大型风力发电机组偏航系统的概述

2015-12-23王润

科技视界 2015年34期

王润

（东方电气〈酒泉〉新能源有限公司，甘肃酒泉 735000）

0 前言

随着国际社会对全球气候变化问题的日益关注，风力发电得到了高度重视。到2008 年底，全球风力发电总装机容量已达到1.20791 亿KW[1]。风场中的风向随时会发生变化，所以需要风轮始终对准风向。偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，它是使风轮稳定的跟踪变化的风，保证捕获最大的风能。因此，偏航系统的控制问题就显得尤为重要。

1 风力发电机组应用的偏航

风力机应用的偏航系统大致分位常阻尼式和液压阻尼式偏航两种。（1）常阻尼式偏航系统采用全部偏航卡块以额定力矩固定在偏航齿圈盘上，偏航时通过偏航电机的输出功率克服卡块与齿圈盘之间的摩擦力，使机舱按照某一方向转动，在机舱与风向角度一致时，电机电源被切断，机舱的固定由偏航卡块来保证。

采用常阻尼式偏航系统，因结构相对简单，减少了偏航液压系统，但要求偏航电机输出功率大、偏航卡块力矩均衡度高、摩擦垫片耐磨性能强，因而偏航系统维护量大。若偏航卡块力矩均衡度较差，在偏航时机舱会产生较大的振动，根据测量数据振幅峰值为非偏航时的30倍以上；如果这种情况时间较长，更严重的会导致塔筒变形，可见产生的破坏性极为巨大的。

（2）液压阻尼方式采用一半数量的卡块以额定力矩固定在偏航齿圈盘上，另一半可由液压单元控制压紧或释放在卡块上。需要偏航时，通过液压的压力使之释放，机舱可转动；对风后，通过液压对卡块的上下油路加压，使之压紧在齿盘上。

液压阻尼式偏航采用“需用才用”的设计思维，在机舱偏航时即释放液压卡块，这样对偏航的功率要求低，也就可相对减配偏航电机，其缺点为，增加了一套液压单元，也增加了风电机故障的可能性。因此，国内有些公司已结合两者的优点，采用液压阻尼混合式设计，这显得更为合理，也更符合自动控制的理念。

2 目前大型风力发电机组偏航系统存在的一些问题

2.1 机械故障

经过长时间的考察和验证，在风力发电机中，机械部件比电气部件更容易坏，而机械部件中，偏航系统部件又是机械中经常出现故障的重点问题。例如，偏航电机经常因为过载或者轴头轴承损坏而引起偏航故障；偏航减速器的输入齿因为固定螺栓等级不够，经过过多的振动，引起螺栓松动，最后损害偏航输入齿内部齿轮；由于偏航减速器内部齿轮质量不高，热处理不到位，引起内部齿轮经常被上级齿轮打坏；由于偏航系统大齿轮是由五块弧型齿条构成，这样，在两个齿条连接处，其连接如果不紧凑，焊接质量不高的情况下，连接处的齿轮容易被打掉；偏航减速器里面充满了润滑油，但经过长时间的运转，其油性都已经有了变化，但是，没有得到及时的处理，也会造成偏航系统问题。

这些都是目前大型风力发电机偏航系统中最容易出现的问题，而且，在更换这些部件时，都是相当不容易更换的，一个是因为每个部件的自身重量都很重，另一个是因为更换这些部件时，空间都很狭小，没有足够下手工作的空间。

2.2 偏航轴承要求不达标

目前，国内开发生产的风机轴承主要是变速器轴承和电机轴承，但性能和寿命还达不到要求。因此，90%左右的变速器轴承和电机轴承仍然依赖进口。偏航轴承总成和风叶主轴轴承总成还在研制之中，国内除洛轴、瓦轴等大型国有企业有少量试制外，很少有厂家生产，在国内基本属于空白。

风机轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架设计和加工制造方法等。国内目前的技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，但近几年来我国的一些研究单位在这些方面已经取得了一些突破性的研究成果，这必将加速风机轴承国产化的进程。

2.3 偏航控制技术有待提高

目前国内对大型风力发电机组的控制技术已经有了一定深入的研究，但是对于在风速变化下的偏航机构的控制技术研究相对很少。偏航系统的智能化控制、早期预测能力、偏航机制的自适应性和系统的稳定性还有待提高。值得兴奋的是，神经网络控制、模糊控制[6]、VANE—HILL CLIMBING(V_HC)[7]等诸多优秀理论和算法被提出，极大的改善了大型风力发电机偏航系统的控制。

