大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的概述

王 潤(rùn)

（東方電氣〈酒泉〉新能源有限公司，甘肅 酒泉 735000）

0 前言

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題的日益關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電得到了高度重視。到2008 年底，全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到1.20791 億KW[1]。風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)向隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，所以需要風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)，它是使風(fēng)輪穩(wěn)定的跟蹤變化的風(fēng)，保證捕獲最大的風(fēng)能。因此，偏航系統(tǒng)的控制問(wèn)題就顯得尤為重要。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的偏航

風(fēng)力機(jī)應(yīng)用的偏航系統(tǒng)大致分位常阻尼式和液壓阻尼式偏航兩種。（1）常阻尼式偏航系統(tǒng)采用全部偏航卡塊以額定力矩固定在偏航齒圈盤(pán)上，偏航時(shí)通過(guò)偏航電機(jī)的輸出功率克服卡塊與齒圈盤(pán)之間的摩擦力，使機(jī)艙按照某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)艙與風(fēng)向角度一致時(shí)，電機(jī)電源被切斷，機(jī)艙的固定由偏航卡塊來(lái)保證。

采用常阻尼式偏航系統(tǒng)，因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，減少了偏航液壓系統(tǒng)，但要求偏航電機(jī)輸出功率大、偏航卡塊力矩均衡度高、摩擦墊片耐磨性能強(qiáng)，因而偏航系統(tǒng)維護(hù)量大。若偏航卡塊力矩均衡度較差，在偏航時(shí)機(jī)艙會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)振幅峰值為非偏航時(shí)的30倍以上；如果這種情況時(shí)間較長(zhǎng)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致塔筒變形，可見(jiàn)產(chǎn)生的破壞性極為巨大的。

（2）液壓阻尼方式采用一半數(shù)量的卡塊以額定力矩固定在偏航齒圈盤(pán)上，另一半可由液壓?jiǎn)卧刂茐壕o或釋放在卡塊上。需要偏航時(shí)，通過(guò)液壓的壓力使之釋放，機(jī)艙可轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)風(fēng)后，通過(guò)液壓對(duì)卡塊的上下油路加壓，使之壓緊在齒盤(pán)上。

液壓阻尼式偏航采用“需用才用”的設(shè)計(jì)思維，在機(jī)艙偏航時(shí)即釋放液壓卡塊，這樣對(duì)偏航的功率要求低，也就可相對(duì)減配偏航電機(jī)，其缺點(diǎn)為，增加了一套液壓?jiǎn)卧?，也增加了風(fēng)電機(jī)故障的可能性。因此，國(guó)內(nèi)有些公司已結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用液壓阻尼混合式設(shè)計(jì)，這顯得更為合理，也更符合自動(dòng)控制的理念。

2 目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題

2.1 機(jī)械故障

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的考察和驗(yàn)證，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，機(jī)械部件比電氣部件更容易壞，而機(jī)械部件中，偏航系統(tǒng)部件又是機(jī)械中經(jīng)常出現(xiàn)故障的重點(diǎn)問(wèn)題。例如，偏航電機(jī)經(jīng)常因?yàn)檫^(guò)載或者軸頭軸承損壞而引起偏航故障；偏航減速器的輸入齒因?yàn)楣潭菟ǖ燃?jí)不夠，經(jīng)過(guò)過(guò)多的振動(dòng)，引起螺栓松動(dòng)，最后損害偏航輸入齒內(nèi)部齒輪；由于偏航減速器內(nèi)部齒輪質(zhì)量不高，熱處理不到位，引起內(nèi)部齒輪經(jīng)常被上級(jí)齒輪打壞；由于偏航系統(tǒng)大齒輪是由五塊弧型齒條構(gòu)成，這樣，在兩個(gè)齒條連接處，其連接如果不緊湊，焊接質(zhì)量不高的情況下，連接處的齒輪容易被打掉；偏航減 速器里面充滿了潤(rùn)滑油，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，其油性都已經(jīng)有了變化，但是，沒(méi)有得到及時(shí)的處理，也會(huì)造成偏航系統(tǒng)問(wèn)題。

這些都是目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題，而且，在更換這些部件時(shí)，都是相當(dāng)不容易更換的，一個(gè)是因?yàn)槊總€(gè)部件的自身重量都很重，另一個(gè)是因?yàn)楦鼡Q這些部件時(shí)，空間都很狹小，沒(méi)有足夠下手工作的空間。

2.2 偏航軸承要求不達(dá)標(biāo)

目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)軸承主要是變速器軸承和電機(jī)軸承，但性能和壽命還達(dá)不到要求。因此，90%左右的變速器軸承和電機(jī)軸承仍然依賴(lài)進(jìn)口。偏航軸承總成和風(fēng)葉主軸軸承總成還在研制之中，國(guó)內(nèi)除洛軸、瓦軸等大型國(guó)有企業(yè)有少量試制外，很少有廠家生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)基本屬于空白。

