文 献 综 述

一、研究背景及意义

风能是一种永不枯竭的清洁能源。相对于其它新型清洁能源,风力发电技术较为成熟,具有商业化推广模式,因此在世界范围内得到快速发展,成为当今世界增长速度最快的能源。为提高风能的利用效率,增加风力发电机的寿命,降低风力发电的成本,很多国家都对风电技术进行了深入的研究,在很多方面都取得了进步,但偏航控制未能取得有效的发展^【1】。风力机偏航系统分为被动偏航和主动偏航两种类型,MW 级风力发电机组中常常采用后者。为了保证风力发电机组发挥最大性能，机舱需要准确对风。偏航控制系统控制的精确与否直接影响利用风能的效率,即风力发电机发电的多少。同时偏航控制系统控制不精确也会使风机系统遭受不必要的外力破坏。因此对风机的自动准确定位显得非常重要。另一方面，由于大型风力发电机组的建设成本很高，偏航控制系统的故障报警及提高风机运行的安全可靠性也是非常必要的^【2】。偏航控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分。如图1-1为偏航控制系统。由于自然界风的方向总在变，因此必须不断转动机舱使得风轮始终正面受风，增大风能的捕获率。但由于风向仪的精度及位于下风向等问题，不能做到100%对风。这不但降低了风能最大捕获率，同时使得对称的风电机组桨叶运行时受力不均，导致机组的振动与叶片的疲劳。因此,，如何提高对风精度值得关注，需要进行更深入的理论研究。提出更有效的控制策略与算法，提高对风精度^【3】。

二、世界风力发电现状

自20世纪80年代起，美国等西方国家开始开发设计风力发电设备，利用风能发电并转入商业化运营。短期内美国的风电装机容量得到迅速提高，但由于美国在1986年停止了对其风力发电的鼓励和优惠政策，风电装机容量增长速度开始放慢。而欧洲一些国家却相继制定了较全面的包括风能利用在内的新能源开发利用政策，欧洲的风电装机容量不断增加。因而总体上，世界风电装机容量仍保持了较快的增长。^[12]欧美也正在兴建风电场。据悉,目前丹麦风电占其总用电量的15%，德国石勒苏益格荷尔斯泰因州占到了19%，而在该州的一些地方则达到了75 %，西班牙那瓦拉的风电占其用电量22 %。按绝对发电量计算，德国居世界首位，美国第二位，其次是西班牙、丹麦和印度。丹麦在制造涡轮机方面居世界首位。美国在过去几年中，将风电项目扩展至该国的科罗拉多、 明尼苏达、宾夕法尼亚等州,使该国风力发电的能力至少提高了一半。法国、阿根廷等国制定了发展风电的长期和中期计划。英国投标在近 、海修建大型风力发电设施并宣布到 2020 年, 该国发电量的 20%将来自可再生能源。现在，英国的一些私人公共机构对风电工程投资开始兴建风力发电站和其他绿色能源电站。^[14]

三、我国风力发电现状

我国幅员辽阔，有很长的海岸线，蕴藏了非常丰富的风能资源，且具有良好的可开发性，风电产业的发展有良好的自然资源做保障。全国风能资源最新统计成果表明，我国风能资源可开发量为2.5亿千瓦，资源可发面积约20万平方千米，另有约7900万千瓦潜在可开发量。 海上10m高度可开发和利用的风能储量约为7.5亿千瓦。^[7]我国内陆地区的风能资源主要分布在东南沿海及其周边岛屿、甘肃河西走廊、 新疆、内蒙古以及华北和青藏高原等地区。国家将利用风力发电作为改善能源结构、应对能源安全以及气候变化问题的主要技术手段之一，进行了大力扶持。我国风力发电起步晚，但发展非常迅速，过去十年，中国的风力发电装机累计增长速度位居世界第一，中国的风电已超过核电，成为继煤电、水电之后的国内第三大主力电源。现代风力发技术面临的挑战 及发展趋势主要在于如何进一步提高效率，提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用 率和发电效率的有效途径。风力发电机单机容量不断向大型化发展，从20世纪80年代 中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年达到2MW。进入21世纪，兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上 的主流产品。2004年德国Repower研制出第一台5MW风电机，Enercon开发出第二代直驱式6MW风电机。从世界范围来看，1.5~2MW的机型占世界机组容量的比例，已从 2007年的63.7%飞速上升到80.4%。在我国，2005年风电场新安装的兆瓦级风电机组占 当年新装机容量的21.5%，2009年比例已经上升到 86.86%^[6][8]，这表明大容量风机组已 经成为我国风电市场上的主流产品，根据国家能源局的统计数据显示，中国的风力发电装机总量的增速为世界最快^[6]。华北、东北、西北地区是我国风电建设最为集中的地区，约占到全面风电装机容量的九成，海上风电并网装机容量已跃居世界前列。然而，伴随着我 国风电事业快速发展的同时，风电在规划设计、运营管理、机组维护、 储能与输电等方面暴露出很多亟待解决的问题。四、偏航系统工作原理

