兆瓦级风力发电机液压偏航系统设计说明书

Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 机械设计制造及其自动化 兆瓦级风力发电机液压偏航控制单元设计Megawatt wind turbine hydraulic yaw control unit design 年 6 月摘 要 当今能源如此紧缺，而最近几年对风能的利用越来越受到人们的重视，一方面是风能的利用率，另一方面是对风电机寿命的重视。本文详细深入研究风力发电机液压偏航系统以及影响偏航的不同因素，本文使用的MW级风力发电机组事采用液压偏航控制，而偏航系统是风力发电机的重中之重，本文阐述了其结构及液压原理图，在此基础上，重点阐述了液压偏航控制系统如何实现自动偏航、90度侧风、人工偏航以及自动解缆等功能，该系统采用液压系统作为主控系统，具有较高稳定性、可靠性。而且还能提高风力发电机利用风能的效率和风电机的使用寿命。关键词：风力发电机;偏航;液压控制系统ABSTRACTIn todays energy shortage, and the wind energy utilization in recent years more and more get the attention of people, on the one hand, the utilization rate of wind power, on the other hand is to the attention of the wind motor life. This paper in-depth studies wind turbine hydraulic yaw system, and the different factors affecting the yaw, MW grade wind turbine used in this paper using hydraulic yaw control, and the yaw system is the key of the wind turbine, this paper expounds the structure and hydraulic principle diagram, based on this, expounds the hydraulic yaw control system how to realize the automatic yaw, lateral wind 90 degrees, artificial yaw and automated solutions for cable, and other functions, the system adopts hydraulic system as the main control system, with high stability and reliability. But also can improve the efficiency of wind turbines use wind energy and wind motor service lifeKey Words：wind turbine generator; yaw control system;hydraulic目 录第一章 概述11.1 风能11.2 国内外风电发展概况11.2.1 国外风电发展21.2.2 我国风电发展概况31.3 小结3第二章 风力发电机偏航系统42.1偏航控制系统的功能42.3风向信号和风机位置对偏航工况的影响52.3.2风速的测量62.3.3 风电机地理位置对偏航设备的影响72.4小结7第三章 偏航系统的组成简介及其液压原理图93.1.1偏航大齿圈93.1.2偏航侧面轴承93.2偏航驱动装置113.2.1液压马达的选取113.3偏航附件装置133.3.1偏航计数器133.3.2偏航限位开关133.3.3偏航刹车盘133.3.4接近开关、风速风向仪等133.5 偏航系统结构图143.2液压偏航控制原理图设计14第四章 风电机偏航控制过程174.1偏航过程分析和算法流程184.1.1自动偏航184.1.2 90度侧风194.1.3人工偏航214.1.4自动解缆234.2本章小结25第五章 总结与展望265.1 全文总结265.2 展望26参 考 文 献28致谢2930毕业设计第一章 概述 能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物资础。