毕业设计（论文）风力发电机变浆与偏航技术应用研究

摘要风能作为一种可再生能源越来越受到世界各国政府的重视。与此同时，对风力发电技术和装备的研究开发也日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。本文对风力发电机的主体—机械部分中的变桨系统及偏航系统进行了一定的研究、分析。由于风力发电机工作环境的恶劣性，这就要求其各个部件的维护周期要长，从而便于降低维护费用，延长工作时间。首先，采用叶素理论建立了风电机组变桨距调节原理。设计了一套新型变距传动机构——电动变桨距传动机构。构建了基于CAXA的三维实体模型，施以正弦运动律，其动态仿真结果验证了该变桨模型建立的有效性和准确性，进一步为风力机变桨距系统的优化设计奠定了基础。其次，针对风力发电机偏航时的要求设计了偏航控制器，改以前的遮掩式角度传感器为绝对式数字角度传感器，增加了系统的灵敏性。关键词：风力发电；变桨距；偏航系统。AbstractWindenergy,asakindofrenewableenergy,ispaidattentiontobygovernmentsallaroundtheworld.Thewindpowertechnologyanditsequipmentresearchbecomeahotspottopicfortechnicalcirclesandenterprise.ThisarticlehasstudiedthebrakesystemandYaw-controlsystemofwind-drivengenerator.Aswind-drivengeneratorworkingconditionsisbad,inordertoreducethemaintenancecostthemaintenancecycleofitseachpartrequeststobelonger.First,usingtheoryestablishedbythewindgeneratorchangepropellerfromadjustmentprinciple.Designedasetofnewchangefromtransmissionmechanism—Electricchangepropellerfromtransmissionmechanism.Constructedbasedonthree-dimensionalsolidmodelCAXA,asinusoidalmotionlaw,thedynamicsimulationresultsshowtheeffectivenessofpitchandaccuracyofmodel,furtherwindturbinepitchsystemslaidthefoundationforoptimaldesign.Second,forwindturbineyawwhentherequirementsforthedesignofthecontroller,changethepreviouscovertypedigitalanglesensorfortheabsoluteanglesensor,increasingthesensitivityofthesystem.Keyword:windpower;Pitch;Yaw-controlsystem.目录1.绪论 51．1风力发电发展概况 51．2风力发电的背景 61．2．1能源危机 61．2．2环境危机 61．2．3可再生能源开发利用 71．2．4风能开发利用 71．3风力发电发展现状 81．3．1世界风电 81．3．2我国风电 91．4国内外风电机组发展趋势 101．4．1产业集中是总的趁势 101．4．2水平轴风电机组技术成为主流 111．4．3风电机组单机容量持续增大 111．4．4变桨变速功率调节技术得到广泛采用 111．4．5双馈异步发电技术仍占主导地位 121．4．6直驱式、全功率变流技术得到迅速发展 121．4．7大型风电机组关健部件的性能日益提高 131．4．8智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命 131．4．9叶片技术发展趋势 141．4．10风电场建设和运营的技术水平日益提高 141．4．11恶劣气侯环境下的风电机组可靠性得到重视 141．4．12低电压穿越技术得到应用 151．5小结 152.发电机组的基本功能构成及工作原理 162．1风电机组的基本功能构成 162．2风电机组的工作原理 172.3小结 193.风电机组设计的基本内容与步骤 203．1确定设计目标 203．2总体设计 203．3风电机组零部件结构设计 233．4样机测试与设计验证 233.5小结 244.风电机组变桨距与偏航系统 254.1变桨距系统 25变桨距系统基本工作原理 254.2变桨距机构设计与实体建模 27变桨距机构分析 27变桨距三维实体模型的构建 28桨距机构的动态仿真与分析 304.3偏航系统 30偏航系统的工作原理 31偏航控制系统的功能 31偏航系统控制原理 324.4偏航传动系统设计 34偏航操作装置概述 34偏航驱动机构 364.5小结 38结论 39致谢 40参考文献 411.绪论1．1风力发电发展概况风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。因此，风能的开发利用越来越受到重视。根据贝兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%，同时由于受到机械结构等限制，实际值更小。因此，如何提高风能转化率，获取更多风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。近年来，大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪MPPT等技术，旨在提高响应速度，获得最大能量（低风速是捕获最大功率，高风速时捕获额定功率）。但是，由于一些不确定因素的存在，风能转换系统表现出强非线性特征，风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调和损失，系统稳定性差，不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小，风力发电系统由4个动态过程构成，即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中，启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度；变速运行调节风能，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，捕获最大能量，减弱暂态负荷的影响；变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。世界上第1台风电机组于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面的原因，风力发电一直未能得到广泛应用。