1 偏航控制系统的分类与组成

1 偏航控制系统的分类与组成 1.1偏航控制系统的分类 偏航控制系统主要可分为被动偏航控制系统和主动偏航控制系统两种。其中,被动偏航控制系统是当风轮偏离风向时,通过风压所形成的转矩使得风轮和风向相一致,其偏航力矩是由风力产生;主动偏航控制系统是应用液压机构或者电动机、齿轮机来使风力机迎风。当前,我国多数大型风力发电机组均采用的是主动偏航控制系统,在本文中也主要分析的是主动偏航控制系统。 1.2偏航控制系统的组成 偏航控制系统属于一种自动控制系统,主要是由控制器、执行机构、功率放大器以及偏航计数器等多个部分所组成。其各组成部分的工作原理框架图,见下图 1 所示。 如图 1 所示,偏航控制系统的工作原理为:经风向传感器采集风向变化的数据,然后 再将相关数据传输到控制器当中,经过功率放大器、执行机构和偏航计数器的数据处理,并将已处理得到的数据作为参考进行检测和判断,以最终给出是否需要偏航以及偏航方向的指令,实现风轮能始终处于迎风状态,以最大限度的吸收风能的目的。 2.1 系统硬件 2.1.1 控制器设计 偏航控制系统的硬件控制功能主要是由控制器来实现的。由于风向瞬时波动频繁,但幅度不大,通常设置一定的允许偏差,如±8°,如果在此偏差范围以内,即可认为是对风状态。当风轮偏航信号经过放大和模数转换后,进入到 CPU 中进行处理,再将所得的数据处理结果经过数模转换后输出,并经过功率放大驱动执行机构。如果系统需进行人工操作,还可以通过人机交互平台得以实现,CPU 还可用于和主控制器之间的信号交换。 2.1.2 偏航执行机构设计 偏航执行机构主要由偏航轴承、偏航电动机、偏航减速机、偏航小齿轮、偏航齿圈、制动器、偏航液压回路等设备所构成。其中,对于偏航减速机的设计,由于偏航速度低,驱动装置的减速器通常采用的是多级行星减速器或者蜗轮蜗杆与行星串联的减速器。根据机组偏航传动系统的结构需要,可以布置多个减速机驱动装置。装配时必须通过齿轮啮合间隙调整机构正确调整各个小齿轮与齿圈的相互位置,使各个齿轮副的啮合状况相一致,以避免出现卡滞或偏载问题。 2.1.3 偏航传感器设计 偏航传感器主要用于采集和偏航位移信息。位移信息通常是以当地北向为基准,有方向性,同时传感器的位移信息记录也是控制器发出电缆解扭指令的主要依据。偏航传感器的齿轮和偏航轮相啮合,当机舱和塔架相对转动时,可以将转动信息记录下来,用于限制发电机组电缆扭转的次数。 2.2 系统软件设计 由于偏航控制系统是采用的计算机控制,因此必须依赖于控制软件,以保障偏航控制系统中各种功能的实现。本文所设计的系统软件主程序控制流程,如下图3 所示。通过该系统软件流程,可使偏航控制系统实现自动偏航、人工偏航、90°侧风以及自动解缆等多种功能。 2.2.1 自动偏航功能 当偏航控制系统接收到中心控制器发送的需要进行自动偏航的信号后,经过 3min 时间连续检测风向情况。如果风向判定准确,同时机舱不位于对风位置时,则松开偏航制动,偏航电动机也开始启动运转,并开始偏航对风程序。同时,偏航计数器也开始工作,根据机舱所需偏转的具体角度,使风轮轴线方向和风向相一致。 2.2.2 手动偏航功能 手动偏航控制主要包括了人工进行顶部机舱控制、面板控制以及远程控制偏航这三种方式。 2.2.3 自动解缆功能 自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角度、偏航时间以及偏航传感器,使出现扭转情况的电缆自动解开的控制过程。通常而言,当偏航控制器检测到扭缆达到一定圈数时(可根据实际情况设置),如果风力发电机组处于暂停或启动状态时,则系统可控制自动解缆;如发电机组正处于运行状态时,则中心控制器将不允许解缆,偏航控制系统应继续进行正常偏航和对风跟踪。如偏航控制器检测到扭缆状态达到保护极限时,偏航控制器通过软件系统请求中心控制器正常停机,此时中心控制器允许偏航控制系统强制执行解缆动作。当解缆完成后,偏航控制系统会发送解缆完成信号。 2.2.4 90° 侧风功能风力发电机组的 90°侧风功能是在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时,控制系统为了保证风力发电机组的安全,控制系统将对机舱进行 90°侧风偏航处理。正是由于 90°侧风功能是在外界风力对发电机组有较大影响的条件下,为确保机组安全所采取的,因此在该情况下,应当使机舱走最短路径,并应当屏蔽自动偏航指令。在侧风结束后,还应当抱紧偏航制动盘,同时当风向发生变化时,需继续追踪风向的变化,以确保风力发电机组的安全。90°侧风功能的控制过程与自动偏航功能的控制相类似。 3 本文在对偏航控制系统的分类、组成及工作原理分析的基础上,着重就系统软硬件设计方面的内容进行了研究与探讨。当前,对偏航控制系统的设计与研究,是我国风力发电机组大型化、批量化发展的需要,并具有显著的经济效益与社会效益,值得我们去进一步探索与应用。 参考文献 [1] 倪受元 . 风力机的工作原理和气动力特性 [J]. 太阳能 ,2013(05). [2] 张新房 , 徐大平等 . 风力发电技术的发展 及若干问题 [J]. 现代电力 ,2008(09). [3] 叶杭冶 . 风力发电机组的控制技术 [M]. 北京 : 机械工业出版社 ,2006. [4] 王承熙 , 张源 . 风力发电 [M]. 北京 : 中 国电力出版社 ,2003. 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。参见图4-3 和图4-4。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)。 4.2.2 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。参见图 4-3 和图 4-4。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)。