由于煤、石油等资源的开采利用，人类环境的污染已不容小视，而风力发电机却大大的弥补了排放污染的缺点，风力发电作为一种新兴的无污染的能源，已倍受世界所瞩目。其优点主要是无污染，发电效率高，还有一个就是取之不尽用之不竭1。因为风是无穷无尽的，如果能把风能加以利用，那对世界能源发展将会是一个很大的推动。现如今，兆瓦级风力发电机已成为社会风力发电机的主流产品，其偏航设备大多用的是双馈型电气控制，而本文则把偏航系统加以创新与改良，改为了液压系统。相较电气设备，液压系统更稳定，将发电机改为液压马达并取消了变速箱，使偏航设备整体的重量减轻。1.1 风能 风力发电现如今是新兴的科技产业。自从人类解除能源危机后，人们的环保意识就大大增强，国内外风电事业发展呈上升曲线，风电机装配数量逐年递增，风力发电产业也日臻成熟。能源对于中国来说非常重要，而现如今石油的开采，煤矿的挖掘已渐渐不能满足国内需求，中国不是沙特那样的石油大亨，也不是美帝国那样的金融国家，国内可以发展的煤矿业如今想要控制为时已晚，山西大同是煤矿宝地，现如今基本亏空。所以为了满足我国的能源需求，必须换一种新的方式，开发新型能源制造业，最安全最省力最无污染的当属风力发电。风，来自大自然，既然来自大自然，那么最重要的一点就是取之不尽用之不竭。风是由太阳辐射引起的自然现象，其总量是不容小觑的，虽然太阳能转化为风能的比率很小，但太阳能的总量是非常庞大的，尽管只有2%-3%2，但其风能的能源还是很可观的，故我国是具备成批大规模发展风力发电机的条件。1.2 国内外风电发展概况 近年来，风电机发展呈迅速递增式发展，每年的产量均比往年高出很多很多，并且始终保持着世界能源发展增长最快的龙头地位。就目前形势来看，国内外风电技术的发展前沿包括：风电机叶轮大小的改变、风电机容量的增大、风电机塔架高度的上升、内部监控与控制技术的日臻完善、直接驱动和混合驱动技术、海上风力发电等。在19992005年这发展的7年中，国内外风电装机容量年平均增长率达到 30.53%3。单就2004年一年而言，全球有超过8233MW的新增装机容量并入电网系统。截止到2004年年底，世界风电装机总容量就达到47620MW，风力发电量已经占到世界总电量的0.6%。绿色和平组织及欧洲风能协会在近期发表的一份报告中4，详细的分析了未来世界风力发电的前景，给予了非常大的肯定，所以说，当紧要务就是发展风力发电，这将成为全球性的必不可少的能源力量。1.2.1 国外风电发展 其实风能不是近几年才被开采利用，早在数千年前，人类就已经会利用风能做事情了，比如将风能转化为机械能，其用处大约就是磨面、浇灌之类的用于农业发展。而现如今风能的利用可不仅仅局限于灌溉了，其主要发展形势是利用风能来发展电能，也就是用风来发电。最早这种想法来着于丹麦的一位科学家，他在1890年谋划了一台风电机，这在当时受到很多人追捧，只不过由于制造条件达不到要求，于是在20年后才研制出了第一批10kw的风力发电机，大约在70台左右。一经推出就席卷了全世界，不止美国，连欧洲各国均纷纷效仿，于是不同类型的风电机也都相继问世。1931年前苏联采用机翼技术研制出一台100kw的风力发电机，在当时可谓是全世界最大的。而这记录仅仅保持了10年，在十年后即1941年，美国自主研制的1250kw的风力发电机一经问世又引起了轰动，只不过由于制造成本太高，机器可行性与可操作性都很低，于是便没有得到重视，这一想法也烟消云散了5。