系统自动停止运转。
风力发电机偏航控制系统的研究
风力发电机偏航控制系统的研究一、本文概述随着全球对可再生能源需求的持续增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，已在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
风力发电机（Wind Turbine）作为风力发电系统的核心设备，其运行效率和稳定性对于整个系统的性能至关重要。
偏航控制系统作为风力发电机的重要组成部分，对于确保风电机组的安全运行和最大化能量捕获具有关键作用。
本文旨在深入研究风力发电机偏航控制系统的原理、设计及其在实际应用中的性能表现。
文章首先介绍了风力发电机的基本工作原理和偏航控制系统的基本构成，为后续的研究提供了理论基础。
接着，文章详细分析了偏航控制系统的关键技术和控制策略，包括传感器技术、执行机构、控制算法等，并探讨了这些技术和策略对风力发电机性能的影响。
在此基础上，文章通过实验和仿真研究，评估了不同偏航控制策略在实际应用中的效果，为优化风力发电机偏航控制系统提供了有益的参考。
文章还讨论了风力发电机偏航控制系统面临的挑战和未来的发展趋势，为相关领域的研究者和工程师提供了有价值的参考信息。
通过本文的研究，期望能够为风力发电机偏航控制系统的设计、优化和应用提供有益的指导，推动风力发电技术的发展，为实现全球能源转型和可持续发展做出贡献。
二、风力发电机概述风力发电机是一种利用风能转换为电能的装置，其工作原理基于风的动力学特性和电磁感应原理。
风力发电机通常由风轮（也称为风叶或转子）、发电机、塔筒和基础等部分组成。
风轮由多个风叶组成，当风吹过风叶时，风叶受到风力作用而旋转，进而带动发电机转动，发电机中的磁场与导体产生相对运动，根据电磁感应原理，导体中会产生感应电动势，从而产生电能。
风力发电机具有清洁、可再生、无污染等优点，是当前全球范围内大力推广的可再生能源发电方式之一。
风力发电机的装机容量和单机容量不断增大，技术也在不断进步，从最初的定桨距失速型发展到变桨距调节型，再到目前最先进的主动偏航控制系统，风力发电机的性能和稳定性得到了显著提升。
[知识]风机偏航结构及作用
![[知识]风机偏航结构及作用](https://img.taocdn.com/s3/m/71da722742323968011ca300a6c30c225901f012.png)
风力发电机组偏航系统的结构与作用风力发电机组偏航系统的结构与作用偏航系统是一个随动系统，风向仪将采集的信号传送给机舱柜的PLC的I/O板，计算10分钟平均风向，与偏航角度绝对值编码器比较，输出指令驱动四台偏航电机（带失电制动），将机头朝正对风的方向调整，并记录当前调整的角度，调整完毕电机停转并启动偏航制动。
偏航控制系统框图如下图所示：下文将对偏航控制系统的各机构进行分析：1、风速仪风力发电机组应有两个可加热式风速计。
在正常运行或风速大于最小极限风速时，风速计程序连续检查和监视所有风速计的同步运行。
计算机每秒采集一次来自于风速仪的风速数据；每10min计算一次平均值，用于判别起动风速和停机风速。
测量数据的差值应在差值极限1.5m/s以内。
如果所有风速计发送的都是合理信号，控制系统将取一个平均值。
2、风向标风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角。
一般采用两个风向标，以便互相校验，排除可能产生的误信号。
控制器根据风向信号，起动偏航系统。
当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。
当风速低于3m/s时，偏航系统不会起动。
3、扭揽开关扭缆开关是通过齿轮咬合机械装置将信号传递PLC进行处理和发出指令进行工作的。
除了在控制软件上编入调向记数程序外，一般在电缆处安装行程开关，当其触点与电缆束连接，当电缆束随机舱转动到一定程度即启动开关。
以国内某知名公司生产的1.5MW风机为例，当机身在同一方向己旋转2转(720度)，且风力机不处在工作区域(即10分钟平均风速低于切入风速) 系统进入解缆程序。
解缆过程中，当风力机回到工作区域(即10分钟平均风速高于切入风速)，系统停止解缆程序，进入发电程序，但当机身在同一方向己旋转2.5转(900度)偏航限位动作扭缆保护，系统强行进入解缆程序，此时系统停止全部工作，直至解缆完成。
当风速超过25 m/s时，自动解缆停止。
自动解除电缆缠绕可以通过人工调向来检验是否正常。
实验三 风力发电机组偏航控制
