1、1第一章 风机的起源1.1 概述风能作为一种可再生能源越来越受到世界各国政府的重视。与此同时，对风力发电技术和装备的研究开发也日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。本文对风力发电机的主体机械部分中的变桨系统及偏航系统进行了一定的研究、分析。由于风力发电机工作环境的恶劣性，这就要求其各个部件的维护周期要长，从而便于降低维护费用，延长工作时间。首先，采用叶素理论建立了风电机组变桨距调节原理。设计了一套新型变距传动机构电动变桨距传动机构。构建了基于 CAXA 的三维实体模型，施以正弦运动律，其动态仿真结果验证了该变桨模型建立的有效性和准确性，进一步为风力机变桨距系统的优化设计奠定了基础。其
2、次，针对风力发电机偏航时的要求设计了偏航控制器，改以前的遮掩式角度传感器为绝对式数字角度传感器，增加了系统的灵敏性。1.2 风机鼻祖出神州 在我国古代也就是在商代、西周之前，就发明了一种强制送风的工具，名叫鼓风器，主要用于冶铸业。公元前 14 至前 ll 世纪的殷代时期，已开始运用了退火处理的热处理技术。在商代中朝，公元前 14 世纪，我国用陨铁制造武器，已采用了加热锻造工艺，所有这些工艺技术的发明、创造和用之于生产，都和送风工具鼓风器分不开的。 在战国时期或者更早些时，我国出现了多橐并联或串联的装置，汉代称之为“排橐”。北宁时期又发明了木风扇。从元代王祯于 1313 年所著农书中的卧式水排图
3、和熬波图来看，它的外形好像一个木箱，是利甩箱盖启闭来实现鼓风的。 在 1634 年明代宋应星著的古代科技名著天工开物中记载有木风箱，它是古老的活塞式鼓风器，一直沿用至今，可称之为现代往复式压缩机的鼻祖。木风箱两端各设有一个进风口，口上设有活瓣。箱侧设有一风道，风道侧端各设一个出风口，口上亦装有活瓣。通过伸出箱外的杆，驱动活塞往复运动，促2使活瓣一启一闭，以达到鼓风的目的。木风箱的动力有人力和水力等。 “水排”是古代以水力推动的冶铸鼓风装置。相传是东汉(公元 25221 年)初年南阳太守杜诗所发明的。在他之前，像冶铸炉鼓风的动力主要是人力和畜力。水排工作部件随着时代的不同经历了皮囊、木风扇、木风
4、箱阶段。元代水排分卧轮式和主轮式两种，是依靠连把旋转运动变成直线往复运动的一种机构。欧洲水力鼓风大约发明于 12 世纪，对 l4 世纪欧洲生铁的出现起到了促进作用，但比起我国却晚了很多年。 也不知公元前多少年，我国祖先就发明了简单的木制砻谷风车，在南方沿用至今。它有一个等宽像现代多叶离心通风机机壳那样的木板风箱，上面有可放进谷子的方形口，左水平前面有方口，木轮子置于风箱中，轮子木轴伸出，装有摇把，靠摇把下侧设有斜口，轮子前后与风箱均有空隙可进空气。当手摇动轮子时，将谷子由上口倒进，由于轮子对由轮子与风箱之空隙进去的空气做功，提高了气体压力，将谷壳和稻草末由前方口吹送出去，谷子因为比重大，就由左
5、下侧斜口流到谷袋里。这种木质砻谷风车也就是现代离心通风机、鼓风机和压缩机的鼻祖。 还有，螺旋桨式风车在我国古代也早有创造和应用，它又是轴流式风机的鼻祖。 1.3 发达国家风机登先 尽管我国古代是风机鼻祖的发源地，但由于长期的封建统治，人们的智慧受到抑制，工农业受到阻滞。工业生产的落后带来的是科学技术的落后，鼓风机械也就由盛而衰了。 18 世纪，欧洲发生工业革命，蒸汽机车的出现，钢铁工业、煤炭工业的突飞猛进，通风机、鼓风机、压缩机也就随波逐流地发展起来了。有的国家的风机产品随着钢铁产量的起落而起落；有的国家的风机产品则又随着石油、石油化工产品的产量的升降而升降。 1862 年，英国 T圭贝尔发明
6、了离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片,效率为 40左右，主要用于矿山通风。1880 年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳和后向弯曲叶片的离心通风机，3结构比较完善。1898 年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国广泛采用。19 世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但压力仅为 100300Pa，效率仅为 15%25。这种通风机，直到 20 世纪 40年代以后才得到较快的发展。1935 年，德国首先采 用轴流等压通风机作为锅炉通风机和引风机。 1948 年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机。对旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、
7、斜流通风机和横流通风机也都获得发展。 离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20 世纪出现了压力比为 4.5 的离心压缩机。50 年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。1963 年，美国生产出第一台合成氨厂用的 14.7MPa 高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受 10MPa 以上的压力。70 年代，美国、意大利和德国先后制成 6070MPa 高压筒型压缩机，筒体壁厚 280mm。80 年代初排气压力已达 80MPa。离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到 25000 转以上。所需功率可达几万千瓦，流量已达10000m