知道上世纪七十年代左右，世界石油危机的爆发，才另各国重新认识与重视风力发电这一伟大创举。自那以后，世界各国加大力度开发风能，不仅仅是表面功夫，在金钱方面也纷纷出力提供资金的支持，为风电机的发展奠定了良好的基础。在风力发电机制造方面，由于早期前苏联和美国等欧洲国家的研究，其技术较发达，故发展相较其他国家非常迅速，在2005年欧洲和美国发展的风力发电制造业就占据了全世界90%的比例，近十年来，全球的风电机组装容量一直在以25%的比例逐年递增，在2010年，增长率就达到了40%，装机总量更是达到了230.5GW6，完全没有受到经济危机的影响。风电成本逐年降低 虽然制造风电机成本不菲，但总体来讲其价格的发展趋势是逐年降低呈负增长的。7这其中的原因不言而喻，当今社会风电机发展速度之快令人咋舌，随之而来的成本降低也是大势所趋，如今风电机技术的改进和当初是无法比拟的，日后风电机会越来越便宜，越来越高效率。一方面，风电机组单机容量的增大就会减少很多建造基础设施的费用，另一方面，相同数量的装机容量而机组数变少，这又减少了很多制造成本。伴随着投资成本的降低和经销商与开发商的经验的日臻丰富，风电机组制造成本也必然会降低。海上风电悄然兴起 一般来讲风电机的发展是在陆地上而且沿海城市或者郊区最好，因为能给风电机提供充足的风能，然而受地形影响，有时就会出现以下偏航不准确的情况：1、风向标信号不准确；2、偏航制动扭转力矩始终达不到机组要求的设定值；3、偏航系统的阻尼力矩相较标准偏大或偏小；4、偏航系统的偏航大齿圈与偏航驱动装置的齿轮间隙过大。这其中的第一点就与地形有关，内陆地区就很容易出现风向不稳定导致风向信号不稳定的发生。然而与陆地不同的海上就有很特殊的地理条件，一方面海上有丰富的风能资源，另一方面海上一望无际，拥有广阔无际的区域，这对于发展风电事业是和广阔平坦的区域一种很热门的方式。这也促使临海风电技术成为近几来专家研究的热门话题。多兆瓦级风电机组在临海风电场的发展运行是风电机组发展的新趋势4。 1.2.2 我国风电发展概况在我国，能够快速发展风能的地区主要集中在我国东北部和西部地区，还有戈壁沙滩以及东部等沿海城市以及附近临海的岛屿上。这些地区特点就是这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。1.3 小结随着世界能源危机逐年的加深，国内外各个国家都在加强风能的开发和利用，特别是我国这种能源消耗异常大的这种，更要积极快速的发展风点事业，尤其是我国能源耗费相对较大，这样对能源紧张的情况会有所改变。虽然现在我国发展风电事业还处在起步阶段，面临而来的挑战也层出不穷，这需要国家政府的大力扶持才行，目前来讲国家给予的援助对研发的投入使用非常重要的，相信我国风电事业在今后会蒸蒸日上的。第二章 风力发电机偏航系统2.1偏航控制系统的功能开始将机舱位置与风向值相减求出相应角度差角度差是否在允许范围内风相差180偏航电机反转 N Y偏航电机正转将现在机舱位置与上次机舱位置相减求已转角度将已转角度和机舱位置与风向值的角度差比较在允许范围内 N Y记录现在机舱位置图2-1偏航基本流程图 偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分，其功能主要有两个:第一是要控制风轮随时跟踪风向的变化；第二是当风电机组出现单方向的持续偏航,机舱内的电缆发生缠绕时,能够自动解除电缆缠绕。风力发电机偏航机构放大器控制器风向信号+ -偏航计数 风轮方向检测装置图2-2 偏航基本原理框图偏航系统的基本原理框图如图所示 工作原理为：通过风向传感器将风向的变化情况通过电信号传递到液压偏航系统的控制回路中，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。为了减少偏航带来的扭转力矩，将选用液压马达作为动力系统，这样就会减少变速箱设备，从而减轻设备重量，减轻负载。当对风结束后，风向传感器无电信号传递，电机停止工作，结束偏航。