一、实验目的1. 了解恒速变桨距风力发电机组偏航系统的工作原理2. 熟悉并掌握恒速变桨距风力发电机组偏航的控制过程二、实验内容1. 学习风力发电机组偏航系统的工作原理2. 掌握恒速变桨距风力发电机组偏航的控制过程3. 编写风力发电机组偏航的控制程序，实现风机正确偏航三、实验步骤1. 偏航及偏航系统的工作原理偏航主要有两个功能：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，通过控制风轮的迎风面始终与风向垂直实现最大限度捕获风能；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。
风力发电机组无论处于运行状态还是待机状态（风速>4m/s），均要求能主动对风。
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。
偏航控制系统框图如下图4-1所示：图3-1 偏航控制系统框图第 1 页共 12 页指导教师签字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，具有很大的转动惯量，从稳定性考虑，需要设置足够的阻尼。
在风轮前部或机舱一侧，装有风向仪（风标），当风力发电机组的航向（风轮主轴的方向）与风标指向偏离时，控制器开始计时。
偏航时间达到一定值时，即认为风向已改变，控制器发出向左或向右调向的指令，直到偏差消除。
有多种方式可以监视电缆缠绕情况，除了在控制软件上编入调向计数程序外，还可在电缆处直接安装传感器，最简单的传感器是一个行程开关，将其触点与电缆束连接，当电缆束随机舱转动到一定程度即拉动开关。
2. 掌握风力发电机组的偏航控制过程偏航控制主要分为手动偏航和自动偏航。
手动偏航是指人为的对风机偏航方向进行控制，通过更改左右偏航的设定值即可，请注意在给偏航信号置1后，要及时复位，否则容易造成左右偏航信号同时为1导致偏航控制紊乱；自动偏航主要是通过计算风向角与偏航角的差值大小来区分如何快速解缆、快速对风，这就需要对整个风机的偏航控制要有一个较深的理解。
风电机组偏航系统
3.2 滑垫保持装置及其组件
• 下滑动衬垫是放入压板凹槽内的，而上滑动衬垫 若要固定于凹槽内，就要靠滑垫保持装置了，共 有6片，靠近叶轮一侧有两片，每片上有7个凹槽 用于粘结滑动衬垫，如下图（右）所示。六个小 孔用于侧面轴承与主机架连接螺栓穿过使得滑垫 保持装置与主机架连接为一体。 • 靠近发电机一侧有4个滑垫保持装置，其形状如图 下图（左）所示，它5个凹槽用于粘结滑动垫片。
3.7 风速风向仪
• 偏航实现其功能，必须采集到风向，风速风向仪 就是实现这个功能的。风速风向仪位于机舱罩子 外部，远离叶轮一侧，阻流板前面。结构如图所 示
4.偏航常见故障及可能原因 偏航常见故障及可能原因
4.1 齿圈齿面磨损原因
• 齿轮副的长期啮合运转 • 相互啮合的齿轮副齿侧间隙中渗入杂质 • 润滑脂严重缺失使得齿轮副处于干摩擦状 态
•
机舱是可以顺时针旋转也可以逆时针旋转的，在偏航 过程中，机舱不能总是朝向一个方向旋转，因为机舱底部 大齿圈内部布置着多根电缆，机舱旋转电缆也就跟着扭转， 所以为了防止电缆扭转破坏特地控制机舱同一方向旋转圈 数不得超过650度（从0度开始，0度为安装风电机组时确 定的位置）。这种控制方法就是靠偏航接近开关和限位开 关来实现的，接近开关一左一右共两个，负责记录机舱位 置，当机舱达到＋650度或－650度时发出信号，控制系 统控制偏航电机反向旋转解缆。限位开关是作为极限位置 开关使用的，当机舱继续旋转达到700度时，限位开关被 触发而使得风电机组快速停机。
华锐风电科技有限公司
SL1500风力发电机组培训教材 偏航部分
1.偏航系统简介
1.1 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，对风 电机组利用风能起着非常巨大的作 用
风力发电机组偏航系统控制算法仿真设计
·DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2021.04.017第一作者简介:彭定杰(1981-),男,工程硕士,工程师,毕业于西南交通大学控制理论与控制工程专业,主要从事风力发电机组机组优化方面工作。
彭定杰1,兰杰2,林淑2(1.东方电气新能科技(成都)有限公司,四川成都,610036;2.东方电气风电股份有限公司,四川德阳,618000)摘要:为有效进行偏航迎风控制,提高对风精度,偏航系统控制算法已成为一项重要研究工作。
文章在分析传统风向标偏航控制算法功率损失的基础上,对偏航控制系统模型进行了分析,提出了基于变增益PI控制的偏航系统控制算法。
以FD93H 模型为例,通过仿真,结果表明该算法具有稳定性,提高了对风精度,增加了系统的输出功率。
