偏航系统

4.3 偏航系统

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。

风力机发电机组的偏航系统是否动作，受到风向信号的影响，而偏航系统及其部件的运行工况和受力情况也受到地形状况影响。本章主要阐述偏航控制系统的功能、原

理、以及影响偏航系统工作的一些确定的和不确定的因素。

4.3.1 偏航系统的工作原理

偏航系统的原理框图如图4-11 所示，工作原理为：通过风传感器将风向的变化传递到偏航电机控制回路的处理器里，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。为减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，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，风传感器失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

图4-11 偏航系统硬件设计框图

4.3.1 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；

4.3.2 偏航系统控制原理

风能普密度函数为：

4

32222||1K i W i W S S V ωφωππφ=⎡⎤⎛⎫⎢⎥

+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

（1） 其中，1()2i i ω

ω=-⋅∆，风波动频率；ω∆—积分步长；K S —表面张力因数； φ—风波动范围因数；W V —平均风速。 平均风速W V 附近的瞬时风速()W

v t 为：

1()2co s()n W i i i v t t ωφ==⋅+∑

（2）

对于时变量i 而言，i φ为自由独立变量，0

又式（1）、（2）定义实际风速为：

()()W W V t V v t =+

（3）

假设平均风速W V ＝5m/s ，在风况稳定的情况下，我们在仿真时间取为600s

的情况

下，仿真的实际风况如图4-12所示。

图4-12 W V ＝5m/s 时的风况仿真

风力机输出的机械功率为：

2312m P P R C v πρ=

（4）

其中：

ρ

—空气密度； R —桨叶半径；

v —风速；

P

C —功率系数。 P C 为风力机叶尖速比λ的函数，通常用下式表达：

R

v ωλ=

（5）

转矩系数：

3212t T T R v C πρ=⋅⋅⋅⋅ （6）

T C —风轮转矩系数，与叶尖速比λ的关系：

P T C C λ= （7）

偏航角：

e W T θθθ=- （8）

其中：

W θ—风向角度；

T

θ—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e

θ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）：

（1） 当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差小于180︒时，偏航角为：

e θ=W T θθ- （9）

通常，风向角度W θ是相对于叶轮迎风面法线方向角度，故取T θ＝0，偏航角

度为：

e θ=W θ （10）

如图4-13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。

叶轮

图4-13 W θ<180︒时e θ=W θ机舱顺时针调向

（2） 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：

e

θ=360︒-W T θθ-=360︒-W θ （11） 如图4-14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。

叶轮 叶轮

图4-14 W θ>180︒时e θ=360︒-W θ机舱逆时针调向

4.4 偏航传动系统设计

4.4.1 偏航操作装置概述

偏航系统是水平轴风电机组的重要组成部分。根据风向的变化，偏航操作装

置按系统控制单元发出的指令，使风轮处于迎风状态，同时还应提供必要的锁紧

力矩，以保证风电机组的安全运行和停机状态的需要。

偏航操作装置主要由偏航轴承、传动、驱动与制动等功能部件或机构组成。偏航系统要求的运行速度较低，且机构设计所允许的安装空间、承受的载荷更大，

因而有更多

的技术解决方案可供选择。图4-15所示是一种采用滑动轴承支撑的主动偏航装置装配设计方案，以下结合此种方案讨论相关的结构设计问题。

图4-15 一种采用滑动轴承的偏航装置装配设计方案

如图4-15所示，偏航操作装置安装于塔架与主机架之间，采用滑动轴承实现主机架轴向和径向的定位与支撑，用四组偏航操作装置实现偏航的操作。该方案的设计中，大齿圈5与塔架10固定连接，在齿圈的上、下和内圆表面装有复合材料制作的滑动垫片，通过固定齿圈与主机架运动部位的配合，构成主机架的轴向和径向支撑（即偏向轴承）。在主机架上安装主传动链部件和偏航驱动装置，通过偏航滑动轴承实现与大齿圈的连接和偏航传动。

当需要随风向改变风轮位置时，通过安装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。图4-16所示是实现上述方案的偏航装置与主机架结构。