2.3风向信号和风机位置对偏航工况的影响风向信号作为液压偏航控制系统中的输入信号，信号准确与否是会影响整个液压偏航控制系统的。风是矢量，既有大小，又有方向，对风的主要研究就是风速和风向8。2.3.1风向的测量1. 风向标： 风向标一般是由旋转主轴、平衡锤、指向杆、以及尾翼四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在风向标支撑轴的轴心上，整个风向标都可以绕垂直轴自由摇摆。在矢量风的作用下，风向标会平衡来向的一个平衡位置，这就是风向的来源。2.风向表示方法： 风向一般用 16 个方位表示，即东(E)、东北(NE)、东东北(EEN)、东东南(EES)、东南(SE)、南(S)、南东南(SES)、南西南(SWS)、西(W)、西南(SW)、西西南(WWS)、西西北(WWN)、西北(WN)、北(N)、北东北（NEN）、北西北(NWN)。静风记做 C。风向也能够用角度来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为 90南风为180西风为 270北风为 3602.3.2风速的测量风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。风速的测量有使用散热式风速计、旋转式风速计和超声波风速计，但是使用普遍大众化的是旋转式风速计9。（1）旋转式风速计 旋转式风速计的是一个感应部件固定在转轴上风速计，常用的有螺旋叶片、风速杯和平板叶片三种类型9。 测量风速使用最多的传感器就是风速杯，风速杯的最大优点是它与风向来源无关。风速杯旋转轴始终能够垂直于风的来向，平板叶片和螺旋叶片旋转轴与风的来向平行。 风速杯一般由3至4个抛物锥形或半球形的空心杯壳组成。风速杯的组成有两种方式，分别是互成120度角的三叉形和互成90角的十字架形，杯的凹面同向，风速杯横臂架垂直固定在可旋转的垂直轴上。由于风速杯的凸凹二面所受风压力不等，在风速杯受到来自风的扭转力作用时就会顺从风向旋转，风速杯风速与转速之间存在某种关系。由实验结论可得出 A=2RK （2-1) V=B+AM+CM (2-2)式中：A为风速表系数，它与风杯的结构和大小有关；B为常数，和风速相等，通常为0.61.3m/s；C是一个系数，C/A10，表明风速与风杯并没有线性关系。M为单位时间内风速杯的转数。（2）风杯风速记录风速记录实现方式是通过信号的转换方法。它的原理是风速杯带动旋转轴上的圆盘旋转时，经过不连续的等距的孔，这样就可以形成光脉冲信号，光脉冲信号经过光电半导体元件后，将接收到的光脉冲信号放大，转变成电脉冲信号输出，就这样每一次光脉冲转变的电脉冲信号就可以表示一定的风的行程。 图2-3 风速杯2.3.3 风电机地理位置对偏航设备的影响 影响风力发电机偏航控制系统的因素除了风向信号这一因素外，还会有其他不确定的因素，这些不确定因素归根结底就是风力发电机地理位置的情况10。如低洼地区有大山阻挡，风进不来，风的主气流为绕流成分，对风向的变化极为敏感，不易进行精确偏航。反之，若在大风情况下偏航，叶轮在旋转中自身产生回位扭转力矩，该扭转力矩是由于风轮扭转后偏于塔架中心造成的，这样的回位扭转力矩特别容易对偏航系统造成冲击，其后果就是会导致主轴扭断11。2.4小结本章对风力机偏航系统的基本功能和原理做了详细介绍。风向信号作为偏航系统的一个关键的输入信号，对偏航系统的运行工况，有着非常重要的作用，本章节针对测风装置展开了较为详尽的阐述，介绍了风速仪和风向传感器的工作原理。同时针对影响偏航系统的另一个不确定因素风电机的机位做出了分析，举例大风条件和大山条件风电机的偏航会受何种影响并做简单阐述，指出了偏航系统实际运行工况所遇到的复杂情况，给出了设计偏航系统时应该注意的不确定因素有哪些，具有一定的研究价值和现实意义。第三章 偏航系统的组成简介及其液压原理图3.1.1偏航大齿圈 位于偏航电机下方的与小齿轮啮合的一个巨大的齿轮，大齿圈是通过88 个螺栓紧固在塔筒法兰上面的，即是说大齿圈是不可能旋转的，那么只能够是小齿轮围绕着大齿圈旋转带动主机架旋转，直到机舱位置与风向仪测得的风向相同。