科普丨什么是风电偏航系统？

风力发电作为可再生能源的代表之一，被广泛看好，许多国家甚至颁布了相关政策和法规来鼓励风力发电的发展。而风力发电机组通常设置在较高的塔架上，受风场风向的影响很大。偏航系统就是风力发电机组核心组成部分之一，它能够使风力发电机组在不同风向下旋转，实现最大风能有效利用。

（资料图： 中船科技）

定义

风电机组偏航系统，又称风向系统或方位控制系统，是风力发电机组中的一个重要子系统，位于塔筒与主机架之间。它通过感知风场的风向信号，控制整个风机机身和风轮的转向，确保风机叶片始终朝向风的方向，最大限度地捕捉风能，实现高效稳定的发电。

工作原理

风向检测：风向传感器感知风场的风向，当风向发生变化时，将风向信号传送给偏航系统控制器。

风向信号计算与传递：控制器接收风向信号，并结合风电机组的运行状态和其他参数，计算出风机转向所需的角度。如果风向偏离了预定角度，控制器将发出指令，启动偏航驱动装置。

偏航动作：偏航电机启动，带动偏航轴承旋转机舱，使机舱重新对准风向。当机舱旋转到合适的角度时，系统会停止电机并锁定位置。

锁定与制动：在机舱达到理想角度后，偏航刹车系统会将机舱固定在当前位置，防止因外界力量（如风的波动或机组震动）导致机舱不必要的旋转。

通过持续的反馈和调整，偏航系统保持风机叶片始终朝向风的方向，从而实现高效捕捉风能，提高风电机组的发电效率。

作用

1.提高风能利用效率：通过控制风电机组的方向，能够最大化地收集和利用风能，提高风能利用效率。

2.减少风电机组的振动和噪音：通过控制风电机组的方向，能够减少风电机组的振动和噪音，提高风电机组的使用寿命。

（资料图： 金风科技）

3.增强风电机组的安全性：通过控制风电机组的方向，能够确保风电机组的安全运行，避免因风向突变等原因导致的事故。

偏航系统组成

风电机组的偏航系统是一种能够控制风电机组方向的技术，它通常由传感器、控制系统和执行机构三部分组成。

1.传感器：风力发电机组偏航系统中的传感器主要包括风速传感器和风向传感器。风速传感器用于感知风的强度，而风向传感器则用于感知风的方向。

2.控制系统：控制系统是风力发电机组偏航系统的核心部分，主要包括控制算法和控制器。控制算法根据风向传感器的反馈信息计算出偏航控制参数，而控制器则将这些参数传递给执行机构。

3.执行机构：执行机构负责调整风力发电机组的朝向，使其与风向保持一致。常见的执行机构包括偏航控制器、偏航电机等。

偏航系统传感器

偏航传感器是收集外部环境信息的关键组件，通过收集气象数据，精准地掌握风向行情，并传输给偏航控制器进行处理，主要包括：风向传感器、偏航计数器、扭缆传感器、偏航驱动机构。

风向传感器：当风向发生变化时，风向标将检测到风机与主风向之间有偏离，并传递信号到偏航控制器，经过计算，偏航控制器将控制偏航驱动装置转动机舱对准主风向。

偏航计数器：偏航系统中设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度。计数器可以采用2个接近开关简单技术，也可以采用在扭缆传感器里安装编码器实现精确计数。

扭缆传感器：由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，有时由于风向的变化规律，风电机组有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定的值，将造成电缆的损坏。为了防止这种现象的发生，通常安装有扭缆传感器。扭缆传感器安装在机舱底部，通过一个尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合。当电缆的缠绕圈数过多，超过了规定的值，扭缆传感器中触点会断开，禁止偏航动作，待运维人员检查后，手动解缆，恢复机组运行，大部分机组的扭缆保护信号串入了风电机组的安全链系统。

偏航驱动机构：偏航驱动机构是将偏航控制器的指令转化为实际的偏航动作的装置。常见的偏航驱动装置有液压驱动装置和电动驱动装置两种。液压驱动装置通过控制液压缸的伸缩来实现偏航动作，而电动驱动装置则通过电机驱动来实现。

偏航系统执行机构组成

偏航执行机构主要由偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮、偏航齿圈、制动器、偏航液压回路等设备所构成。

1.偏航轴承

偏航轴承是支撑塔顶结构（包括机舱和叶片）并允许其绕垂直轴旋转的大型轴承。它需要承受巨大的径向和轴向载荷，并且要保证在恶劣环境条件下长时间稳定运行。偏航轴承通常采用四点接触球轴承或交叉滚子轴承，这些轴承具有良好的承载能力和自调心功能。

2. 偏航电机

偏航电机是偏航系统的动力源，负责驱动偏航减速机，进而带动整个机舱转动。偏航电机通常使用交流电机，为了偏航启停过程的平稳，可以增加偏航变频器实现柔性启停。

3. 偏航减速机

偏航减速机用于将偏航电机的高速低扭矩输出转换为低速高扭矩输出，以适应偏航系统的实际需求。由于偏航速度一般很低，所以减速比通常很大。行星减速机以其紧凑的结构、高效率和大承载能力而广泛应用于风力发电领域。根据机组偏航传动系统的结构需要，可以布置多个减速机驱动装置。装配时必须通过齿轮啮合间隙调整机构正确调整各个小齿轮与齿圈的相互位置，使各个齿轮副的啮合状况相一致，以避免出现卡滞或偏载问题。

（资料图： 华锐风电）

4.偏航小齿轮和偏航齿圈

偏航小齿轮安装在偏航减速机的输出轴上，通过与偏航齿圈啮合，实现机舱的旋转。小齿轮和齿圈的设计需确保足够的强度和耐磨性，同时，为了保证平稳运行，需要仔细调整两者的啮合间隙。