8、3 /min。离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。 轴流压缩机也是在欧洲首先出现的。19 世纪末，英国人 CA帕森斯让多级反动式汽轮机反向旋转，作为试验用轴流压缩，但由于效率很低而不能实用。20 世纪初，英国制造出第一台轴流压缩机，效率仍不高。一直到 30 年代，由于航空事业的发展，开展了对轴流压缩机气体动力学理论研究和试验研究，效率才有显著提高。亚音速级(气流速度低于声速)中压力比不大，一般不超过13。为了提高级的压力比和增大流量，人们研究跨声速和超声速压缩机，并已广泛应用于喷气发动机。1.4 世界风力发电现状地
9、球上蕴藏的风力资源十分丰富，据专家们估计，地球上可接收到的太阳能大约 2%转化成风能，装机容量就可达 10TW，每年可发出 13PW.H 的电量。如果 10%的风能得到利用，那么全球的电力需求基本就能得到解决。近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势主要呈现为以下几个特点：4世界风电工业高速发展根据全球风能委员会报告，2005 年全世界新增风电装机容量 11769 兆瓦，比上年增加 3562 兆瓦，增长 43%；新增风电总投资达 120 亿欧元或 140 亿美
10、元。截至 2005 年底，世界风电装机总容量为 59322 兆瓦，同比上年增长 25%。目前，已有 48 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。2005 年，世界风电装机容量前 6 位的国家，依次为德国 18428 兆瓦、西班牙 10027 兆瓦、美国 9149 兆瓦、印度 4430 兆瓦、丹麦 3122 兆瓦和意大利1717 兆瓦。其他一些国家包括英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的风电装机容量都达到了 1000 兆瓦。2005 年就新增装机容量而言，世界前 6 位分别为美国 2431 兆瓦，高居首位；其次是德国 1808 兆瓦；其他依次为西班牙
11、 1744 兆瓦、印度 1430 兆瓦、葡萄牙 500 兆瓦和中国 498 兆瓦。截至 2005 年底，欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量为 40500 兆瓦，占全世界风电总装机的 69%，比上年增长 18%，约提供了欧盟近 3%的电力消费量，提前实现了到 2010 年风电装机容量达到 40000 兆瓦的目标。预期到2010 年，仅风能即可实现欧盟所承担京都议定书二氧化碳减排义务的三分之一。全世界风力发电每年以 30%左右的速度增长，据预测，到 2020 年风力发电将占世界电量的 20%。风电成本逐年降低尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的。随着风电技术的改进，风电机组
12、越来越便宜和高效。增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。单就过去 5 年而言，风电的成本已经下降了 20。在一些平均风速 7m/s的地方，每千瓦装机成本为 700 欧元时，风电便可以与燃气发电竞争。根据丹麦 RIS 国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从 19812002年间，风电成本由 15.8 欧分/kWh 下降到 4.04 欧分/kWh，预计 2010 年度电成本下降至 3 欧分/kWh，2020
13、年降低至 2.34 欧分/kWh。随着技术设备的改善，5成本还可以在目前的基础上再减少 30%-50%。海上风电悄然兴起海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。到 2003 年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机 600MW，集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。目前最大的海上风电场是位于丹麦南海岸的 Nysted 风电场，容量为 165.6MW，由 72 台 Bonus2.3MW 海上风电机组组成，于 2003 年 12 月开始发电。预计到 2010 年，欧洲海上风电的装机容量将达到 10000MW。1
14、.5 国内风力发电的发展风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为 2.74109 兆瓦，其中可利用的风能为 2107 兆瓦。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。2009 年全球风力发电新增 31%，共增加 37500 兆瓦新装机容量，全球总装机容量达到 157900 兆瓦的新高峰。风能的持续增长，主要来源于世界主要市场积极的国家能源政策，以及许多国家政府将可再生能源作为其经济复苏计划有限考虑的一部分。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006 年，中国风电累计装机容量已经达到 260