直到1973年发生了石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，采用新技术研制现代风电机组。20世纪80年代开始建立示范风电场。20世纪90年代，许多国家纷纷制定了激励风力发电发展的优惠政策。1992年以来，全球风电累计装机容量的年增长率一直高于15%，风力发电技术日臻成熟。2002年4月2～5日，首届世界风能大会在法国巴黎举行，欧洲和北美风力发电技术发展迅速。2006年，全球已有48个政府引入法规扶持风力发电等可再生能源的发展。2008年年底全球累计风电装机容量已超过了120.8GW，相当于减排1.58亿吨CO2。美国风电市场近年来一直保持高速发展，2009年新增风电装机容量9.92GW，累计风电装机容量达到35.16GW，排名世界第1。我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一，风能资源丰富，可开发量为1400GW。其中，陆上开发量为600GW；海上开发量为800GW。我国在20世纪50年代末，使用各种木结构的布篷式风车。20世纪70年代中期以后，风能开发利用列入“六五”国家计划。20世纪70年代末到80年代初，自主研制、批量生产了10kW以下的小型风力发电机，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电，风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。1983年，山东引进3台丹麦Vestas55kW风力发电机，开始了并网发电技术的试验和示范；1986年5月，山东荣成建成我国第一个并网风电场，其次是新疆达坂城风电场。1986～1993年，全国共建12个风电场，装机容量为13.3MW；1994～1999年，全国共建有21个风电场，装机容量达到249.05MW。其中，1992～1996年的主力机型为200～300kW机组，1997～2002年的主力机型则为600kW机组。2008年，我国累计装机容量达到12.21GW，其中并网发电的装机容量为8.94kW。截止到2009年年底，我国风电并网总量累计达到16.13GW，累计装机容量为25805.3MW。1．2风力发电的背景1．2．1能源危机能源是人类赖以生存的物质基础。自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进一步发展。自20世纪50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。可以支配的化石资源的极限大约为1180~1510亿吨，自1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右即将枯竭；天然气储量估计131800~152900m3，年开采量维持在2300m3，将在57~65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。综上所述，煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总量有限，待开发新的可再生能源。1．2．2环境危机在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。燃烧不断产生CO2和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。据估计，按照目前的趋势，到2030年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的两倍。到2100年，温室效应强度将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的3倍，达到5000万年前的CO2浓度水平。能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。研究表明：地球变暖不是地球本身自然循环的变化，而是人类活动排放的CO2等温室气体效应造成的。其过程与人类大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的CO2密切相关。到2015年，世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响不仅仅是更多的汗涝灾害，还有海平面的上升。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。1．2．3可再生能源开发利用目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的待解决的重大课题。克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。为缓解或从根本上消除能源危机带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。绿色电力来源于风能、小水电、太阳能、地热、生物质和其他可再生能源。因为它们在生产的过程中不消耗煤、石油、天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。因此，开发绿色电力意义重大。全球市场对于风这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在2020年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯一实现这一目标的发电技术。1．2．4风能开发利用太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能只有大约2%转化为风能，理论上仅1%的风能就能满足人类能源的需求。全球的风能总量约为2.74×106GW，其中可利用的风能总量为2.74×104GW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。根据我国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量为3226GW，可开发和利用的陆地上风能储量为600GW，海上可开发和利用的风能储量为800GW，共计约1400GW。50m或更高处可开发利用的风能储量为2000GW。人类利用风能的历史可以追溯到公元前。在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家。12世纪，风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高、效率低、使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机、内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功的研制了一些小型风电机组。