偏航系统的原理

新疆大学大作业

题目：偏航系统的原理

学号：

学生姓名：

所属院系：电气工程学院

专业：电气工程及其自动化班级：

指导老师：

完成日期：20年月日

偏航系统的功能和原理

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。

偏航系统的功能和原理

偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。它的功能有两个：一是要控制风轮跟踪变化稳定的风向；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。风力机偏航的原理是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。

1.1 偏航控制系统的功能

偏航控制系统主要具备以下几个功能：

（1）风向标控制的自动偏航；

（2）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；

（3）风向标控制的90°侧风；

（4）自动解缆；

1.2 偏航控制原理

偏航角θe ：

T w e θθθ-= (3-1)

其中： θW －风向角度；

θT －风力机叶轮角度。

风向标作为感应元件将风向变化信号转换为电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，处理器经过比较后给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航指令。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，电机停止转动，偏航过程结束。

在偏航过程中，风力机总是按最短路径将机舱转过相应角度，才能够提高发电效率，这样就需要解决电机的起动和转向问题。为了确定电机的转向使风力机转过最小路径，即偏航时间最短，需要弄清偏航角θe 与风向角度和风力机叶轮角度（也就是机舱角度）之间的相对关系。就水平轴风力机而言，风向和风力机叶轮迎风面法线方向的夹角有以下两种情况（以下角度都是相对的）：

当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差小于180o 时，偏航角为：

T w e θθθ-= (3-2)

通常，风向角度θW 是相对于叶轮迎风面法线方向角度，故取θT ＝0，偏航角度为：

w e θθ= (3-3)

如图3.1所示（叶轮迎风面以粗实线表示，虚线表示风力机处于迎风位置），电机正转，风力机机舱顺时针调向。

图3.1 θw <180°时θe =θw 机舱顺时针调向

当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差大于180°时，偏航角为： w T w e θθθθ-=--= 360360 (3-4)

如图3.2所示（叶轮迎风面以粗实线表示，虚线表示风力机处于迎风位置），电机反转，风力机机舱逆时针调向。

图3.2 θw >180°时θe =360°-θw 机舱逆时针调向

1.3 风向、风速信号的采集

1.3.1 风向测量

风向信号作为偏航控制系统中最关键的输入信号，对其准确的测量将影响整个控制系统的性能。风作为矢量，既有大小，又有方向，

其测量包括风向和风速两项。

风向测量是指测量风的来向。

风向标一般是由尾翼、指向杆、平衡锤以及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。在风的动压力作用下，取得指向的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。传送和指示风向标所在方位的方法有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘四种类型，其中最常用的是码盘。图3.3是一种目前风力发电机组常采用的带有避雷装置的测风装置。

图3.3 带有避雷装置的风向传感器

1.3.2风速的测量

风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。风速的测量有使用旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计（超声波风速计），但是通常使用的绝大多数是旋转式风速计。

（1）旋转式风速计

旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件，常用的有风杯、螺旋桨叶片和平板叶片三种类型。风杯旋转轴垂直于风的来向，螺旋桨叶片和平板叶片旋转轴平行于风的来向。

测定风速最常用的传感器是风杯，杯形风速计的主要优点是它与风向无关。

杯形风速计一般由3个或者4个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成。杯形风速计固定互成120°角的三叉形支架上或互成90°角的十字形支架上，杯的凹面顺着同一方向，整个横臂架则固定在能旋转的垂直轴上。

由于凹面和凸面所受的风压力不相等，在风杯受到扭力作用时开始旋转，它的转速与风速成一定的关系。用在某风力发电机组上的风速传感器和风杯风速计分别如图3.4和3.5所示。

（2）风杯风速记录

风速记录通过信号的转换方法来实现。它的原理是，风杯旋转轴上装有一圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有一红外光源，正下方有一光电半导体，风杯带动圆盘旋转时，由于孔的不连续性，形成光脉冲信号，经光电半导体元件接受放大后变成电脉冲信号输出，每一个脉