15、0 兆瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007 年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2008 年中国新增风电装机容量达到 7190 兆瓦，新增装机容量增长率达到 108%，累计装机容量跃过 13000 兆瓦大关。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。2009 年以来，为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截至 2009 年底，全国累计风电装机容量达到25800
16、 兆瓦。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中6国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。第二章 风力发电机的结构与工作原理2.1 风力发电机的结构风力发电机就安装结构而言，可分为两种类型：一种是水平轴风力发电机，叶片安装在水平轴上；另一种是垂直轴风力发电机，风轮轴是垂直布置的，由叶片带动垂直轴转动，再去带动发电机进行发电。垂直轴风力发电机的增速器、联轴器、发电机、制动器等都是安装在
17、地面上的，整个机组的安装、调试和维修均比水平轴风力发电机要方便一些。但由于一些难以解决的技术问题，垂直轴风力发电机的发展和应用受到了很大的限制。下面主要介绍水平轴风力发电机的结构以及工作过程。 大型水平轴风力发电机主要由塔架、风轮、机舱以及控制系统等部件构成。塔架是风力发电机的安装支撑，一般有型钢桁架结构、混凝土结构、圆锥型钢管焊接并组装而成的 3 种结构。 风轮一般是由 23 个叶片装在轮毂上组成，是风力发电机接受风能的部件。大型风力发电机的叶片直径都在 60m 以上，有的甚至到 100 多米。 由于叶片在转动过程中，距离回转中心不同半径处叶片的线速度不相同，所接受风的能量也不相同。为了使叶
18、片各部分接受的风能大致相同，通常将叶片结构加工成从叶片根部至叶片尖部是渐缩的，同时扭转一定角度的机翼型扭曲叶片。所有的风轮叶片都应具有承受沙暴、盐雾侵袭的能力，并且具备防雷的措施。 风力发电机机舱的主要结构见图 11。 71.转盘底座 2.调向制动器 3.调向电机 4.低速端联轴器 5.增速机 6.机舱底座 7.励磁机 8.交流发电机 9.高速端联轴器 10.高速轴制动器 11.机舱 12.登高爬梯 13.变桨矩控制轴承 14.变桨矩液压油缸 15.变桨矩控制连杆 16.风轮叶片 17.风轮轮毂 18.风轮轴承 19.转盘轴承 20.三相交流电输出装置 21.风轮接合器 图 1 风力发电机机舱
19、的结构示意图 机舱是风力发电机主要的传动、控制、发电部分，由增速器、联轴器、制动器、调速装置和发电机等构成。机舱内部设有消声设施，并具有良好的通风条件 2 。机舱设有登机入口，以供登塔检修人员进入。机舱和筒式塔架具有防止小动物进入的防护设施 2 。 2.2 大型风力发电机的工作过程及原理 在自然界，风的方向是不固定的。为了使风轮在正常工作时，风轮叶片一直正对着风的方向，以充分利用风的能量，在机舱转盘底座上安装了调向机构。由调向电机和调向制动器来共同实现该功能。调向系统具有自动解缆和扭缆保护装置。 风轮的直径比较大，在运行时转速比较低。为匹配交流发电机，满足发电机的转速要求，在低速的风轮轴和高速
20、的发电机轴之间安装有增速器，使传递到发电机轴上的转速达到发电机的额定转速需求。制动器是使风力发电机停止运转的装置，也就是通常所说的刹车。 图 1 的调速结构属于可变桨矩调速装置，这种形式的调速装置是现代风力发电机的主要调速方式之一。当风速增大时，风轮的转速增加，微机系统发出指令让叶片增大安装角，用以减少叶片转速加快的趋势。此时，在电磁8阀的作用下，变桨矩液压油缸动作，拉动叶片向安装角增大的方向转动一定的角度，来使叶片所接受的风能减少，以维持风轮在额定的转速之内运行；当风速减小时，微机发出的指令信号与前述相反，变桨矩液压油缸动作，以减小叶片的安装角，使叶片所接受的风能增加，维持风轮在额定的转速范
21、围内运转。 交流发电机的防护等级应能满足防盐雾、防沙尘暴的要求。在湿度较大的地区，发电机内部还设有加热装置，以防结露。发电机的定子线圈应匹配安装测温装置，转子上还要安装测速装置。 2.3 大型风力发电机的自动控制原理 现在的大型风力发电机已经基本实现了微机自动控制、无人现场值守的工作模式。风电场的控制系统由两部分组成：一部分为就地的计算机控制系统；另一部分为主控室计算机控制系统。同时。主控室的计算机要求配备不间断电源，并与风电机组现场具有可靠的通信连接。 风力发电机的微机自动控制是将风向标、风速仪、风轮的转速、发电机的电压、电流、频率等参数，以及发电机温升、增速器温升、机舱和塔架的振动、电缆的