这种小型风电机组被广泛运用在多风的海岛和偏僻的乡村，所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低很多。不过，当时的发电量较低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危机爆发以后，风能作为新能源得到重视，世界风力发电发展迅速开始加快，各国都在积极研制、开发1100kW以上的大型风电机组。美国在1974年开始实施联邦风能计划，20世纪80年代成功开发了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW等6种风电机组。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。在20世纪70年代中期以后，我国将风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。我国风力发电从20世纪80年代开始真正起步。20世纪70年代末80年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量10kW以下的小型风电机组，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产生活用电。1986年5月，山东荣成建成了我国第一个并网风电场。20世纪80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风电机组，在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风电场。1．3风力发电发展现状1．3．1世界风电风电成本不考虑常规电力环境成本，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过30年的努力，随着市场不断扩大，风电成本大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在风能资源较好的地方，风电价格完全可以和煤电竞争，低于燃气电价。装机容量高速增长根据全球风能协会公布的2003~2007年统计数据，全球风电平均增长率为24.7%。到2007年年底，全球总装机容量累计达到近94GW，新增风电装机容量20GW，分别在全球70多个国家和地区。2007年全球大约生产了2000亿度风电电力，约占全球电力供应的1%。按照累计风电装机容量数据排名，2007年全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2008年全球新装机容量超过27GW，同比增长42%，风电装机增长率为29%，高于过去5年的平均增长速度。2008年年底，总装机容量达到了120.8GW，美国超过德国，跃居全球风电装机容量首位，同时也成为第二个风电装机容量超过20GW的风电大国。中国超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到2008年年底，在世界风电累计装机容量中，已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内的16个国家超过1GW。在欧盟2007年新增发电装机容量中，风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源，占新增容量的46%。欧洲2008年风电新增装机容量为88GW，累计装机容量达到了66GW。美国2007年新增的风电装机也仅次于天然气发电，位居第二。2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的42%，新增装机容量达到8.34GW，同比增长157%，累计增长49.6%，完成新增投资170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成为重要的替代能源。发展规划20世纪90年代初，欧盟提出了大力发展风电，到2010年风电装机容量到40GW的目标，并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的发展目标与实施计划。2007年年初，根据技术发展和能源需求的需要，欧盟又进一步修订了发展计划，希望2010年风电装机容量达到80GW；到2020年风电装机容量达到180GW，发电量达到3600亿kW·h；2030年风电装机容量达到300GW，发电量达到6000×108kW·h，分别占届时欧盟风电装机容量和发电量的35%和20%。2006年，美国可再生能源理事会提出了将可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。1．3．2我国风电装机容量2004年年底，全国的风力发电装机容量约为764MW。2005年2月《可再生能源法》颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过60%，总容量达到了1260GW。2006年新增装机容量超过100%，累计装机容量超过2.6GW。2007年又新增装机容量3.3GW，累计装机容量达到5.9GW，超过丹麦，成为世界第5风电大国。当年装机容量仅次于美国和西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增装机容量超过印度，成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。2009年新增装机容量13.85GW，累计装机容量为26GW，总装机容量跃居世界第2位。风电设备制造能力风电设备制造业发展迅猛。2005年之前，我国只有少数几家风电设备制造商，它们规模小、技术落后，风电场建设主要依赖进口风电整机。《开再生能源法》颁布后，风电整机制造企业已超过40家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外，东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。风电技术研发“九五”和“十五”期间，我国政府组织实施“乘风计划”和“国家科技攻关计划”，以及国债项目和风电特许权项目，支持建立了首批6家风电整机企业，进行风电技术的引进和消化吸收，部分企业掌握了单机容量600kW和750kW定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术，实现了规模化生产，迈出了产业化发展的第一步。“十五”期间，还开展了1000kW、1500kW变速恒频风电机组，以及1200kW永磁直驱风电机组的研发与联合攻关，取得阶段性成果。经过“十五”期间的自主研究和技术引进，我国已基本掌握了以双馈发电机为代表的变速恒频风电机组的控制技术，研制成功兆瓦级风电机组样机。我国风电技术与国外风电技术的差距正在不断缩小。1．4国内外风电机组发展趋势纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展，目前全球风电制造技术发展主要呈现如下特点：1．4．