图3-1偏航大齿圈3.1.2偏航侧面轴承侧面轴承是一个呈弧状的阶梯块，共有6块，每块都有5 个105的沉孔分布于圆弧之上，用于放置定位销、圆形弹簧和压板，每个孔的底部均有M32的螺纹孔，用于安装调整螺栓，因为下滑动衬垫是粘合在压板上的，所以调整螺栓的旋入深度就可以调整滑动衬垫与大齿圈之间的紧密程度，从而得到最佳阻尼。当机舱需要偏航时，侧面轴承就会带动滑动衬垫随机架共同旋转12。风力发电机所用偏航轴承为四点接触球转盘轴承，是一种分离型轴承，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触，这就是其名字由来。四点球接触轴承适用于高速旋转的场合。关于轴承的选用，查阅相关资料后，最终选用LYJW的型号为132.50.4500的材质为42CrMn的轴承，是预硬塑料模具钢，具有良好的可加工性和耐磨损性，加工变形微小。齿轮模数为20，齿数为128。分度圆直径：d=mz=20x128=2560mm；外径：dz=m(z+2)=20(128+2)=2600mm；内径：d-m=2560-20=2540mm；重量：1930kg；厚度：h=mzsin(90/z)=256mm。 图3-2 偏航齿圈侧面轴承图3-3 偏航机构3.2偏航驱动装置 小齿轮是与大齿圈相啮合的，与偏航液压马达、联轴器统一称为偏航驱动装置，是通过联轴器与偏航齿圈连接在一起的，联轴器外有一支架，把偏航马达和齿圈架起，联轴器只负责旋转，不至于承受很大的力，从而保护了设备。偏航驱动装置共有4 组，每一个偏航驱动装置与主机架连接处的圆柱表面都是偏心的，以达到通过旋转整个驱动装置调整小齿轮与大齿圈啮合侧隙的目的3.2.1液压马达的选取液压马达习惯上是指输出旋转运动的，将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置13。A. 叶片式马达：具有结构紧凑、轮廓尺寸较小、噪声低、寿命长等优点，其惯性比柱塞马达小、但抗污染能力比齿轮马达差、且转速不能太高、一般在200r/min 以下工作。叶片马达由于泄漏较大，故负载变化或低速时不稳定14。图3-4 叶片式马达B.轴向柱塞式马达：轴向柱塞马达的工作原理为，配油盘和斜盘固定不动，马达轴与缸体相连接一起旋转。当压力油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时，柱塞在压力油作用下外伸，紧贴斜盘斜盘对柱塞产生一个法向反力F，此力可分解为轴向分力Fx及和垂直分力Fy。Fx轴向柱塞马达产生的瞬时总转矩是脉动的。若改变马达压力油输入方向，则马达轴按顺时针方向旋转。斜盘倾角的改变、即排量的变化，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向。斜盘倾角越大，产生转矩越大，转速越低14。图3-5 轴向柱塞式马达C.径向柱塞式马达：径向柱塞式液压马达工作原理，当压力油经固定的配油轴4的窗口进入缸体内柱塞的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子的内壁，由于定子与缸体存在一偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的反作用力为 。力可分解为和 两个分力。当作用在柱塞底部的油液压力为F，柱塞直径为D，力和之间的夹角为时，力对缸体产生一转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。低速液压马达通常是径向柱塞式结构，为了获得低速和大转矩，采用高压和大排量，但它的体积和转动惯量很大，不能用于反应灵敏和频繁换向的场合。低速液压马达的主要特点是：排量大，体积大，转速低，可以直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大大简化，低速液压马达的输出扭矩较大，可达几千到几万Nm，因此又称为低速大扭矩液压马达14。