風電機組偏航傳感器設計

文 | 任華彬，徐鳳榮，王明軍

當風電機組葉輪平面與風向垂直，即：葉輪軸線方向與風向一致時，葉輪吸收的風能最大，機組發電效率最高。由于風電場的風向不斷變化，機組需要隨著風向的變化按照一定的邏輯進行偏航對風。因此，偏航準確與否，直接關系到風電機組的發電效率。主動偏航系統偏航接近開關和偏航限位開關分別是偏航系統的檢測元件和偏航極限停機的觸發機構，本文將對這兩個偏航傳感器的設計進行分析和探討。

風電機組偏航系統

風電機組的偏航系統，按驅動方式分為主動系統和被動系統兩種。被動系統指的是依靠風力通過相關機構完成機組風輪對風動作的偏航系統，常見的有尾舵、舵輪和下風向三種；主動系統指由調向電機將風輪調整至迎風位置。主動偏航系統需要測量風向，根據風向和風輪平面法線方向來確定調整方向，雖結構非常復雜，但迎風過程是可控的。

兆瓦級風電機組采用主動偏航系統，通過偏航電機來調整風輪并使其對準風向。研究由電機帶動的主動迎風偏航控制系統，使迎風調向準確穩定，對延長調向機構的壽命和提高發電量均具有十分重要的意義。

偏航系統也稱對風裝置，由控制與檢測部分、驅動機構和扭纜保護裝置三部分組成。偏航系統的主要作用有兩個：其一是與風電機組的控制系統相互配合，使風電機組的風輪始終處于迎風狀態，使風電機組能充分吸收風能，提高機組的發電效率。其二是保證機組懸垂部分的電纜不至于產生過度的紐轉而使電纜斷裂、失效,在電纜達到設計纏繞值時能夠自動解纜。

如圖1所示，偏航系統主要由風向標、偏航電機、減速齒輪箱和回轉體大齒輪組成。其工作原理為：控制系統通過對機艙尾部的氣象設備測得的風速、風向及機組狀態等信息進行分析，按照一定的邏輯確定是否需要驅動裝置來調整機艙與風向的角度，使風輪葉片始終朝著迎風的方向，以保證風電機組在運行時能夠充分吸收當前的風動能，電機通過同軸聯接的減速齒輪箱減速后將動力傳給塔筒法蘭盤上的偏航大齒輪，從而帶動整個機艙轉動，當對風完成后，電機停止工作，液壓剎車和電氣剎車同時投入，偏航過程結束。另外，為保持整個過程的穩定性，偏航過程中需要液壓站提供一定的制動力。

由于風向的不斷變化，偏航電機也不斷地運轉。當向同一個方向偏航的圈數大于設定的圈數時，會引起電纜的纏繞甚至出現電纜絞死，影響風電機組的正常運轉，因此系統設置了自動解纜命令。當圈數超過風電機組設定的圈數時，系統執行自動解纜命令，啟動偏航電機，向相反的方向轉動纏繞的圈數；當出現因軟件或硬件的原因導致自動解纜失效時，風電機組會觸發偏航限位開關極限位置達到保護扭轉電纜的目的。

偏航系統接近開關與限位開關

如圖2所示，偏航系統由軸承、剎車器、驅動電機、減速齒輪箱、接近開關和限位開關等部件組成。該系統為主動式系統，能夠根據風電機組尾部的風向儀測得的風向值與風電機組實際偏航角度按照一定的邏輯自動對風，使風輪的掃風面盡量與風向垂直，以最大限度的捕獲風能；同時會根據測得的角度值判斷風電機組扭轉電纜是否達到設置的軟件極限保護值，當到達軟件極限保護值時停機進行自動解纜；另外，出現軟件失效時，通過偏航限位開關串聯的硬件回路有效的保護扭轉電纜。

對風和解纜需要知道風電機組實際的對風角度、電纜扭纜角度及偏航方向，某風電機組采用2個接近開關計算實際的風電機組對風角度、電纜扭纜角度及偏航方向，采用限位開關用于電纜扭纜的極限保護。偏航接近開關和限位開關在偏航系統工作過程中起到非常關鍵的作用，如設計的不合理，輕則出現因角度測量不準導致風電機組對風不準而影響發電量，重則出現扭斷電纜的嚴重事故。