1产业集中是总的趁势2009年，世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球78.7％的市场份额，世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球88.1％的市场份额，丹麦VESTAS、美国GEWIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风这前5家企业，就占据了国内外49.8％市场份领。可以看出：世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面。近几年，风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购-Multibrid；丹麦的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美国GE公司收购了德国安然风电公司；Siemes公司收购了丹麦AN/Bonus和德国winergyAG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金风科技收购了德国Vensys公司；湘电股份1000万欧元收购荷兰达尔文公司；中复连众收购了德国NOI公司；中航惠腾2009年收购了荷兰CTC叶片公司；美国GE公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能（沈阳）公司和哈电通用风能（江苏）公司。此外，各大公司在主要市场集中地都建立了生产基地，一个大公司相当于多个公司的集成。1．4．2水平轴风电机组技术成为主流水平轴风电机组技术，因其具有风能转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到95％以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。1．4．3风电机组单机容量持续增大近年来，世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大，随着单机容量不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我国主流机型已经从2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW，2009年我国陆地风电场安装的最大风电机组为2MW。近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到6MW，风轮直径达到127m。目前，已经开始8-10MW风电机组的设计和制造。我国华锐风电的3MW海上风电机组已经在上海东海大桥海上风电场成功投入运行，5MW海上风电机组已在2010年10月底下线。目前，华锐、金风、东汽、国电联合、湖南湘电、重庆海装等公司都在研制5MW或6MW的大容量风电机组。1．4．4变桨变速功率调节技术得到广泛采用由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高。2009年，在全球所安装的风电机组中有95％的风电机组采用了变桨变速方式，而且比例还在逐渐上升。我国2009年安装的MW级风电机组中，也全部是变桨距机组。2MW以上的风电机组大多采用三个独立的电控调桨机构，通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。1．4．5双馈异步发电技术仍占主导地位以丹麦Vestas公司的V80、V90为代表的双馈异步发电型变速风电机组，在国际风电市场中所占的份额最大。德国Repower公司利用该技术开发的机组单机容量已经达到5MW。西门子公司、德国Nordex公司、西班牙Gamesa公司、美国GE风能公司和印度Suzlon公司都在生产双馈异步发电型变速风电机组，2009年新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍然占80％以上。目前，欧洲正在开发10MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组。我国内资企业华锐风电、东方气轮机、国电联合动力、广东明阳等企业也在生产双馈异步发电型变速风电机组。2009年我国新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组仍然占82％以上。目前，我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经投入运行。1．4．6直驱式、全功率变流技术得到迅速发展无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场的青睐。采用无齿轮箱系统的德国Enercon公司在2009年仍然是德国、葡萄牙风电产业的第一大供应商和印度风电产业的第二大供应商，在新增风电装机容量中，Enercon公司已占本国市场份额的55％以上。西门子公司已经在丹麦的西部安装了两台3GMW的直驱式风电机组，这两台风力机正处于试运行阶段。其他主要制造企业也在积极开发研制直驱风电机组。我国新疆金风科技与德国Vensys公司合作研制的1。5MW直驱式风电机组，已有上千台安装在风电场。金风科技在2009年是我国风电市场的第二大供应商。同时，我国湘电公司的2MW直驱风电机组也已批量进入市场。其他如：广西银河艾迈迪、航天万源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德公司、山东鲁能等制造企业也开发研制了直驱风电机组。2009年新增大型风电机组中，直驱式风电机组已超过17%。伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用。应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到。至150％的额定转速，提高了风能的利用范围。由于全功率变流技术对低电压穿越技术有很好且简单的解决方案，对下一步发展占据了优势。与此同时，半直驱式风电机组也开始出现在世界风电市场上。在轴承支撑方式上，单个迥转支承轴承代替主轴和两轴承成为某些2兆瓦以上机组的选择，如：富兰德的2.5兆瓦风机，这说明无主轴系统正在成为欧洲风电机组发展的一个新动向。1．4．7大型风电机组关健部件的性能日益提高随着风电机组的单机容量不断增大，各部件的性能指标都有了提高，国外己研发出3000V-12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到98％以上；某些公司还对桨叶及变桨距系统进行了优化，如德国ENERCON公司在改进桨叶后使叶片的Cp值达到了0.5以上。从2007年胡苏姆风能展的情况看，欧洲风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了基础。