偏航系统又称对风装置，一般由偏航驱动装置偏航传动装置、偏航制动器、偏航计数 器、风速风向计、偏航轴承、纽缆保护装置等组成。偏航系统一般可分为主动偏航系统 和被动偏航系统，其中被动偏航系统是依靠风力通过相关机构完成机组对风动作的偏航 方式，主要用于小型风机；大型风机一般采用主动偏航^[9-10]。

五、偏航系统控制发展现状

偏航系统高效精确的追风与其控制策略是密不可分的，因此，先进的偏航系统控制 方法及策略研究是当前的研宄热点和焦点。^[9] 偏航系统是风机的核心部分，使风机实现偏航对风、机舱锁止和自动解缆功能,其性能好坏直接影响风机发电效率。现阶段国内外风机偏航系统主要分为电驱动的偏航系统和液压驱动的偏航系统两种,它们结构复杂、成本高,均采用高能耗的阻尼偏航形式,且偏航响应速度慢,限制了风机发电效率的提高^[2]。

1. 偏航系统的结构

2 MW风电机组采用广泛使用的滚动轴承#8212;电机驱动式偏航系统，该系统主要由偏航轴承、偏航驱动（包 括偏航电机和偏航减速箱）、偏航制动、偏航计数器、扭缆保护装置等部分组成

2. 偏航系统控制功能的实现

2 MW偏航系统采用机舱位置闭环方式控制。通过安装在机舱尾部的风向标测量风向，计算其与风机位 置编码器检测的机舱位置之间的角度差。当角度差超过规定值时，风机控制器控制变频器启动偏航驱动机 构调整机舱方向，直到偏差在设定值范围内，达到对风的目的。^[4]在偏航系统中包括偏航传感器，防止从机舱悬挂下来的电缆会扭曲，发生绞缆。控制器从偏航传感器得到关于绞缆的信息。偏航传感器直接通过与偏航齿环啮合的小齿轮进行测量，如果电缆在多次偏航时造成绞缆，那么在下次偏航系统启动时，根据电缆绞缆的情况，偏航系统将做出相应方向的转动，使被绞缆的电缆重新回到顺缆的位置上。偏航传感器上有4 个凸轮，它们可与微型开关连接/断开^[5]

3. 常见的偏航系统的故障^【11】

风力发电机偏航系统常见故障有以下几种：

（1）偏航大齿圆与偏航齿轮啮合齿面磨损严重，其主要的原因有：#129;风向变化频繁齿轮啮合处长期啮合运转，#8218;相互啮合的齿轮啮合处渗入影响齿轮啮合的杂质。#402;偏航自动加脂泵中的润滑脂严重缺失使啮合齿轮干摩擦状态。

（2）偏航过程中出现异常噪音，其主要原因有：#129;偏航卡钳及偏航大齿面的润滑油或润滑脂严重缺失。#8218;偏航卡钳的偏航阻尼力矩过大或者过小，没有严格按照维护手册对偏航卡钳力矩进行效验。#402;偏航系统中的大齿面出现轮齿损坏，造成在偏航过程中没有办法平顺的过渡。偏航驱动装置中的减速器里面油位过低，造成偏航减速机润滑不足，出现偏航减速机卡涩情况。

（3）偏航定位不准确，其主要原因有：#129;风速仪检测出来的信号不准确，无法正确定位#8218;偏航系统卡钳阻尼力偏大或者偏小。#402;偏航系统的制动力矩达不到机组的设计值，或者偏航电机刹车系统损坏，无法对偏航停止进行准