風(fēng)機(jī)軸承開(kāi)發(fā)研制中，存在的主要技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命所需的密封結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑脂、特殊的滾道加工方法和熱處理技術(shù)、特殊保持架設(shè)計(jì)和加工制造方法等。國(guó)內(nèi)目前的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距，但近幾年來(lái)我國(guó)的一些研究單位在這些方面已經(jīng)取得了一些突破性的研究成果，這必將加速風(fēng)機(jī)軸承國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

2.3 偏航控制技術(shù)有待提高

目前國(guó)內(nèi)對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)已經(jīng)有了一定深入的研究，但是對(duì)于在風(fēng)速變化下的偏航機(jī)構(gòu)的控制技術(shù)研究相對(duì)很少。偏航系統(tǒng)的智能化控制、早期預(yù)測(cè)能力、偏航機(jī)制的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待提高。值得興奮的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制[6]、VANE—HILL CLIMBING(V_HC)[7]等諸多優(yōu)秀理論和算法被提出，極大的改善了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的控制。

3 偏航系統(tǒng)的組成和作用

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的作用是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，使風(fēng)輪穩(wěn)定的跟蹤變化的風(fēng)，保證捕獲最大的風(fēng)能，當(dāng)機(jī)艙處于正對(duì)風(fēng)位置時(shí)，在風(fēng)向不變的情況下，偏航系統(tǒng)可使機(jī)艙定位。它主要由偏航檢測(cè)與控制部分、扭纜保護(hù)裝置、偏航機(jī)構(gòu)三大部分組成，而偏航機(jī)構(gòu)由偏航動(dòng)力源，偏航傳動(dòng)裝置，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，偏航軸承和制動(dòng)裝置組成。

偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個(gè)：一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，偏航系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)中就顯得尤為重要。圖1為風(fēng)力機(jī)整體偏航結(jié)構(gòu)圖[8]。

圖1 風(fēng)力機(jī)整體偏航結(jié)構(gòu)圖

3.1 偏航動(dòng)力源

偏航動(dòng)力源一般選可靠性?xún)?yōu)異的三相異步電動(dòng)機(jī)。為克服風(fēng)輪、機(jī)艙、變速箱、發(fā)電機(jī)的重力和風(fēng)載等作用在偏航軸承上對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力，以及偏航啟動(dòng)扭矩等驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的各項(xiàng)阻力，偏航電動(dòng)機(jī)必須具有適當(dāng)?shù)墓β?。根?jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)，目前風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)功率大多都為：300～3000 KW，偏航系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)總功率一般在1～10 KW 之間，如3 MW 的風(fēng)力機(jī)，其偏航電機(jī)的功率為3 KW。由于偏航小齒輪是行星輪，且為了使系統(tǒng)工作可靠，負(fù)載均勻，應(yīng)根據(jù)行星齒輪設(shè)計(jì)規(guī)范和傳動(dòng)比確定行星輪數(shù)目，為使結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)一般選2 或4 個(gè)行星輪。必要時(shí)，可以取較大的安全系數(shù)，以便在一套系統(tǒng)失效時(shí)，仍然能夠保證風(fēng)機(jī)安全偏航。對(duì)一些大型風(fēng)機(jī)，由于偏航負(fù)載很大，為使承載均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可使用對(duì)稱(chēng)布置的兩套偏航電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)作為一組，必要時(shí)同時(shí)設(shè)置兩組偏航裝置。這樣，只要有一組偏航系統(tǒng)正常工作，就能保證可靠偏航。且無(wú)故障時(shí)每套偏航系統(tǒng)的負(fù)載較低，從而保證其使用壽命。

偏航動(dòng)力源與減速器、傳動(dòng)齒輪、輪齒間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成偏航驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳動(dòng)齒輪一般采用漸開(kāi)線圓柱齒輪。偏航驅(qū)動(dòng)裝置要求起動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速均勻無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 偏航傳動(dòng)裝置

偏航傳動(dòng)裝置的功能是將偏航動(dòng)力源輸出的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件上，通過(guò)主動(dòng)件與從動(dòng)件的作用，驅(qū)使機(jī)艙偏航。根據(jù)實(shí)際需要，可將傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)成機(jī)械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，經(jīng)控制后輸入液壓馬達(dá)并驅(qū)動(dòng)偏航主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航。液壓裝置的特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制無(wú)級(jí)調(diào)速，提高偏航效率；可使用一套液壓裝置驅(qū)動(dòng)2～4 個(gè)液壓馬達(dá)和主動(dòng)件；結(jié)構(gòu)緊湊；可以與變槳系統(tǒng)、偏航制動(dòng)和主軸制動(dòng)共用一套液壓系統(tǒng)[12]。但液壓油易泄漏，造成污染，液壓油和部分液壓件需定期更換，維護(hù)要求較高等限制了其應(yīng)用，所以目前采用機(jī)械傳動(dòng)方案為主。

