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。

 

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。

（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。

 

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）

 

（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。）

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。
   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R_a。

 

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。

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。

 

表4-1 自动偏航传感器ASS 参数说明和电机运行状态表

ASS	设置	电机状态
00	已对风（在偏航精度内）	停止
01	锐角偏航偏航	电机正转
10	锐角偏航偏航	电机反转
11	钝角偏航	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，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。

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。

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；