确定位刹车。偏航系统偏航齿轮与偏航驱动装置的齿轮间隙过大。

（4）偏航传感器的故障。

（5）偏航驱动装置方面的故障

（6）偏航齿轮箱的上方蜗轮蜗杆因为固定螺栓强度等级不够，经过运行中的不停振动，引起固定螺栓松动，最后损害齿轮箱内部齿轮。

六、预期目标

偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致,使风力发电机尽可能多的获取风能。偏航系统的滞后性和风向的频繁变化,使得机舱很难精确的对风。风向频繁变化也会导致偏航机构频繁动作,影响偏航机构的寿命。

本次研究希望：

1、通过针对特定风力发电机组，结合其风能最大捕捉及风能-电能最大效率转换的有效控制手段，研究偏航系统的控制方法和实现手段。

2、设计偏航系统自动控制的系统原理图和电气线路图。

参考文献

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[19]Pitch controller for wind turbine load mitigation through consideration of yaw misalignment.Original Research Article,Mechatronics, Volume 32, December 2015, Pages 44-58.Irving P. Girsang, Jaspreet S. Dhupia

[20]Downwind wind turbine yaw stability and performance.Original Research Article.Renewable Energy, Volume 83, November 2015, Pages 1157-1165.C. Kress, N. Chokani, R.S. Abhari

文 献 综 述

一、研究背景及意义

风能是一种永不枯竭的清洁能源。相对于其它新型清洁能源,风力发电技术较为成熟,具有商业化推广模式,因此在世界范围内得到快速发展,成为当今世界增长速度最快的能源。为提高风能的利用效率,增加风力发电机的寿命,降低风力发电的成本,很多国家都对风电技术进行了深入的研究,在很多方面都取得了进步,但偏航控制未能取得有效的发展^【1】。风力机偏航系统分为被动偏航和主动偏航两种类型,MW 级风力发电机组中常常采用后者。为了保证风力发电机组发挥最大性能，机舱需要准确对风。偏航控制系统控制的精确与否直接影响利用风能的效率,即风力发电机发电的多少。同时偏航控制系统控制不精确也会使风机系统遭受不必要的外力破坏。因此对风机的自动准确定位显得非常重要。另一方面，由于大型风力发电机组的建设成本很高，偏航控制系统的故障报警及提高风机运行的安全可靠性也是非常必要的^【2】。偏航控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分。如图1-1为偏航控制系统。由于自然界风的方向总在变，因此必须不断转动机舱使得风轮始终正面受风，增大风能的捕获率。但由于风向仪的精度及位于下风向等问题，不能做到100%对风。这不但降低了风能最大捕获率，同时使得对称的风电机组桨叶运行时受力不均，导致机组的振动与叶片的疲劳。因此,，如何提高对风精度值得关注，需要进行更深入的理论研究。提出更有效的控制策略与算法，提高对风精度^【3】。

二、世界风力发电现状

自20世纪80年代起，美国等西方国家开始开发设计风力发电设备，利用风能发电并转入商业化运营。短期内美国的风电装机容量得到迅速提高，但由于美国在1986年停止了对其风力发电的鼓励和优惠政策，风电装机容量增长速度开始放慢。而欧洲一些国家却相继制定了较全面的包括风能利用在内的新能源开发利用政策，欧洲的风电装机容量不断增加。因而总体上，世界风电装机容量仍保持了较快的增长。^[12]欧美也正在兴建风电场。据悉,目前丹麦风电占其总用电量的15%，德国石勒苏益格荷尔斯泰因州占到了19%，而在该州的一些地方则达到了75 %，西班牙那瓦拉的风电占其用电量22 %。按绝对发电量计算，德国居世界首位，美国第二位，其次是西班牙、丹麦和印度。丹麦在制造涡轮机方面居世界首位。美国在过去几年中，将风电项目扩展至该国的科罗拉多、 明尼苏达、宾夕法尼亚等州,使该国风力发电的能力至少提高了一半。法国、阿根廷等国制定了发展风电的长期和中期计划。英国投标在近 、海修建大型风力发电设施并宣布到 2020 年, 该国发电量的 20%将来自可再生能源。现在，英国的一些私人公共机构对风电工程投资开始兴建风力发电站和其他绿色能源电站。^[14]