王 潤

（東方電氣〈酒泉〉新能源有限公司，甘肅 酒泉 735000）

0 前言

隨著國際社會對全球氣候變化問題的日益關(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)電總裝機容量已達到1.20791 億KW[1]。風(fēng)場中的風(fēng)向隨時會發(fā)生變化，所以需要風(fēng)輪始終對準風(fēng)向。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組特有的伺服系統(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)的控制問題就顯得尤為重要。

1 風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用的偏航

風(fēng)力機應(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上，偏航時通過偏航電機的輸出功率克服卡塊與齒圈盤之間的摩擦力，使機艙按照某一方向轉(zhuǎn)動，在機艙與風(fēng)向角度一致時，電機電源被切斷，機艙的固定由偏航卡塊來保證。

采用常阻尼式偏航系統(tǒng)，因結(jié)構(gòu)相對簡單，減少了偏航液壓系統(tǒng)，但要求偏航電機輸出功率大、偏航卡塊力矩均衡度高、摩擦墊片耐磨性能強，因而偏航系統(tǒng)維護量大。若偏航卡塊力矩均衡度較差，在偏航時機艙會產(chǎn)生較大的振動，根據(jù)測量數(shù)據(jù)振幅峰值為非偏航時的30倍以上；如果這種情況時間較長，更嚴重的會導(dǎo)致塔筒變形，可見產(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上，另一半可由液壓單元控制壓緊或釋放在卡塊上。需要偏航時，通過液壓的壓力使之釋放，機艙可轉(zhuǎn)動；對風(fēng)后，通過液壓對卡塊的上下油路加壓，使之壓緊在齒盤上。

液壓阻尼式偏航采用“需用才用”的設(shè)計思維，在機艙偏航時即釋放液壓卡塊，這樣對偏航的功率要求低，也就可相對減配偏航電機，其缺點為，增加了一套液壓單元，也增加了風(fēng)電機故障的可能性。因此，國內(nèi)有些公司已結(jié)合兩者的優(yōu)點，采用液壓阻尼混合式設(shè)計，這顯得更為合理，也更符合自動控制的理念。

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

2.1 機械故障

經(jīng)過長時間的考察和驗證，在風(fēng)力發(fā)電機中，機械部件比電氣部件更容易壞，而機械部件中，偏航系統(tǒng)部件又是機械中經(jīng)常出現(xiàn)故障的重點問題。例如，偏航電機經(jīng)常因為過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為固定螺栓等級不夠，經(jīng)過過多的振動，引起螺栓松動，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 速器里面充滿了潤滑油，但經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)，其油性都已經(jīng)有了變化，但是，沒有得到及時的處理，也會造成偏航系統(tǒng)問題。

這些都是目前大型風(fēng)力發(fā)電機偏航系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的問題，而且，在更換這些部件時，都是相當不容易更換的，一個是因為每個部件的自身重量都很重，另一個是因為更換這些部件時，空間都很狹小，沒有足夠下手工作的空間。

2.2 偏航軸承要求不達標

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

風(fēng)機軸承開發(fā)研制中，存在的主要技術(shù)難點是實現(xiàn)長壽命所需的密封結(jié)構(gòu)和潤滑脂、特殊的滾道加工方法和熱處理技術(shù)、特殊保持架設(shè)計和加工制造方法等。國內(nèi)目前的技術(shù)水平與國外先進水平相比存在較大差距，但近幾年來我國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)機軸承國產(chǎn)化的進程。

2.3 偏航控制技術(shù)有待提高

目前國內(nèi)對大型風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)已經(jīng)有了一定深入的研究，但是對于在風(fēng)速變化下的偏航機構(gòu)的控制技術(shù)研究相對很少。偏航系統(tǒng)的智能化控制、早期預(yù)測能力、偏航機制的自適應(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)電機組特有的伺服系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電機中的作用是轉(zhuǎn)動機艙，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，當機艙處于正對風(fēng)位置時，在風(fēng)向不變的情況下，偏航系統(tǒng)可使機艙定位。它主要由偏航檢測與控制部分、扭纜保護裝置、偏航機構(gòu)三大部分組成，而偏航機構(gòu)由偏航動力源，偏航傳動裝置，偏航驅(qū)動機構(gòu)，偏航軸承和制動裝置組成。

偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個：一是與風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機組的風(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)電機組的安全運行。因此，偏航系統(tǒng)在風(fēng)機中就顯得尤為重要。圖1為風(fēng)力機整體偏航結(jié)構(gòu)圖[8]。