3.3 偏航軸承

偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機(jī)組的機(jī)艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式應(yīng)根據(jù)機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選擇。偏航齒圈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

圖2 偏航齒圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.4 制動(dòng)裝置

采用齒輪驅(qū)動(dòng)的偏航系統(tǒng)，為避免振蕩的風(fēng)向變化，引起偏航輪齒產(chǎn)生交變載荷，應(yīng)采用偏航制動(dòng)器（或稱(chēng)偏航阻尼器）來(lái)吸收微小自由偏轉(zhuǎn)振蕩，防止偏航齒輪的交變應(yīng)力引起輪齒過(guò)早損傷。偏航制動(dòng)器一般采用液壓制動(dòng)[13]。圖3 為液壓拖動(dòng)的鉗盤(pán)式制動(dòng)器。

圖3 偏航制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 偏航系統(tǒng)的完善

對(duì)于這些偏航系統(tǒng)故障部件，我們應(yīng)該給予重視，給予更合理的設(shè)計(jì)和防護(hù)措施，避免縮短風(fēng)機(jī)實(shí)際的使用壽命和給風(fēng)廠帶來(lái)可以避免的經(jīng)濟(jì)損失，減少維護(hù)工人的工作量和工作難度。因此，我給出了以下幾點(diǎn)建議：

（1）偏航電機(jī)的選用功率不變，增大其啟動(dòng)扭矩，這樣，電機(jī)帶動(dòng)輸入齒時(shí)更容易，再者，偏航電機(jī)的損壞，一般內(nèi)部線圈燒壞的情況比較少，大都是因?yàn)閱?dòng)扭矩太大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，造成軸頭軸承磨損或者損壞，從而使電機(jī)不能旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)燒壞，所以，可以買(mǎi)一些相同型號(hào)的質(zhì)量好的軸承定期檢查更換，因?yàn)槠涔ぷ髁坎皇呛艽螅謱?duì)設(shè)備的大部件損壞有著一定的保護(hù)作用。

（2）不能使用等級(jí)不夠的螺栓來(lái)連接電機(jī)和輸入齒，因?yàn)椴粔虻燃?jí)的螺栓會(huì)造成電機(jī)和輸入齒的直接損壞，這點(diǎn)可以通過(guò)一定措施來(lái)改變，一是不能使用不夠等級(jí)的螺栓，二是定期維護(hù)時(shí)逐個(gè)檢查其螺栓的緊固情況，有必要時(shí)進(jìn)行更換。

（3）由于廠家急于供貨給用戶(hù)，所以，一些風(fēng)機(jī)上的零部件并沒(méi)有達(dá)到真正的合格標(biāo)準(zhǔn)，而且，出廠后，沒(méi)有一定的技術(shù)監(jiān)督部門(mén)進(jìn)行驗(yàn)收，所以，偏航系統(tǒng)中的齒輪有一定的缺陷。因此，對(duì)于新興的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，國(guó)家技術(shù)部門(mén)應(yīng)該建立相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)體系，嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常使用壽命。

（4）減速器是由一些傳動(dòng)齒輪構(gòu)成，里面充滿了潤(rùn)滑油，這些油經(jīng)過(guò)偏航齒輪長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，使油本身的質(zhì)量和性質(zhì)發(fā)生了變化，所以，無(wú)論從其潤(rùn)滑性講還是從缺油情況來(lái)講，都對(duì)偏航系統(tǒng)有著一定的影響[14]。目前，從維護(hù)工藝上看，沒(méi)有對(duì)其油的檢查和更換這一項(xiàng)，只是從油位這一點(diǎn)做了檢查。所以，應(yīng)該在每個(gè)維護(hù)日將偏航減速器內(nèi)的黑油、廢油放出，加注新油，這樣，才能更有效的增加偏航減速器的運(yùn)行壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要是對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航系統(tǒng)進(jìn)行了一些概述，對(duì)偏航系統(tǒng)的組成和工作性能做了簡(jiǎn)單介紹，并在此基礎(chǔ)上對(duì)目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題做出了建議，希望能對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有幫助作用。

［1］梁昌鑫，賈廷綱，陳孝祺.國(guó)內(nèi)外風(fēng)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，12(1)：73-77.

［2］蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)[M].中國(guó)電力出版社，2003，01.

［3］王志新，張華強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究[J].自動(dòng)化儀表，2008，29(11)：1-6.