3 偏航系统的组成和作用

偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，在风力发电机中的作用是转动机舱，使风轮稳定的跟踪变化的风，保证捕获最大的风能，当机舱处于正对风位置时，在风向不变的情况下，偏航系统可使机舱定位。它主要由偏航检测与控制部分、扭缆保护装置、偏航机构三大部分组成，而偏航机构由偏航动力源，偏航传动装置，偏航驱动机构，偏航轴承和制动装置组成。

偏航系统的主要作用有两个：一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。因此，偏航系统在风机中就显得尤为重要。图1为风力机整体偏航结构图[8]。

图1 风力机整体偏航结构图

3.1 偏航动力源

偏航动力源一般选可靠性优异的三相异步电动机。为克服风轮、机舱、变速箱、发电机的重力和风载等作用在偏航轴承上对转动产生的摩擦阻力，以及偏航启动扭矩等驱动过程中的各项阻力，偏航电动机必须具有适当的功率。根据现有资料统计，目前风电机设计功率大多都为：300～3000 KW，偏航系统的驱动总功率一般在1～10 KW 之间，如3 MW 的风力机，其偏航电机的功率为3 KW。由于偏航小齿轮是行星轮，且为了使系统工作可靠，负载均匀，应根据行星齿轮设计规范和传动比确定行星轮数目，为使结构对称一般选2 或4 个行星轮。必要时，可以取较大的安全系数，以便在一套系统失效时，仍然能够保证风机安全偏航。对一些大型风机，由于偏航负载很大，为使承载均匀，运转平稳，可使用对称布置的两套偏航电动机和减速机构作为一组，必要时同时设置两组偏航装置。这样，只要有一组偏航系统正常工作，就能保证可靠偏航。且无故障时每套偏航系统的负载较低，从而保证其使用寿命。

偏航动力源与减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成偏航驱动装置。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均匀无振动现象。

3.2 偏航传动装置

偏航传动装置的功能是将偏航动力源输出的动力和运动传递到偏航执行机构的主动件上，通过主动件与从动件的作用，驱使机舱偏航。根据实际需要，可将传动装置设计成机械系统或液压系统。液压系统将电动机输出的机械能转换成液体压力能，经控制后输入液压马达并驱动偏航主动齿轮转动，实现偏航。液压装置的特点是：可实现远程控制无级调速，提高偏航效率；可使用一套液压装置驱动2～4 个液压马达和主动件；结构紧凑；可以与变桨系统、偏航制动和主轴制动共用一套液压系统[12]。但液压油易泄漏，造成污染，液压油和部分液压件需定期更换，维护要求较高等限制了其应用，所以目前采用机械传动方案为主。

3.3 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4 所示。

图2 偏航齿圈结构简图

3.4 制动装置

采用齿轮驱动的偏航系统，为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变载荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。偏航制动器一般采用液压制动[13]。图3 为液压拖动的钳盘式制动器。

图3 偏航制动器结构简图

4 偏航系统的完善

对于这些偏航系统故障部件，我们应该给予重视，给予更合理的设计和防护措施，避免缩短风机实际的使用寿命和给风厂带来可以避免的经济损失，减少维护工人的工作量和工作难度。因此，我给出了以下几点建议：

（1）偏航电机的选用功率不变，增大其启动扭矩，这样，电机带动输入齿时更容易，再者，偏航电机的损坏，一般内部线圈烧坏的情况比较少，大都是因为启动扭矩太大，长时间运转，造成轴头轴承磨损或者损坏，从而使电机不能旋转，导致电机烧坏，所以，可以买一些相同型号的质量好的轴承定期检查更换，因为其工作量不是很大，又对设备的大部件损坏有着一定的保护作用。

（2）不能使用等级不够的螺栓来连接电机和输入齿，因为不够等级的螺栓会造成电机和输入齿的直接损坏，这点可以通过一定措施来改变，一是不能使用不够等级的螺栓，二是定期维护时逐个检查其螺栓的紧固情况，有必要时进行更换。

（3）由于厂家急于供货给用户，所以，一些风机上的零部件并没有达到真正的合格标准，而且，出厂后，没有一定的技术监督部门进行验收，所以，偏航系统中的齿轮有一定的缺陷。因此，对于新兴的风力发电技术，国家技术部门应该建立相应的质量检测体系，严格把好质量关，确保风力发电机的正常使用寿命。

（4）减速器是由一些传动齿轮构成，里面充满了润滑油，这些油经过偏航齿轮长时间的运转，使油本身的质量和性质发生了变化，所以，无论从其润滑性讲还是从缺油情况来讲，都对偏航系统有着一定的影响[14]。目前，从维护工艺上看，没有对其油的检查和更换这一项，只是从油位这一点做了检查。所以，应该在每个维护日将偏航减速器内的黑油、废油放出，加注新油，这样，才能更有效的增加偏航减速器的运行寿命。