根据以上匹配选型 可以判断适合风力发电机液压偏航系统的就是第三种径向柱塞式马达。图3-6 径向柱塞式马达3.3偏航附件装置3.3.1偏航计数器 偏航计数器的是用来记录液压偏航系统转的圈数，当液压偏航系统所转的圈数达到计数器设定值，系统则触发自动解缆，风电机进行自动解缆并恢复至初始位置。偏航计数器的设定原则是要小于电缆所能承受旋转的最大角度。图3-7 偏航结构俯视图3.3.2偏航限位开关 限位开关是作为极限位置开关使用的，当机舱继续旋转达到 720 度时，限位开关被触发而使得风电机组快速停机。3.3.3偏航刹车盘 当偏航过程结束时，偏航刹车盘会抱死轴承，使其固定，完成偏航对风。3.3.4接近开关、风速风向仪等 接近开关是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号15。 机舱是可以顺时针旋转也可以逆时针旋转的，在偏航过程中，机舱不能总是朝向一个方向旋转，因为机舱底部大齿圈内部布置着多根电缆，机舱旋转电缆也就跟着扭转，所以为了防止电缆扭转破坏特地控制机舱同一方向旋转圈数不得超过720度（从0度开始，0度为安装风电机组时确定的位置）。这种控制方法就是靠偏航接近开关和限位开关来实现的，接近开关一左一右共两个，负责记录机舱位置，当机舱达到720度或720度时发出信号，控制系统控制偏航电机反向旋转解缆。 风速风向仪的功能是采集风向，测量风速。3.5 偏航系统结构图图3-8 偏航系统结构图3.2液压偏航控制原理图设计 根据风速风向仪的信号，风电机对准风向时需将风力机底盘与塔架固定锁紧，阻尼力矩需要在对风过程中被提供。为达到此目的，采用液压控制，偏航液压系统成本低、结构简单，风力发电机正常运转时，偏航闸靠弹簧力使其处于锁紧状态，此时液压系统则不向偏航液压缸提供压力。图3-9 偏航系统液压原理图 如图所示，该模块包括液压动力单元1000和偏航单元2000。 液压动力单元1包括双联内啮合泵1001、顺序阀F1、溢流阀F1、溢流阀F3、二位四通换向电磁阀F4、过滤器G1、单向阀D1、单向阀D2、以及单向阀D3。二位四通换向电磁阀F4具有四个接口。其中双联内啮合泵1001生产两条油路，一条为主油路P、一条为副油路P1。顺序阀F1在副油路P1上与双联内啮合泵1001连接，与溢流阀F1并联。经过滤器G2通向油箱1001.溢流阀F3是一个压力阀，起到对副油路P1的限压作用。当副油路P1中的油压处于正常范围时，溢流阀F3是关闭的，一旦副油路P1中的油压高于设定值，溢流阀便会自动打开，将过多的油液经过滤器G2过滤后排回到油箱1001中。二位二通换向电磁阀F5在此起到一个类似开关的作用，当次阀处于常态时，副油路P1中的液压油就直接回油箱1001，当二位二通换向电磁阀F5和换向电磁阀F4同时得电偏航马达刹车松开，偏航马达才能旋转。主油路P一端连接双联内啮合泵1，另一端依次经并联的单向阀D2和过滤器G2、单向阀D2连接二位四通换向电磁阀F5的第一接口。二位四通换向阀F5的第二接口连接单向阀D3，溢流阀F2和单向阀D2之间有一条支路，经过滤器G2通向油箱1001。过滤器G1对双联内啮合泵1001泵出的油进行过滤，可以保证主油路P中的油液的清洁度。如果过滤器G1堵塞，双联内啮合泵1001泵出的油从单向阀D1流过，溢流阀F2也是一个单向压力阀，起到对主油路的限压作用。当主油路P中的油压处于正常范围时溢流阀F2是关闭的，一旦主油路P中的油压高出设定值，溢流阀F2便会自动打开，将过多的油液经过滤器G2排回到油箱1001中。二位四通换向电磁阀F5是一种电磁阀，由于油路切换，在平常情况下，第一接口和第二接口连通，第一接口和第四接口不通，在得电情况下，第一接口和第四接口连通，第一接口和第二接口不通。偏航单元包括三个偏航马达2001、三个偏航马达刹车2002、六个偏航刹车2003，H型换向电磁阀F9，溢流阀F7、F8，顺序阀F10。