我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步，如南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大重减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业生产的大型风电机组齿轮箱，供货能力充足，质量已有明显提高；保定惠腾、连云港中复连众和中材科技已能生产长达48.8m，与3兆瓦风电机组配套的大尺寸叶片，兰州电机厂生产的发电机等产品质量都有很大提高。从2009年上海第四届风能展的情况看，我国风电设备的产业链已经形成，为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已经具有优势，不仅能满足国内市场需求，而且已经向国际市场供货。北京科诺伟业能源科技、合肥阳光电源、北京清能华福风电技术、天津瑞能电气、龙源电气、九州电气和禾旺电气等10多家企业已具备兆瓦级风电机组变流器研发、生产和供货能力。1．4．8智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命鉴于风电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响风电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一，近年来，风电机组制造厂家与有关研究部门积极研究风电机组的最优运行和控制规律，通过采用智能化控制技术，与整机设计技术结合，努力减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷，并逐步成为风电控制技术的主要发展方向。1．4．9叶片技术发展趋势随着风电机组尺寸的增大，叶片的长度也变得更长，为了使叶片的尖部不与塔架相碰，设计的主要思路是增加叶片的刚度。为了减少重力和保持频率，则需要降低叶片的重量。好的疲劳特性和好的减振结构有助于保证叶片长期的工作寿命。额外的叶片状况检测设备将被开发出来并安装在风电机组上，以便在叶片结构中的裂纹发展成致命损坏之前或风电机组整机损坏之前警示操作者。对于陆上风电机组来说，不久这种检测设备就会成为必备品。为了增加叶片的个刚度并防止它由于弯曲而碰到塔架，在长度大于50米的叶片上将广泛使用强化碳纤维材料。为了方便兆瓦级叶片的道路运输，某些公司已经把叶片制作成两段。例如德国Enercon公司的E1266MW风电机组的叶片由内、外两段叶片组成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。智力材料例如压电材料将被使用以使叶片的气动外形能够快速变化。为了减少叶片和整机上的疲劳负荷，可控制的尾缘小叶可能被逐步引入叶片市场。热塑材料的应用：LMGlasfibre公司正开展一项耗资8百万欧元的研究项目，目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝去制造叶片。一旦这种纱丝铺进模具，加热模具到一定温度后，塑料就会融化，并将纱丝转化为合成材料，这可能会使叶片生产时间缩短50%。1．4．10风电场建设和运营的技术水平日益提高随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量的越来越高的要求，国外已经针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址，特别是选址方面已经开发了商业化的应用软件。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测做了很多研究，取得了重大进步，预测精确度可达90％以上。1．4．11恶劣气侯环境下的风电机组可靠性得到重视由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴，东南沿海具有台风、盐雾，西南地区具有高海拔等恶劣气候特点，恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响，包括增加维护工作量，减少发电量，严重时还导致风电机组损坏。因此，在风电机组设计和运行时，必须具有一定的防范措施，以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力，减少损失。因此，今年来中国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手进行了研究，以确保风电机组在恶劣气候条件下能可靠运行，提高发电量。1．4．12低电压穿越技术得到应用随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的风力发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（faultride-through)，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(lowvoltageride-through)能力。随着风力发电装机容量的不断增大，很多国家的电力系统运行导则对风电机组的低电压穿越（LVRT）能力做出了规定。我国的风电机组在电网电压跌落情况下，也必须采取相应的应对措施，确保风电系统的安全运行并实现LVRT功能。目前，我国已有多家企业的风电机组产品通过了低电压穿越性能试验。1．5小结随着能源危机程度的加深，世界各国都在加大风能利用和开发，尤其是我国能源耗费相对较大，更要积极开发绿色环保能源。针对我国风力发电面临的问题和挑战，产业初期特别需要加大对研发的投入，随着国家对风电的重视，可再生能源法及实施办法出台，相信我国的风电发展将会快步前进。为了可持续发展，我国的风电发展产业需要借鉴其他产业的经验教训，要重质量，讲效益，走集约发展路线，创造和谐发展蓝图。2.发电机组的基本功能构成及工作原理2．1风电机组的基本功能构成控制与安全系统一次能源转换单元控制与安全系统一次能源转换单元机械能传递单元发电单元图2-1风力发电系统的基本功能构成（1）一次能源转换单元风能是风力发电的一次能源，相应的能量转换单元是风电机组的核心部分，包括风轮、功率控制（调速）等部件。风轮是风电机组能量转换单元的关键部件，一般由良好的空气动力外形的叶片、轮毂和相应的功率控制机构组成。一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能（转矩），再通过风轮轴驱动与之连接的机械能传递单元和发电单元。（2）机械能传递单元机械能传递单元也可简称为风电机组的传动链，连接风电机组的一次能源转换单元与发电单元，使之组成发电系统。该单元一般包括与风轮轮毂相连接的主轴、传动和制动机构等。一般大型风电机组的风轮设计转速较低，需要根据发电单元的要求，通过传动链按一定的速比传递风轮产生的扭矩，使输入发电机的转速满足并网风电机组发电单元的需要。同时，机械能传递单元还要设置可靠的制动机构，以保证风电机组的安全运行。（3）发电单元发电单元一般由发电机和必要的电功率转换系统构成。并网风电机组发电单元可采用异步发电机或同步发电机，将风轮产生的旋转机械能转换为电能。