圖1 風(fēng)力機整體偏航結(jié)構(gòu)圖

3.1 偏航動力源

偏航動力源一般選可靠性優(yōu)異的三相異步電動機。為克服風(fēng)輪、機艙、變速箱、發(fā)電機的重力和風(fēng)載等作用在偏航軸承上對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦阻力，以及偏航啟動扭矩等驅(qū)動過程中的各項阻力，偏航電動機必須具有適當?shù)墓β?。根?jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計，目前風(fēng)電機設(shè)計功率大多都為：300～3000 KW，偏航系統(tǒng)的驅(qū)動總功率一般在1～10 KW 之間，如3 MW 的風(fēng)力機，其偏航電機的功率為3 KW。由于偏航小齒輪是行星輪，且為了使系統(tǒng)工作可靠，負載均勻，應(yīng)根據(jù)行星齒輪設(shè)計規(guī)范和傳動比確定行星輪數(shù)目，為使結(jié)構(gòu)對稱一般選2 或4 個行星輪。必要時，可以取較大的安全系數(shù)，以便在一套系統(tǒng)失效時，仍然能夠保證風(fēng)機安全偏航。對一些大型風(fēng)機，由于偏航負載很大，為使承載均勻，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可使用對稱布置的兩套偏航電動機和減速機構(gòu)作為一組，必要時同時設(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。且無故障時每套偏航系統(tǒng)的負載較低，從而保證其使用壽命。

偏航動力源與減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機構(gòu)等組成偏航驅(qū)動裝置。驅(qū)動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)；傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。偏航驅(qū)動裝置要求起動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速均勻無振動現(xiàn)象。

3.2 偏航傳動裝置

偏航傳動裝置的功能是將偏航動力源輸出的動力和運動傳遞到偏航執(zhí)行機構(gòu)的主動件上，通過主動件與從動件的作用，驅(qū)使機艙偏航。根據(jù)實際需要，可將傳動裝置設(shè)計成機械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，經(jīng)控制后輸入液壓馬達并驅(qū)動偏航主動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)偏航。液壓裝置的特點是：可實現(xiàn)遠程控制無級調(diào)速，提高偏航效率；可使用一套液壓裝置驅(qū)動2～4 個液壓馬達和主動件；結(jié)構(gòu)緊湊；可以與變槳系統(tǒng)、偏航制動和主軸制動共用一套液壓系統(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，維護要求較高等限制了其應(yīng)用，所以目前采用機械傳動方案為主。

3.3 偏航軸承

偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機組的機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，加工相對來說比較簡單；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)機組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進行選擇。偏航齒圈的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。

圖2 偏航齒圈結(jié)構(gòu)簡圖

3.4 制動裝置

采用齒輪驅(qū)動的偏航系統(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)采用偏航制動器（或稱偏航阻尼器）來吸收微小自由偏轉(zhuǎn)振蕩，防止偏航齒輪的交變應(yīng)力引起輪齒過早損傷。偏航制動器一般采用液壓制動[13]。圖3 為液壓拖動的鉗盤式制動器。

圖3 偏航制動器結(jié)構(gòu)簡圖

4 偏航系統(tǒng)的完善

對于這些偏航系統(tǒng)故障部件，我們應(yīng)該給予重視，給予更合理的設(shè)計和防護措施，避免縮短風(fēng)機實際的使用壽命和給風(fēng)廠帶來可以避免的經(jīng)濟損失，減少維護工人的工作量和工作難度。因此，我給出了以下幾點建議：

（1）偏航電機的選用功率不變，增大其啟動扭矩，這樣，電機帶動輸入齒時更容易，再者，偏航電機的損壞，一般內(nèi)部線圈燒壞的情況比較少，大都是因為啟動扭矩太大，長時間運轉(zhuǎn)，造成軸頭軸承磨損或者損壞，從而使電機不能旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機燒壞，所以，可以買一些相同型號的質(zhì)量好的軸承定期檢查更換，因為其工作量不是很大，又對設(shè)備的大部件損壞有著一定的保護作用。

（2）不能使用等級不夠的螺栓來連接電機和輸入齒，因為不夠等級的螺栓會造成電機和輸入齒的直接損壞，這點可以通過一定措施來改變，一是不能使用不夠等級的螺栓，二是定期維護時逐個檢查其螺栓的緊固情況，有必要時進行更換。

（3）由于廠家急于供貨給用戶，所以，一些風(fēng)機上的零部件并沒有達到真正的合格標準，而且，出廠后，沒有一定的技術(shù)監(jiān)督部門進行驗收，所以，偏航系統(tǒng)中的齒輪有一定的缺陷。因此，對于新興的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，國家技術(shù)部門應(yīng)該建立相應(yīng)的質(zhì)量檢測體系，嚴格把好質(zhì)量關(guān)，確保風(fēng)力發(fā)電機的正常使用壽命。

（4）減速器是由一些傳動齒輪構(gòu)成，里面充滿了潤滑油，這些油經(jīng)過偏航齒輪長時間的運轉(zhuǎn)，使油本身的質(zhì)量和性質(zhì)發(fā)生了變化，所以，無論從其潤滑性講還是從缺油情況來講，都對偏航系統(tǒng)有著一定的影響[14]。目前，從維護工藝上看，沒有對其油的檢查和更換這一項，只是從油位這一點做了檢查。所以，應(yīng)該在每個維護日將偏航減速器內(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行壽命。

5 結(jié)束語

本文主要是對大型風(fēng)力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)進行了一些概述，對偏航系統(tǒng)的組成和工作性能做了簡單介紹，并在此基礎(chǔ)上對目前大型風(fēng)力發(fā)電機偏航系統(tǒng)存在的一些問題做出了建議，希望能對大型風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計有幫助作用。

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

［2］蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與運行維護[M].中國電力出版社，2003，01.

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