其中，三个偏航马达刹车并联后与溢流阀F2连接，在失油条件下将三个偏航马达刹住，当再要启动偏航马达2001时，副油路P1中经过顺序阀F1给偏航马达刹车2002注油，使偏航马达刹车2002松开，释放偏航马达2001。在偏航马达刹车和顺序阀F1之间还有通向油箱的支路该支路连接换向电磁阀F5，其作用是在偏航马达不工作时给偏航马达刹车泄压，使偏航马达刹车2002回复到刹紧偏航马达2001的状态。H型换向电磁阀F9具有四个接口，其中第一接口连接溢流阀F8和二位四通换向电磁阀F5第四接口，第二接口连接单向阀D4，通向油箱1001，三个偏航马达并联后连接在H型换向电磁阀F9的第三第四接口之间。该H型换向电磁阀F9在不需要偏航马达工作的时候，H型换向电磁阀失电，从二位四通换向电磁阀F5的第三接口进来的油会经过H型换向电磁阀F9的第一接口、第二接口流进油箱中，不会驱动偏航马达2001；当H型换向电磁阀得电时，换向电磁阀F9的第一接口和第三接口会贯通，第二接口和第四接口会贯通，从二位四通换向电磁阀F6的第三接口进来的油会经H型换向电磁阀F9的第一接口、第三接口偏航马达2001、第四接口、第二接口流入油箱中，驱动偏航马达2001正向转动；当H型换向电磁阀F9的B向得电时，换向电磁阀F9的第一接口和第四接口会贯通，第三接口和第二接口会贯通，从二位四通换向电磁阀F5的第三接口进来油会经过H型换向电磁阀F9的第一接口第四接口、偏航马达2001、第三接口、第二接口流入油箱中，驱动偏航马达反向旋转。此液压系统就是这样实现偏航马达的正、反向转动，从而控制风电机的转向。为了对流进液压马达2001的油进行限压，溢流阀F8连接在H型换向电磁阀F9的第一接口，另一端并联溢流阀F7，当流进液压马达的油压超过设定值，多余的油液会经由溢流阀F8流回油箱。第四章 风电机偏航控制过程 根据风电机的偏航功能，大致分为几个模块：自动偏航、90度侧风、人工偏航以及自动解缆。其主程序流程图如图4-1所示：开始定时扫描程序自动偏航人工偏航自动解缆90度侧风 N N N N Y Y Y Y执行90度侧风程序执行自动偏航程序执行人工偏航程序执行自动解缆程序图4-1 主程序流程图 4.1偏航过程分析和算法流程4.1.1自动偏航 自动偏航是指风电机能够根据风向与机舱的夹角,自动调节机舱位置,以确保叶片能够准确垂直风向,确保风电机吸收风能的功率为最大。因此必须使叶片法线方向与风向基本相同。当风向改变，超过允许误差范围时，自动偏航指令将由系统计算机发出，偏航电机和传感器组成的对风系统校正动作将会执行，以确保机舱能够准确对风。 设风向标测得的偏航误差角为a。机舱偏航角度和为b，设偏航的容许误差为c(一般15左右)，机舱顺时针方向调向时为正，逆时针为负，当风向标测得的角度ac不进行偏航操作。当ca90时，风机正向调向a。当90a180时，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读偏航方向累积的角度总和b。设偏航的有条件解缆限位为d。当b+ad,正向调向a。当b+a大于条件解缆限位时,反向调整360-a。当-90a-c时，风机负向调向a。当180-d，负向调向a。当a+b小于条件解缆限位时，正向调整360+a。开始检测风向信号aac Yca90 N正向偏航 Y负向偏航360abad90a180 N Y正向偏航a负向偏航a-90a-c N Ybad-180a-90 N Y Y负向偏航a正向偏航360a N图4-2 自动偏航流程4.1.2 90度侧风 90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下(如突然出现超强风)，为保证风电机组能够安全所实施的措施，故在90 度侧风时，应当使机舱走最短路径，自动偏航指令将被屏蔽。在侧风指令结束后偏航闸应当被抱紧，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，以确保风电机组的安全。 对于90侧风，容许误差仍取c。