发电单元配置的电功率转换系统，应能够满足并网或其他形式发电的需求。（4）控制与安全系统该系统主要功能可分为风电机组运行控制和状态监测两部分：大型风电机组需要自动控制，既能够在无人值守的条件下，保证风电机组的正常和安全运行；同时又要保证风电机组在非正常情况发生时能可靠的停机，以预防或减轻损失。此外，风电机组还需要有上述功能部件或子系统的支撑结构，如机舱、塔架等；多数风电机组需要设置对风（也称偏航）装置，以保证风轮能够更好的获取风能。2．2风电机组的工作原理在风力发电机组中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图2-2所示。控制系统偏航系统主传动系统制动装置控制系统偏航系统主传动系统制动装置发电系统测风系统变桨距系统风M1Ω1M2Ω2P3变压器转速测量风力发电机调速风速、风向功率测量图2-2风电机组的工作原理能量流当风以一定的速度吹向风力发电机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为（1-1）式中P1——风轮的输出功率，单位为W；M1——风轮的输出转矩，单位为N·m；Ω1——风轮的角速度，单位为1/s.风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有（1-2）式中P2——主传动系统的输出功率，单位为W；M2——主传动系统的输出转矩，单位为N·m；Ω2——主传动系统的角速度，单位为1/s；1——主传动系统的总效率。主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为（1-3）式中P3——发电系统的输出功率，单位是W；UN——定子三相绕组上的线电压，单位是V；IN——流过定子绕组线电流，单位是A；cos——功率因数； 2——发电系统的总效率。对于并网型风电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压后，即可输入电网。信息流信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急停机。风速、风向、风力发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。对于变桨距风向，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角，从而控制风电机组输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。对于变速型风机，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力发电机最大限度的捕获风能。当风轮的轴向和风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。实际上，在风电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。2.3小结本章主要从不同的角度分析了风电机组的功能构成以及风电机组的工作原理。3.风电机组设计的基本内容与步骤风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证大型风电机组设计质量的必备条件。3．1确定设计目标与所有大型装备的设计相似，首先需要明确所设计风电机组的设计目标。比如，并网大功率机组与偏僻地区的小型单机设计需求明显不同。因此，针对设计需求，应考虑合理的机组功能构成、电机类型、控制方式、运输和安装方式等影响机组性能指标的主要因素。例如，陆上风电场所需的大型机组通常额定功率范围为500-2MW，便于运输、安装、运行和维修。近海风力发电机组的运行环境（如风况、波浪和盐雾等）、安装条件等与陆上有很大差别，基础和运输方式需要重点考虑。此外，检修、维护不便，对可靠性有更高的要求。3．2总体设计风电机组是比较复杂的机电装备，且要求较好的性价比。总体设计是平衡这些关系的重要设计过程，在某种意义上来说，总体设计可以决定整个设计过程的成败。由于风电机组由多个功能子系统组成，机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关，以针对风轮部件的总体设计为例，就包括了叶片参数、气动性能、结构强度、制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。有鉴于低成本与高可靠性是现代风电机组发展的主要动力和研究热点，如何根据设计目标并结合工程经验，在这些复杂因素之间取得平衡关系，满足尽可能高的设备性价比要求，是风电机组总体设计的关键所在。以下简要介绍风电机组总体设计的主要任务与大致步骤:（1）风电机组总体设计方案1）总体气动布局方案设计随着风电机组单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为风电机组设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。2）风电机组总体参数设计风电机组气动设计前须首先确定总体参数，如风轮运行参数、叶片参数、设计风速、尖速比、翼型分布及其气动性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。3）风电机组的总体结构布局设计此阶段是需要从风电机组的总体功能角度出发，分析各部件、子系统、附件和设备的布置形式与技术要求，开展对各部件和子系统的技术组成、原理分析、结构形式和功能参数选择等工作。同时需要对整机的结构承力构件布置、承载形式和传力路线进行分析，选择合理的设计分离面和接口形式，以便明确划分各部件设计界面，保证总体设计的质量。此阶段的设计要求是尽可能的详尽分析风电机组各子系统构成方案的可行性，使之布置合理、协调、紧凑，便于安装，且能可靠保证运行和维护三维数字模型，并编写有关报告和设计说明文件。4）载荷分析与风电机组基本性能的预评估在设计初期，必须对载荷作预评估，以准确确定风电机组的结构设计依据。风电机组应能够承受正常运行中的任何载荷，同时也具备一定的承受极端载荷的能力。最重要的载荷产生于风轮及其叶片，且风轮上的任何载荷都会对其他子系统产生影响。该阶段要注意查阅并依据相关设计标准，结合具体的风电机组运行工况要求，对所有载荷都应予以仔细分析评估。5）发电成本估算是影响风电成本的关键因素。在设计早期，可以通过功率曲线来预测风电机组性能，这既是风轮总体设计的重要功能目标之一，同时也受到发电机类型、传动系统效率、运行方式（恒速或变速）以及控制方式的影响。6）各部件和子系统的设计方案根据整机总体结构方案，开展包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数及附件的选择等设计工作。设计有关部件的结构方案模型图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。