圖1 風電機組偏航控制系統結構

圖2 偏航系統結構

圖3 偏航傳感器位置

偏航接近開關設計

某風電機組偏航系統的接近開關安裝相對位置如圖3所示。接近開關用于測量實際機艙角度（相對于正北方向）和方向的傳感器，該風電機組偏航外齒圈齒數為169個，定義齒頂寬如圖4中的B，定義齒間距如圖4中的C，當偏航電機運行時通過減速齒輪箱帶動外齒圈運行，接近開關經過一個齒頂時產生一個高電平信號，運行一整圈接近開關將產生169個高電平信號，即一個高電平信號對應的偏航角度為2.13°，控制系統根據測量的高電平信號個數計算出實際的偏航角度。另外2個接近開關在分別接近齒頂時會產生高電平信號，在離開齒頂向齒底運行時高電平信號將消失，可以通過2個接近開關高、低電平信號的邏輯關系判斷實際偏航運動的方向，如2個接近開關的高、低電平信號如表1所示，則代表逆時針偏航，高、低電平信號如表2所示，則代表順時針偏航。但只有接近開關1和2之間的間距滿足一定的關系時才能出現表1和表2所示的高、低電平序列，通過實際測試和公式計算，當圖4中所示的接近開關之間的距離A應滿足C

圖4 偏航齒距及傳感器間距

表1 逆時針偏航序列

表2 順時針偏航序列

偏航限位開關設計

偏航限位開關的安裝位置如圖2所示，主要作用為在計數傳感器或軟件出現問題時，通過觸發限位開關極限信號保護機組的扭轉電纜。在偏航過程中，通過偏航外齒和限位開關齒盤之間的嚙合帶動限位開關軸的轉動，軸上連接有不同變比的凸輪，通過軸的轉動帶動不同變比的凸輪轉動，當到達設定的極限角度時（如720°），對應的凸輪會頂住相應的開關點，該開關點信號用于切斷相應的偏航控制回路，從而達到保護扭轉電纜的目的。不同機組限位開關本身的結構基本一致，主要的工作是根據不同的偏航齒圈、限位開關齒盤及機架尺寸設計滿足要求的安裝支架。

標準齒外嚙合的情況如圖5所示，d為齒的嚙合圓直徑，m為齒的模數，Z為齒數，ha為嚙合圓和齒頂圓之間的距離，a為兩個齒嚙合的中心距，根據機械手冊可知：

嚙合圓直徑 d＝mZ+2ha

一般情況 ha＝m

可得 d＝mZ+2m＝m（Z+2）

可分別得2個嚙合圓直徑 d1＝ m（Z1+2），d2＝ m（Z2+2）

兩個齒圈嚙合的中心距a＝（d1+d2）/2＝m（Z1+Z2+4）/2

圖5 標準齒外嚙合

根據以上公式可以計算出偏航齒圈和限位開關齒盤嚙合后的中心距離。如某機型的偏航齒數Z2＝169，限位開關齒盤齒數為Z1＝12，模數m＝18，通過以上公式計算可得偏航齒圈嚙合圓直徑d1＝3078mm，限位開關嚙合圓直徑d2＝252mm，進而得兩個齒圈嚙合后的中心距a＝1665mm，根據以上計算的結果、機架的相關尺寸及限位開關傳感器的尺寸即可設計限位開關傳感器的支架，同時根據限位開關嚙合圓直徑d2設計限位開關齒盤。

結語

風電機組偏航系統實現風電機組對風發電和電纜出現扭纜后的解纜，且在軟件異常時能有效保護扭轉電纜不被扭斷，實現對風和解纜功能需要測量實際的偏航角度、電纜扭纜角度及運行方向，實現軟件異常時的電纜保護需要設計限位開關保護。在實際的樣機設計中出現過傳感器設計不合理導致偏航系統不能正常工作的情況，本文詳細介紹了測量偏航角度大小和方向的一種設計方法及偏航限位開關的設計過程，在實際工程設計方面具有重要的指導和現實意義。