90侧风的操作流程为:当风向标测得的角度0a90-c，正向调整90-a；当90-ca90+c时，不操作；90+ca180，负向调整a-90,当风向标测得的角度c-90a0，负向调整90+a；当c-90a-90-c时，不操作;当-90-ca-180时，正向调整-90-a。开始 90ca90c或c90a90c Y0a90c N Y正向调整90a90ca180 N Y负向调整a90负向调整90ac90a0 N Y正向调整90a结束90ca180 N Y图4-3 90度侧风流程图4.1.3人工偏航 人工偏航是指在自动偏航失效和需要人工解缆亦或是在需要维修的时候，通过人工指令来对风电机进行偏航操纵。 人工偏航过程如下：首先检查人工偏航启停信号，观察是否进行人工偏航。若此时有人工偏航信号，再检查此时是否正在进行偏航操作，若无，停止自动偏航指令，使其停止工作。然后读取人工偏航的方向信号，判断与上次偏航方向是否一致，若一致，松开偏航闸，使其正常运转；若不一致，则立即停止偏航电机，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行反转并记录转向，直到出现相应的人工偏航停止信号的出现，抱闸，清除人工偏航标志。开始人工偏航 N Y正在进行偏航么？ N屏蔽自动偏航清除自动偏航标志与上次偏航方向一致？ N停止偏航电机工作 Y偏航电机反转，记录转向继续偏航操作人工偏航停止？ N Y停止偏航电机工作，抱闸清除人工偏航标志结束图4-4 人工偏航流程图4.1.4自动解缆 由于自然风不定向以及随机性，风机的偏航方向也是不确定的。如风电机长时间持续向同一方向转动，就有可能造成电缆缠绕，缠绕过多甚至会绞断。因此自动解缆装置成为了风力发电机偏航系统的一个重要部分。当风机达到其自身规定的解缆角度时，偏航系统就会进行自动解缆，此时风电机会立即刹车停机，然后启动偏航电机驱动机舱反向旋转,则会返回最初机舱无电缆缠绕位置。如果出现故障而自动解缆指令并未起到解缆作用，风电机也设置了一个极值角度,当电缆纽转达到这个极值角度时，纽缆保护器被触发，刹车停机，纽缆故障报告，等待进行人工解缆。纽缆保护器能在偏航系统失效情况下保护风电机电缆以防止过度缠绕。为了加大保险系数，纽缆保护器控制系统一般和偏航系统分开运转。 当限位开关被触发时，偏航系统会根据限位开关发出的信息来判断是进行顺时针解缆还是进行逆时针解缆。设限位开关在许可范围内时输出信号O；正向时输出信号为1；负向时输出信号为-1。当系统检测到限位开关的输出信号为1时，负向驱动机舱旋转进行解缆；当系统检测到限位开关的输出信号为-1时，正向驱动机舱旋转进行解缆。当自动解缆进行时，通常会同时检测接近开关的信号，直到接近开关记录的机舱偏航角度在某限定范围内时，解缆结束；此时偏航电机停止工作，系统处于待机状态，接近开关向中心控制器发出自动解缆完成信号，解缆结束。 设限位开关信号为LS，接近开关记录角度值为RS。开始检测限位开关信号LSLS=1LS=1 N N屏蔽自动偏航屏蔽自动偏航 Y Y正向解缆负向解缆30RS3030RS30N N Y偏航停止，系统待机 Y发送解缆完成信号结束图4-5 自动解缆流程图4.2本章小结 为了实现偏航系统，本章分析了偏航的控制系统：风电机的自动偏航、风向标的90度侧风、人工偏航、自动解缆。同时附上了各个控制过程的控制原理及流程图，并做了简要分析。第五章 总结与展望5.1 全文总结 风力发电机的偏航机构本身会存在一定的延迟性，当风向频繁发生变化时，风机叶片迎风面无法对风的来向准确对准，风力发电机的效率则会受到系统对风的跟踪失效问题的影响。风速和风向频繁变化也会导致偏航机构频繁运作，使机械损耗加快，这样就会影响偏航机构的使用寿命。这一系列的问题都会给风力发电机总体系统带来了不同程度的影响，研究并解决这些问题对风力发电的发展具有深远的意义。 本文首先介绍了风力发电的背景，国内外风力发电的主要研究现状，接着介绍了风力发电液压偏航控制系统的相关结构与原理。详细介绍偏航液压控制系统的原理图以及各个流程环