7）配套附件选择和确定整机配套附件和备件等设备，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重的进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有的重大反复，导致设计的失误和延期。上述总体设计的各阶段属于静态设计，设计结果是：风电机组总体设计方案图、总体布置图和设计计算报告、风电机组性能分析与载荷初步分析报告、各部件和子系统的初步技术要求与设计示意图、系统原理图、对制造方面的协作和采购要求清单等，以及对其他有关经济性和使用性能等均应有明确的技术文件。（2）风电机组结构动力学分析在初步完成风电机组总体设计的基础上，需要进一步对风电机组动特性进行详细的分析。动特性分析属于风电机组结构动力学研究范畴，主要涉及动载荷分析、振动及结构动特性分析等方面的内容。1）动载荷问题作用于风轮叶片上的周期性气动和机械载荷会引起叶片等构件的动态响应，而此响应反馈于外部气动负荷。因此，这实质上是一种流固耦合响应问题，对风轮等零部件的疲劳会产生影响。同时，叶片等构件的动负载将合成为风轮的动负载，也是风电机组振动的主要振源。2）振动风电机组的运行过程中，始终存在持续的周期性的振动，图3-1所示为风轮叶片的两种振动形式。实际上，风轮、发电机、传动系统及其支撑结构等零部件的设计都必须考虑振动问题。振动会引起结构的损伤或破坏，影响设备的可靠性和可用性。3）稳定性风电机组载荷存在复杂的耦合关系，可能会导致各种动力稳定性问题的产生。在风电机组发展史上，运行中风轮与其他机体耦合的结构不稳定性问题造成了许多严重的后果。风轮的动力不稳定性，包括变距/挥舞不稳定性（经典颤振）、变距/摆振不稳定性及挥舞/摆振不稳定性等。（3）风电机组的可靠性设计风电机组可靠性量化指标，通常以其可利用率来度量。此种量化指标属于广义可靠性范畴，因其同时包括了风电机组可靠性和可维修性等方面的内容。因此，可利用率实际上是一种反应风电机组固有可靠性和运行管理可靠性的综合度量指标。为保证风电机组有较高的可利用率，在总体设计阶段，对重要零部件和系统应规定可靠性量化指标的要求，可以采用串联模型法，确定有关零部件的可靠性定量要求。对电控系统、安全系统和液压系统等应考虑平均故障间隔时间（MTBF）或平均维修间隔时间（MTBM）和平均维修时间，以满足整机可靠性要求。对重要承载零部件，总体设计中还应规定合理的使用寿命等技术指标。为保护风电机组的安全，对重要的安全系统应采取有余设计。3．3风电机组零部件结构设计（1）风电机组部件结构方案设计根据确定的总体气动布局、总体技术参数、设计载荷以及风电机组的初步结构方案，开展子系统和部件具体结构的设计。这些子系统或主要的部件有：风轮（包括详细的叶片结构、轮毂、变桨距机构等）、主传动链（包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动装置等）、发电机系统、机舱和主机架、偏航系统、塔架和基础等。（2）设计准则风电机组的零部件很多，相应的结构设计应根据具体的设计要求，参照合理的设计准则进行详细的设计与校核。其中，有些部件（或构件）应采用刚度设计、强度校核的准则；有些则应首先考虑强度要求，并进行必要的刚度分析。（3）零部件强度与刚度分析1）结构的极限强度设计极限强度设计的基本准则是在极端载荷作用下，保证构件的应力不超过材料许用应力，避免发生静载破坏。对于载荷的波动情况，一般需要通过增加许用安全系数加以解决。2）构件刚度分析构件刚度一般是指其抵抗变形的能力，包括在动载荷和静载荷作用的刚度。实际上，构件的刚度分析与强度设计有密切联系，应根据主要构件的具体工况条件和设计要求，考虑合理的刚度指标，并结合强度分析使设计达到优化。3）结构疲劳强度设计疲劳破坏是影响承受交变载荷构件的设计寿命的主要失效形式之一。有鉴于风电机组的循环和随机载荷作用条件，许多构件容易发生疲劳失效。因此，需要详细分析主要零部件在风电机组寿命期内的循环应力值和循环次数。4）零部件的工程详图设计根据风电机组总体与部件结构设计方案，可以开展风电机组的工程详图设计根据主要构件的具体工作。设计中需要解决设备总体和零部件的装配、加工等具体技术问题，提供详细的设计技术文件，形成设备制造工程的基础。3．4样机测试与设计验证风电机组的原型设计完成后，一般需要制造样机，以通过对样机设计的测试试验，验证设计结果，确保设计的可用性，为日后的产品批量制造、装配和可靠运行奠定基础。研制的样机通常需要一段时间的实际运行，参照有关的产品认证标准进行必要的测试。测试项目主要包括功率特性、关键部件的动特性、实际载荷和温升等。基于样机的试验测试数据，应进一步完善和修改原设计，形成批量生产的工程竣工设计。还应注意，批量生产的风电机组与原型样机的工程设计与制造方法通常会有差别，某些部分可能需要改进；有些情况下，为降低批量生产的成本，风电机组的某些部分可能需要基于原形设计原理，对设计结构作出较大的调整，但其前提是确保设计的可靠性。3.5小结风电机组的设计在不同条件下对它的设计要求是不同的，本章详细的介绍了在设计风电机组时可能遇到的情况以及如何设计。4.风电机组变桨距与偏航系统作为一种无污染的可再生能源，风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景。随着社会对能源的急剧需求，我国风力发电的单机容量已发展到兆瓦级机组，控制方式从基本的定桨距失速型控制转向变桨距控制，但与国际水平还有一定差距。风力发电机设置偏航调向系统，可以使风轮最大程度地保持迎风状态，从而高效地利用风能，进一步降低发电成本，有效地保护风力发电机，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。随着风电技术的不断成熟，变距控制型风电机组以其优越的性能越来越受到人们的青睐。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整机的受力状况大为改善。从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。目前投入使用的风电机组变桨距机构主要有2种方案：液压控制方案和电机控制方案。液压执行机构以其响应频率快、转矩大、便于集中布置等优点占有主要的地位，总的来说其技术已较成熟，但由于其液压驱动本身存在油泄露问题，且受温度变化影响大，所以精度受到限制。电机执行机构结构简单、紧凑，能对桨叶进行单独控制，精度高，受到许多厂家的青睐，但其动态特性相对较差，有较大的惯性，且如连续频繁的进行变桨调节，容易产生过量的热负荷而损坏训。我们基于一种新型的变距驱动一电作动筒变桨的传动机构，进行了分析与设计。4.1变桨距系统变桨距系统基本工作原理变桨距系统的硬件框图如图4-1所示。所有机舱的信号，如电源线、Canopen总线、安全链信号等，都从机舱经过滑环进入轮毂内的变桨控制柜内，实现机舱与轮毂动力和信号的传输。每个桨叶在减速齿轮箱的输入端和输出端分别配有一个旋转变压器（resolver）和绝对值编码器，用于测量变桨的速度和位置，并将其作为速度闭环和位置闭环的反馈信号，用于实时的动态调节。备用电源是在电网或滑环故障，外部电源无法直接为变桨距系统供电时，通过电源切换电路，将备用电源接入到变桨控制柜，使其能够为变桨距系统提供动力和控制用电，保证叶片能够安全、快速的回到顺桨位。