关键词:偏航控制,变增益PI控制,风力发电机组,稳定性中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1674-9987(2021)04-0070-05 Simulation D esign of Control Algorithm Based onWind Turbine Yaw SystemPENG Dingjie1,LAN Jie2,LIN Shu2(1.Dongfang Electric New Energy Technology(Chengdu)Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan,610036;2.Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)Abstract:In order to effectively control the yaw and wind,to improve the accuracy of the wind,the yaw system control algorithm is an important research work.In this paper,based on the analysis of the power loss of the traditional yaw control algorithm,the yaw control system model is analyzed,and the control algorithm of the yaw system based on variable gain PI control is proposed.Taking the FD93H model as an example,the simulation results show that the algorithm is stable,improves the accuracy of the wind,and increases the output power of the system.Key words:yaw control,variable gain PI control,wind turbine,stability0引言风能作为一种储量丰富、清洁可再生能源,受到了世界各国的高度重视[1]。
风力发电机组偏航控制系统设计毕业设计
新疆大学科学技术学院College of science ＆technology Xinjiang University学生毕业论文(设计) 题目：风力发电机组偏航控制系统设计新疆大学科学技术学院学生毕业论文（设计）任务书学生姓名刘海龙学号 20092450037专业电气工程及其自动化班级电气09-1论文（设计）题目风力发电机组偏航控制系统设计论文（设计）来源教师科研要求完成的内容1.查阅相关资料，掌握风机发电机组的基本结构；2.查阅相关资料，了解风力发电机组的偏航系统硬件结构及功能；3.查阅相关资料，掌握偏航控制系统的几种流程；4.掌握一种高级编程语言（如visual basic 6.0）；5.编制对风偏航的控制程序；6.完成毕业设计说明书一篇。
发题日期：2013年1月9日完成日期：2013年5月30日指导教师签名摘要长能源、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。
关键词：风力发电机；风向标；偏航控制系统ABSTRACTEnergy, the environment is the development of human survival and the urgency of the problem to be solved. Wind power as a new source of energy for sustainable development, not only can save conventional energy sources, and reducing environmental pollution, good economic and social benefits, ever-increasing importance attached.As the wind with a low energy density, random and non-stability characteristics of wind turbine is complex and ever-changing amount of nonlinear uncertain systems, therefore, the control unit technology is the key to safe and efficient operation. Yaw control system as a horizontal axis wind turbine control system for an important