教學案例庫建設

邱聯奎　黃景濤　丁喆　徐迎曦　梁云朋

摘 要：該文以風力發電機的偏航控制為案例對象，詳細討論了教學案例設計中的幾個側重點，從原理、結構、特點和應用角度進行了分析和討論，目的在于加強理論知識和工程實踐之間的聯系，加強學生們的工程實踐能力，取得良好的教學效果。

關鍵詞：偏航控制 教學案例 風力發電機

中圖分類號：F426.61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0126-02

偏航系統是風力發電機系統的重要組成部分之一，其目的有二，一是控制風機對風的朝向，以捕獲最大的風能，以發出盡可能多的電能；二是當機艙至塔底引出電纜到達設定的扭纜角度后自動解纜。偏航系統的主要組成部分包括偏航驅動系統、偏航制動系統、偏航控制系統及必要的保護系統。該系統所要實現的主要功能有風機迎風的自動控制、在大風情況時的安全控制、扭纜限制和自動解纜控制。

在《新能源發電技術》案例教學過程中，以風力發電模塊為例，將其分為變槳、偏航、控制、安全保護等子系統，而后從某個子系統的原理、結構、特點和應用等方面入手，詳細討論該系統的各個細節，給學生留下深刻的直觀印象，使學生們很好地掌握該系統的具體設計思想和控制理念，激發創新和創造的靈感，為今后工作和學習打下堅實的基礎。

1 偏航驅動系統的機械結構

主要構成部件有偏航軸承、偏航制動器、偏航電機、偏航驅動器、偏航潤滑泵、偏航計數器與位置傳感器、電子剎車。

機艙是通過偏航軸承來與塔筒連接的，偏航軸承承載了整個機艙的機械載荷，軸承的外圈為一齒輪結構與塔筒連接，內圈與主機架連接。這樣整個機艙就相當于安裝在一個以塔筒為基礎的回轉軸承上。

減速齒輪箱是一臺大減速比的兩級行星齒輪減速齒輪箱。借助它的大減速比將驅動電機的高轉速減到一個合適速度來驅動風機的偏航動作，同時也提供了更大的驅動轉矩，其結構見圖1。

某風機采用了4臺這樣的減速齒輪箱來共同驅動風機的偏航，提供了整個偏航的動力。采用額定轉速940r/min，額定功率3kW的交流電動機作為驅動動力，根據計算采用4臺上述電動機并聯驅動整個系統完成偏航控制（見圖2）。

每臺風機有10個偏航剎車片，通過液壓系統實現對偏航剎車的控制，偏航系統未工作時剎車片全部抱閘，機艙不轉動；機艙對風偏航時，所有剎車片半松開，設置足夠的阻尼，保持機艙平穩偏航。而在自動解纜時，偏航剎車片全松開（見圖3）。

2 偏航控制系統

偏航控制包括風向標控制的自動偏航、操作面板上由人工控制的手動偏航、頂部機艙人工控制偏航、遠程控制的偏航。上述各種偏航控制的優先級由高到低依次為頂部機艙人工控制偏航、面板人工控制偏航、遠程控制偏航、風向標控制的自動對風偏航。當存在高級別的偏航控制時，系統將對優先級較低的偏航控制不予響應，并應清除原有的較低級別偏航控制請求。

在下列情況下，不允許自動偏航：（1）產生偏航故障。（2）偏航解纜動作。包括：①風機處于維護模式；②30s平均風速<2.5m/s；③緊急停機過程；④發生風向故障；⑤發生液壓故障。

風機正常運行時，大部分時間處于自動偏航狀態，這個狀態下，風機能夠捕獲盡可能多的風能，從發電機中產生出盡可能多的電能。邏輯是：自動偏航當風速在2.5～7m/s內，線性插值（15°～8°）門限。當30s平均偏航誤差大于門限值，或者1s內平均值大于1.5倍門限值，或者5min內平均值大于0.5倍門限值，則開始偏航并持續計算更新偏航時間（30-sec-YawError/25°/min）。當上述偏航條件不滿足時，最后計算的偏航時間為最終偏航時間。當偏航從偏航條件不滿足開始計時，至少要偏航一半的最終偏航時間。等到偏航了一半的最終偏航時間后，判斷1 sec yaw error。如果原來偏航是正向偏航，1 sec yaw error<1°，或者原來偏航是負向偏航，1 sec yaw error >-1°，則停止該次偏航。否則，直到最終偏航時間過去，停止該次偏航。在該次偏航未完成之前，不會進行新的偏航命令。

3 大風情況下的安全控制

在大風情況下，為保證風力發電機組的安全，宜采用90°側風控制。在90°側風控制時，應根據風向標傳感器信號，確定機艙與主風向的相對位置，使機艙走最短路徑，以最短時間偏離主風向。值得注意的是，并不是所有的風力發電機都采用了90°側風控制的策略，在今后工作和學習中，應加以注意。

4 扭纜限制和自動解纜控制

其包括扭纜傳感器控制的自動解纜和扭纜傳感器控制的安全鏈保護。當扭纜程度達到設定的扭纜圈數時扭纜傳感器將向控制系統發出解纜信號，系統將首先使機組正常關機隨后通過偏航驅動裝置，自動使電纜解繞。如果自動解纜因故未執行，那么當扭纜程度達到設定的上限值時，則應觸發安全系統，使風力發電機故障關機。此關機為不可自動恢復的故障，必須等待人工排除故障后，再進行人工解纜操作。當執行解纜操作時，系統將自動屏蔽其他的所有偏航請求，包括頂部人工偏航、面板人工偏航、遠程控制和自動偏航。為了對電纜做出更為可靠的保護，同時盡量降低解纜過程對風機發電量的影響，某型風力發電機采用了并行的兩套傳感器：傳統的凸輪傳感器和較為精確的角度數字傳感器。

5 理論與實踐相結合

在偏航子系統的學習過程中，通過理論講解和分析，幫助學生們了解偏航子系統的工作原理、機械結構、工作特點，通過電氣圖講解和討論，理清了偏航子系統具體的實現方法和手段，為同學們將來的工作和學習打下了堅實的基礎。

電氣識圖方面，以原有工程制圖為基礎，把EPLAN軟件學習作為提高，了解EPALN軟件的繪圖過程，以具體的工程圖紙為例，理解風力發電工程中各個功能的具體實現：（1）電氣接線；（2）電氣元件選型；（3）電氣元件的工作原理；（4）偏航子系統的工作原理；（5）液壓控制方面等相關知識，形成了從理論到具體實現的貫通式理解，具有原理清晰、實現方法明確的優點，極大地提高了學生學習的積極性和主動性。

6 結語

偏航案例化教學過程的探索和應用，拓寬了專業知識面，理論與實踐聯系更加緊密，加深了學生對相關專業知識的掌握程度，提高學習積極性和教學質量，值得在類似課程的教學過程中加以推廣和應用。

參考文獻

[1] 霍志紅，鄭源，左潞，等.風力發電機組控制技術[M].北京：中國水利水電出版社，2010.