位置开关1和位置开关2作为一个硬件开关，用于保证变桨距系统能够在设定的范围内运行，避免超出工作范围。图4-1变桨距系统硬件框图变桨距调节原理风流经风轮转子时，风力机风轮转子转速（1）式中，风轮转矩是由负载决定的，为风轮半径，为空气密度。这样，当风力机处于一定的风速下，对于一定的负载下，、、亦为常量，那么风轮转速就取决于风能利用系数的大小，即（2）根据叶素特性理论，分析风轮起动后以某种速度稳定旋转时叶片微元的受力情况，如图4-2所示。得出理想情况下气流与叶片角的关系（3）其中，为倾角，为攻角，为桨距角，为相对风速，为叶尖速比。图4-2叶片微元的受力情况分析图4-3C1与Cl/Cd随i的变化曲线转矩系数（4）风能利用系数（5）因此，对于一个在一定转速下运转的风力机，当风速和风向一定时，和一定，如果增大桨距角，攻角i便减小，在失速点以前的工作区内，和升阻比将减小，由表达式(4)知，其转矩系数也要减小，所以减小，最终导致风轮输出的机械功率减小，从而限制了风功率的吸收。为了提高风功率的吸收率，需要变桨距调节。4.2变桨距机构设计与实体建模4.2.1变桨距机构分析机械执行机构采用的是曲柄滑块机构，驱动系统采用的是电作动筒控制系统。电作动筒工作行程：(625~645)mm；作动筒作用力(持续载荷)：(69950~79720)N；作动筒重量(包括电机)不大于50kg，有专用的控制柜，重复定位精度：小于0.1mm；作动筒活塞杆位移从(0~180)mm，响应时间：3.6s。根据机构运动学原理，考虑到作动筒的工作行程及1.5MW风机组桨叶实际尺寸，拟选择曲柄450mm，连杆840ram，变距机构设计如图4-4所示。图4-4动变桨距机构设计图4.2.2变桨距三维实体模型的构建参数化设计是CAD中最为重要的研究技术之一，参数化技术使得设计者可以通过设计参数来驱动产品零件的几何模型。本论文中风力机变桨距机构采用CAXA软件来进行零件的建模，由于其参数化驱动的设计功能，可以方便的对各个部件根据实际需要进行修改。整体装配后的三维实体模型如图4-5所示，单一桨叶变距传动的造型示意如图4-6所示，传动部分局部放大如图4-7所示。在生成的分解视图4-7中，作动筒伸缩杆与推力轴承外圈连接，内圈随风轮回转轴同步运转，通过与内圈相连的的推杆将轴向运动传递给连杆，从而推动桨叶圆盘曲柄在变桨范围内摆动，完成变桨动作。其中，推力轴承内圈相连接的杆件(2个导向杆和1个推杆)与空心轴上对应的导向孔相配合，导向杆主要起固定轴承内圈的作用。图4-5桨距传动实体装配模型图4-6一桨叶变距传动示意图图4-7桨距局部传动设计图图4-8桨距传动分解式图其机构的三维图形为：轮毂：推力轴承：4.2.3桨距机构的动态仿真与分析风机的变桨距系统中涉及的要素很多，最主要的要求是在驱动机构的作用下，桨距角按预定的精确位置关系进行变化。为了验证所设计变桨机构的运动状态和运动的准确性，给电作动筒伸缩杆施加一正弦的往复运动(图4-9)，得出桨距角运动变化曲线如图4-10所示。7006005004003002001000 时间t/s0204060801004-9作动筒伸缩杆位移桨距角变化（桨距角变化（）88.178.1 68.158.148.138.128.118.18.1-1.9020406080100时间t/s图4-10叶节距角运动变化由机构的动态仿真结果来看，机构各部件均能很好的协调动作。且由此仿真曲线可以看到，伺服机构沿主轴方向的直线往复运动经变桨距机构传递叶片，使叶片能够绕自身轴线在一定范围内转动变化，满足了变桨距机构的功能要求。4.3偏航系统偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。它的功能有两个：一是要控制风轮跟踪变化稳定的风向；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。风力机偏航的原理是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。风力机发电机组的偏航系统是否动作，受到风向信号的影响，而偏航系统及其部件的运行工况和受力情况也受到地形状况影响。本章主要阐述偏航控制系统的功能、原理、以及影响偏航系统工作的一些确定的和不确定的因素。偏航系统的工作原理偏航系统的原理框图如图4-11所示，工作原理为：通过风传感器将风向的变化传递到偏航电机控制回路的处理器里，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。为减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风。当对风结束后，风传感器失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。偏航控制器放大器偏航控制器放大器偏航机构风力机偏航计数检测元件风向信号-风轮轴风向图4-11偏航系统硬件设计框图偏航控制系统的功能偏航控制系统主要具备以下几个功能：（1）风向标控制的自动偏航；（2）人工偏航，按其优先级别由高到低依次为：顶部机舱控制偏航、面板控制偏航、远程控制偏航；（3）风向标控制的90°侧风；（4）自动解缆；偏航系统控制原理风能普密度函数为：（1）其中，，风波动频率；—积分步长；—表面张力因数；—风波动范围因数；—平均风速。平均风速附近的瞬时风速为：（2）对于时变量而言，为自由独立变量，0<<2，n为积分步长数量。又式（1）、（2）定义实际风速为：（3）假设平均风速＝5m/s，在风况稳定的情况下，我们在仿真时间取为600s的情况下，仿真的实际风况如图4-12所示。图4-12＝5m/s时的风况仿真风力机输出的机械功率为：（4）其中：—空气密度；—桨叶半径；—风速；—功率系数。为风力机叶尖速比的函数，通常用下式表达：（5）转矩系数：（6）—风轮转矩系数，与叶尖速比的关系：（7）偏航角：（8）其中：—风向角度；—风力机叶轮角度。风向标作为感应元件将风向变化信号转换为电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，处理器经过比较后给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航指令。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，电机停止转动，偏航过程结束。在偏航过程中，风力机总是按最短路径将机舱转过相应角度，才能够提高发电效率，这样就需要解决电机的起动和转向问题。为了确定电机的转向使风力机转过最小路径，即偏航时间最短，需要弄清偏航角与风向角度和风力机叶轮角度（也就是机舱角度）之间的相对关系。就水平轴风力机而言，风向和风力机叶轮迎风面法线方向的夹角有以下两种情况（以下角度都是相对的）：当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差小于180时，偏航角为：（9）通常，风向角度是相对于叶轮迎风面法线方向角度，故取＝0，偏航角度为： （10）如图4-13所示（叶轮迎风面以粗实线表示，虚线表示风力机处于迎风位置），电机正转，风力机机舱顺时针调向。叶轮叶轮风向风向e