part of. The wind turbine yaw control system is divided into two categories: passive and active yaw wind wind systems. In this paper, the design is based on large-scale wind turbine anemometer, wind vane, such as sensor data, on the wind, braking, and determine the starting gate opening to synchronous speed for some time, and network operations to begin power generation.Key words: Wind turbine ；Wind vane；Yaw control system目录1 绪论 (1)1.1课题的背景和意义 (1)1.2世界风力发电的发电 (2)1.3国内风力发电的发展 (2)1.4本课题主要任务 (3)2 风力发电机组系统构成及功能简介概述 (4)2.1风力发电机的分类 (4)2.2现代风机 (4)2.3风力发电机系统组成部分简介 (5)2.3.1风力机桨叶系统 (5)2.3.2风力机齿轮箱系统 (6)2.3.3发电机系统 (6)2.3.4偏航系统 (7)2.3.5解缆装置 (7)2.3.6刹车系统 (8)2.3.7塔架 (8)2.3.8控制系统 (8)3 偏航控制系统组成和原理 (10)3.1偏航系统的组成 (10)3.2偏航控制机构 (10)3.2.1风向传感器 (10)3.2.2偏航控制器 (12)3.2.3解缆传感器 (12)3.3偏航驱动机构 (12)3.3.1偏航轴承 (13)3.3.2偏航驱动装置 (14)3.3.3偏航制动器 (15)3.4偏航控制系统的功能及原理 (16)3.4.1偏航控制系统的功能 (16)3.4.2偏航控制原理 (17)4 偏航控制系统设计及结果分析 (19)4.1 Vb结构和功能 (19)4.1.1 Visual basic6.0简介： (19)4.1.2 Visual Basic6.0的开发环境 (19)4.1.3 VB主要功能和特点： (20)4.2偏航过程 (20)4.3控制软件流程图 (21)4.4 Vb编程设计 (25)4.5结论与分析 (26)结束语 (28)致谢 (29)参考文献 (30)1绪论1.1课题的背景和意义随着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。
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风力发电机组偏航控制系统设计
一、引言
二、偏航控制系统的功能
偏航控制系统的主要功能是实时监测风向，并控制风轮的转向，使其
与风向保持一致。
具体功能包括以下几个方面：
1.风向传感器：获取当前的风向信息。
2.控制算法：根据风向传感器的数据计算需要偏航的角度，并输出控
制信号。
3.控制执行部分：根据控制信号，驱动偏航装置，使其实现风轮的转向。
三、偏航控制系统的设计要求
1.稳定性：偏航控制系统需要保证在各种天气条件下都能稳定工作，
即使在强风或恶劣天气下也能可靠控制风轮的转向。
2.灵敏性：系统需要快速响应风向变化，并及时调整风轮的转向，以
最大化风能转化效率。
四、偏航控制系统的设计方案
1.风向传感器的选取：选择高精度、高灵敏度的风向传感器，能够准
确地获取当前的风向信息。
2.控制算法的设计：采用先进的控制算法，如模糊控制、PID控制等，根据当前风向和期望风向之间的差异，计算偏航的角度，并输出控制信号。
3.控制执行部分的设计：根据控制信号，选择合适的偏航装置，如电
动执行器或液压执行器，进行风轮的转向控制。
五、偏航控制系统的实施和测试
1.系统的实施：根据设计方案，搭建偏航控制系统的实验装置，进行
系统的实施和调试。
2.系统的测试和评估：对实施后的偏航控制系统进行测试和评估，包
括稳定性测试、灵敏性测试和抗干扰性测试等。
六、偏航控制系统的性能提升方案
1.优化风向传感器：选择更高精度、更高灵敏度的风向传感器，以提
高系统的测量精度和响应速度。
2.改进控制算法：采用更先进的控制算法，如模型预测控制、自适应
控制等，进一步提高系统的控制精度和响应速度。
3.优化控制执行部分：选择更高性能的偏航装置，如脉冲宽度调制执
行器等，以提高风轮转向的准确性和稳定性。
七、结论
本文详细介绍了风力发电机组偏航控制系统的设计，包括系统的功能、设计要求和设计方案等。
通过实施和测试，可以验证系统的性能，并提出
性能提升方案，进一步提高系统的稳定性和效率，为风力发电行业的发展
做出贡献。