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偏航结构及其控制
大唐山东风电培训中心 偏航系统的组成
偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、
纽缆保护装置、偏航液压回路
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偏航计数器
纽缆保护装置
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偏航控制：通过转动风轮使其远离风向，减少功率吸
图中， E —被浮动构件的径向位移量； Lg
图2-7联轴器结构原理
—联轴器的长度。联轴 器的定心方式：有外径定心和齿侧定心。齿侧定心有自动定心作用， 有利于联轴器的齿间载荷分布。
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（3）发电机 发电机将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电机和 同步发电机两种。异步发电机的转速取决于电网的频率，只 能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱 高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网， 向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加 输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定 功率不再增加。
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• 轮毂 • 风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片根 部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到 传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮壳也是控制叶片 桨距(使叶片作俯仰转动) 的所在。
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（2）主传动系统 传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。轮毂与主 轴固定连接，将风轮的扭矩传递给齿轮箱。有的风 力发电机组组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。 大型风力发电机组风轮的转速一般在10~30r/min范 围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速 1500r/min（或1000 r/min），经高速轴、联轴节 驱动发电机旋转。
为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电 机组组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称无齿轮箱风力 发电机组组。其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风 轮可以转换更多的风能，所承受的载荷较小，减轻部件的重量。 缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高Байду номын сангаас需要变流装 置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。
偏航系统采用四点球轴承回转环,确保风轮处于正确的风向 位置。偏航操作由三个行星齿轮完成,每一个由电力电子控制的 电机驱动,这样偏航齿轮的负荷大小均匀。偏航制动由六个液压 制动器控制的大盘制动,且每一个偏航齿轮独立制动,整个系统保 证偏航控制平滑。当偏航结束,机舱就固定不动,而且偏航齿轮也 不承受负荷。偏航系统有两个独立的风向标检测风速并送主计 算机,保证风能最佳利用且驱动链应力最小。
安全系统要保证机组在发生非正常情况时立即停机，预防 或减轻故障损失，关键部件采用了“失效-保护”的设计原 则。
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（7）基础 机组基础的设计由塔架基底倾覆力矩决定，对于圆筒型塔架 采用的基础结构有厚板块、多桩和单桩形式。
（a）平面板块基础；（b）平放基座基础； （c）嵌入式塔架和倾斜板块基础；（d）岩石床打锚基础。
轴器、发电机和机座组成。
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主轴锁紧装置
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主轴
材料： 42CrMo（常温） 34CrNiMo6+QT（寒带）
制造：电炉，真空冶炼； 加工方法：铸锭； 锻造比： 最小3.5； 锻造精度：2级； 严格执行GB/T171071997规定，对锻后毛坯进 行热处理。
传动系 统
风轮 机舱
偏航系统
风力发 电机组
塔架 基础
风力发 电机组
液压系统与制动系统
发电机
控制与安全系统 图2-2功能实现组成
图2-1外观结构组成
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（1）风轮
风轮由轮毂和叶片组成，它的作用是将风能转换为机 械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上组成，风轮转 子直径随着风力发电机功率的增大而增大。风轮按叶片数 可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮，其中三 叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到广 泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，可以分为定 桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮叶片与轮毂固定连接， 结构简单，但是承受的载荷较大。变桨距风轮的叶片与轮 毂通过轴承连接。虽然结构比较复杂，但能够获得较好的 性能，而且叶片承受的载荷较小，重量轻。
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齿轮箱 齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载 荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联 轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分 为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的 齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照 转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混 合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表