5.偏航制动器

偏航制动器的作用是在偏航过程中保持机舱的位置稳定，并在需要时锁定机舱，防止意外转动。制动器通常采用液压盘式制动器，可以在必要时快速响应，提供必要的制动力矩。

6. 偏航液压回路

偏航液压回路主要负责偏航制动器的控制。液压系统通过控制压力来操作偏航制动器，当偏航动作时，输送到偏航制动器的压力减小，只保留背压，保证偏航过程中稳定，当偏航不动作时，全压刹车，锁定机舱，防止机舱转动。

分类

风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。

被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种，多用于小型的独立风力发电系统。

主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。

偏航系统面临的挑战

尽管偏航系统在风力发电中扮演着重要角色，但其在实际应用中也面临一些挑战：

1.偏航疲劳：由于风的变化是频繁且不规律的，风机的偏航系统经常需要进行调整，这使得偏航电机、齿轮箱（减速器）和轴承承受较大的疲劳负荷。因此，偏航系统需要定期维护，确保其持续稳定运行。

（资料图： 中船科技）

2.偏航过度：在风向变化频繁的地区，偏航系统会频繁工作，导致系统过度磨损。如果偏航过于频繁，可能会导致系统故障或效率下降。因此，需要优化偏航控制算法，减少不必要的偏航动作。

3.刹车系统失效：偏航刹车系统如果出现故障，机舱可能在强风中无法固定，导致机舱过度旋转，增加安全风险。因此，定期检查刹车系统的可靠性是保障风机安全的必要措施。

偏航系统故障和维修

偏航系统常见故障现象：

无法偏航：风向传感器故障、电气控制系统故障、偏航电机故障、减速齿轮箱故障、偏航轴承故障。

偏航不准确：风向传感器故障、电气控制系统故障。

偏航速度过慢：偏航电机故障、减速齿轮箱故障。

偏航系统噪声过大：偏航电机故障、减速齿轮箱故障。

偏航系统发热过高：偏航电机故障。

故障检查:

观察：观察偏航系统是否有异常现象，如偏航速度过慢、偏航不准确等。

听音：用听音器检查偏航电机、减速齿轮箱等部件是否有异常声音。

触碰：用手触碰偏航电机、减速齿轮箱等部件是否有异常发热现象。

测量：使用仪表测量偏航系统的转速、扭矩、温度等参数。

维修方法：

更换损坏部件：根据故障检查的结果，更换损坏的偏航系统部件。

调整参数：调整偏航系统的控制参数，使系统恢复正常运行。

清理污垢：清理偏航电机的散热风道等部件，防止电机过热。

未来发展趋势

1.智能化控制：随着人工智能技术的不断发展，风电机组偏航控制技术将会向智能化控制方向发展。

2.多源数据融合：随着传感器技术的不断发展，将会出现更多种类的传感器，风电机组偏航控制技术将会通过多源数据融合，提高控制系统的稳定性和精度。

3.可视化控制：随着虚拟现实技术的不断发展，风电机组偏航控制技术将会向可视化控制方向发展，使操作更加直观、简单。

代表企业

运达股份

运达能源科技集团股份有限公司（运达股份）是浙江省大型国有上市企业，在国内最早从事新能源技术研究与产品开发，是中国新能源事业的拓荒者、创新者和领军者，曾研制出我国第一台并网型风力发电机组，至今深耕新能源已有50多年历史，是国内领先的新能源装备制造企业和综合能源服务企业。截至2023年12月，产品遍及国内外600余个风电场，机组最长运行时间超过20年，累计发电量超过3.6万亿千瓦时，相当于减排二氧化碳约36亿吨。

在华能富川邓家坝风电场中，运达机组针对历史运行数据对风电机组偏航系统的控制性能进行了评估分析，采用了智能偏航控制策略，根据风机状态、风况等条件，自适应智能控制偏航动作，提高对风精度，将偏航频率和里程控制在合理范围，提高发电量1.2%左右。

太重集团

太原重型机械集团有限公司（简称“太重集团”）始建于1950年，是新中国自行设计建造的第一座重型机械制造企业。太重坚持做强工业起重机、矿用挖掘机、冶金设备等传统产品，做优轨道交通部件、新能源装备、铸件锻件基础材料、高端液压泵阀、高端数控机床等战新产品，做精工程液压挖掘机、智能工程起重机、新能源智能叉车等批量产品，全力打造“3+5+3”产品体系，产品出口到全球70多个国家和地区。

太重集团提供集风资源开发、设备设计制造、总承包、风场运营、后市场运维服务为一体的综合性风电产业解决方案。公司按照资源开发、设计制造、服务运营、海陆一体的发展理念，充分发挥自身的技术和制造优势，助力新能源与清洁能源高效利用。

（资料图：太重新能源公司与山西大学研发-风电机组偏航在线监测分析系统）

新强联

洛阳新强联回转支承股份有限公司（以下简称新强联）成立于2005年，坐落于九朝古都河南省洛阳洛新产业集聚区，是一家高新技术企业。新强联以大型回转支承产品和风力发电机偏航变桨轴承及主轴承产品研发、制造、销售为主，是服务于风力发电、海工装备、港口机械、盾构机设备等行业的创新型龙头企业。

公司主要产品包括：风电主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承、海工装备起重机回转支承、盾构机轴承及关键零部件；工业锻件；锁紧盘；联轴器等。

（资料图：新强联-偏航轴承）

来源综合自：百度文库、风电电气设计、风电智慧家、译大象、半导体乐园、炫达集团