22、过缠绕、电网的电压、电流、频率等传感器信号，通过 A/D 转换，输送给微机，微机进行分析比较后，再按设定的程序发出各种执行指令。从而实现风力发电机组的自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障时的自动停机、自动执行电缆解绕、过振动停机以及风速过大时的自动停机等自动控制。 风电场的各风电机组群之间可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风电机组会在微机总站的微机终端和显示器上显示出来，可以进行程序的调出和修改程序等操作，实现现场无人值守的自动控制功能9第三章 偏航系统3.1 简介风力发电系统的偏航控制系统,主要分为两大类:被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风
23、力发电系统,由尾舵控制,风向改变时,被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统,由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。为了保证风力发电机组发挥最大效能,机舱必须准确对风;只有在风力发电机叶轮法线方向与风向一致时,才能确保风力机吸收的功率最大。风 力 机 的 偏 航 系 统 也 称 为 对 风 装 置 ， 其 作 用 在 于 当 风 速 矢 量 的 方向 变 化 时 ， 能 够 快 速 平 稳 地 对 准 风 向 ， 以 便 风 轮 获 得 最 大 的 风 能 。 图二 偏 航 系 统小 微 型 风 力 机 常 用 尾 舵 对 风 ， 它 主 要 有 两 部 分 组 成 ， 一 是 尾
24、 翼 ， 装 在 尾 杆 上与 风 轮 轴 平 行 或 成 一 定 的 角 度 。 为 了 避 免 尾 流 的 影 响 ， 也 可 将 尾 翼 上 翘 ， 装在 较 高 的 位 置 。 中 小 型 风 机 可 用 舵 轮 作 为 对 风 装 置 ， 其 工 作 原 理 大 致 如 下 ： 当 风 向 变 化时 ， 位 于 风 轮 后 面 两 舵 轮 （ 其 旋 转 平 面 与 风 轮 旋 转 平 面 相 垂 直 ） 旋 转 ， 并 通过 一 套 齿 轮 传 动 系 统 使 风 轮 偏 转 ， 当 风 轮 重 新 对 准 风 向 后 ， 舵 轮 停 止 转 动 ，对 风 过 程 结 束 。 大
25、中 型 风 力 机 一 般 采 用 电 动 的 偏 航 系 统 来 调 整 风 轮 并 使 其 对 准 风 向 。 偏航 系 统 一 般 包 括 感 应 风 向 的 风 向 标 ， 偏 航 电 机 ， 偏 航 行 星 齿 轮 减 速 器 ， 回 转体 大 齿 轮 等 。 其 工 作 原 理 如 下 ： 风 向 标 作 为 感 应 元 件 将 风 向 的 变 化 用 电 信 号 传 递 到 偏 航 电 机 的 控 制 回 路的 处 理 器 里 ， 经 过 比 较 后 处 理 器 给 偏 航 电 机 发 出 顺 时 针 或 逆 时 针 的 偏 航 命 令 ，为 了 减 少 偏 航 时 的 陀 螺
26、力 矩 ， 电 机 转 速 将 通 过 同 轴 联 接 的 减 速 器 减 速 后 ， 将偏 航 力 矩 作 用 在 回 转 体 大 齿 轮 上 ， 带 动 风 轮 偏 航 对 风 ， 当 对 风 完 成 后 ， 风向 标 失 去 电 信 号 ， 电 机 停 止 工 作 ， 偏 航 过 程 结 束 .10以前的风力发电控制系统硬件主电路主要采用一片 89C51 单片机和两片可编程 8255A 并行口 I/O 接口芯片组成,硬件电路如图二 所示;后来采用单片机AT89S52 和三片 8155H 并行口 I/O 接口芯片组成,二者的控制方式和原理是相同的,存在的主要缺陷是,采用这样的控制器,其实时
27、性和数据处理速度不够好。随着系统的控制性能不断提升,采用单片机作为偏航控制器已逐渐被性能更好、处理速度更快、实时性更高的 DSP 和嵌入式系统所替代。本系统硬件电路采用DSP 作为系统偏航控制器。3.2 偏航系统的组成风力机的偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成，其中偏航控制机构包括：风向传感器、偏航控制器、解缆传感器；机械驱动机构包括：偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，机械驱动机构则是偏航系统的执行机构。3.2.1 风向传感器 3风向传感器，是一种以风向箭头的转动探测、感受外界的风向信息，并将其传递给同轴码盘，同时输出对应风向相关数值的物理装置。风向传感器可测量室外环境中的近地风向，按工作原理可分为光电式、电压式和罗盘式等，被广泛应用于气象、海洋、环境、农业、林业、水利、电力、科研等领域。3.2.1.1 风向传感器的构造风向传感器由风杯、传感器主体、电路模块、传输电缆等装置构成。风向传感器的风杯通常由高耐候性、高强度、防腐蚀和防水金属制造；传感器主体一般使用铝镁合金成形，内部电路经过喷涂三防漆处理，可适应恶劣环境；电路模块具有极可靠的抗电磁干扰能力和高低电压保护能力，可确保主机在-2060，湿度 1095的环境中正常工作。3.2.1.2 风向传感器基本原理