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（6）控制系统及安全系统 风轮功率控制采用大功率整流逆变控制器,以及有源 滤波和无功补偿。信号处理通常有两个独立的计算机或高速 数字信号处理芯片。主机在地面控制室的开关柜内,从机设 在机舱内。所有来自传感器和变送器的输入信号都由从机汇 集和处理,再传送给主机。主机监控风轮所有的运行状态。 主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。风力发电 机完全实现远程监控,从远程计算机可读取所有风轮数据。
齿轮箱可靠性要求高， 维护不变。
WINTEC WT1650
大唐山东风电培训中心 风机传动系统
• 直驱式 省去齿轮箱，结构紧凑。 技术不成熟，发电机尺寸大， 吊装不便。
大唐山东风电培训中心 风机传动系统
•
半直驱式
齿轮箱传动比小，并与发电 机集成，结构紧凑。
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二. 传动链组成
传动链主要由主轴总成、偏航总成、齿轮箱、联
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（4）偏航系统
偏航系统是水平轴风力发电机组的不可缺少的组成部分, 偏航系统的主要作用有两个： 其一是与风力发电机组的控制系统相配合，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； 其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
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电网
齿轮箱
变流器 桨距角 发电机
桨距 调节器 桨距角 参考值
功率 控制器 功率 参考值
电功率
主控制器
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机组运行工作状态划分及转换
4种工作状态： • 运行状态 • 暂停状态 • 停机状态 • 紧急停机状态
运行 暂停 停机 紧停 工作状态转换 每种状态是一个活动层次，运行状态层次最高，急停状态最低， 四种工作状态的主要特征和说明如下： （1）运行状态 机械闸松开 允许机组并网发电 机组自动偏航调向 桨距控制系统选择优化工作模式，根据风速状况选择优化的 桨距角。 液压系统保持工作压力 冷却系统自动状态 操作面板显示“运行”状态 （2）暂停状态 机械闸松开 液压系统保持工作压力 机组自动偏航调向 叶片桨距角调到接近全翼展状态 叶轮空转或停止 冷却系统自动状态 操作面板显示“暂停”状态 这个状态在调试时很有用，主要用来调试时测试整个系统的 功能是否正常。
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联轴器：大型风力发电机组通常采用浮动用齿式联轴器。齿式联 轴器按其外齿的轮齿在齿宽方向的截面形状，常用的是直齿和鼓 形齿。直齿加工简单，但允许倾斜角小，一般不大于30’，工作 时，容易产生轮齿端部受载，齿面磨损大，强度和寿命较低。鼓 形齿，允许倾斜角较大，一般可达2º 左右。轮齿受力情况好，浮 动灵敏，强度和寿命较高。联轴器有单齿和双齿联轴器。 联轴器的倾斜角ω ：
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主轴
在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载 的作用，并将扭矩转递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传 递给机舱、塔架。主轴前端法兰与轮毂相联接，将风轮的回转运 动传递给齿轮箱的低速轴。设计过程中应考虑主轴的轴向力、剪 力、弯矩及扭矩，进行强度初步分析计算。主轴的疲劳性能是非 常关键的，为此，要注意外形和结构细节设计，如应力卸载槽、 表面处理和加工工艺等。
MY1.5MW
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传动系统
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其它的传动链布局形式
• 三点式支撑
单主轴轴承，成本低，传 动链缩短。 齿轮箱前轴承承受转矩和 径向负载，故障率高。
（VESTAS V80-1.65MW）
大唐山东风电培训中心 风机传动系统
• 主轴齿轮箱集成式
优点： 结构紧凑、重量轻。 缺点：
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（5）雷电保护
风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯形栅 格钢结构两种。圆锥形钢结构内部安装楼梯、安全线路、 工作平台和照明系统。塔架基础采用地下钢筋混凝土结 构。随着塔身高度增加,风轮叶片遭受雷击的概率也增加, 必须设计防雷系统。如果风轮或机舱遭受雷击,雷电保护 系统会将雷电电流引入接地系统。
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机组运行工作状态划分及转换
• • • • • • • • • • • • • • （3）停机状态 机械闸松开 叶片处于全翼展状态 液压系统保持工作压力 机组自动偏航调向停止 冷却系统非自动状态 操作面板显示“停机”状态 （4）紧急停机状态 机械闸抱闸 紧急电路（安全链）开启 控制器所有输出信号无效 控制器仍在运行和测量所有输入信号 操作面板显示“紧急停机”状态 当急停电路（安全链）动作时，所有接触器断 开，控制器输出的任何信号都无效。这种状态 多在手动操作和按下紧急停机按钮时出现。
大唐山东风电培训中心 第二部分 控制系统功能和控制策略介绍
• 各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要 由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器。 • 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解绕等，并在 桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。 • 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之 下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上，限制功率输出。 • 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同压、 同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发 电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率， 在额定风速之上，配合变桨距机构，最大恒功率输出。 • 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内 的超功率由变桨距控制完成。