淺談關于大型風力發電機組調向功率的設定

淺談關于大型風力發電機組調向功率的設定

摘　要：針對風力發電機組調向對風機構工作性能直接關系到機組的整體性能，從研究風力發電機組調向阻力矩入手，提出了確定機組調向功率需考慮的一些因素和方法。 

關鍵詞：風力發電；調向阻力矩；調向功率 

0前言
風力發電機組調向對風機構的功能是用以克服機組的調向阻力矩，確保機組在任何工況下運行時都能正對風向（即使風輪旋轉平面垂直于風向），以利于最大限度地吸收風能。
因此，調向對風機構工作性能的好壞將直接關系到風力發電機組的整體性能。為確保風力發電機組的調向機構具有良好的調向對風性能，正確、合理地確定機組的調向功率就成為風力機設計與研究工作中一項不容忽視的重要內容。 

1調向機構簡介
目前，國內外大型風力發電機組的調向對風機構一般都采用圖1所示結構。風力發電機組的 機艙和塔架分別與回轉支承的內外環聯接。當風力機偏離風向時，風向風速儀發出信號，經計算機發出指令，驅動安裝在機艙內的調向減速機構，通過安裝在調向減速機構上的小齒輪與回轉支承的大齒輪嚙合，使機艙繞塔架軸線旋轉，從而使風輪對準風向。
大型風力發電機組的調向對風機構通常采用風向風速儀及機電或電液伺服機構來實現機組的調向對風。伺服調向機構主要由以下四個部分組成：
(1) 用于接收風速、風向信號的風向風速儀；
(2) 調向機構的原動機，在機電或電液伺服機構中是電動機；
(3) 調向機構的機械傳動裝置（一般起減速作用），在機電機構中，它是減速箱，在液電機構中，它由油泵和液壓馬達組成；
(4) 齒輪副（調向機構通過安裝在減速箱輸出軸或液壓馬達上的回轉小齒輪和回轉支承裝置上的大齒輪嚙合，以實現風輪和機艙繞塔架軸線的回轉）。 

2機組的調向阻力矩
大型風力機調向機構的工作載荷主要是調向阻力矩。當風力機在運行過程中，起動調向對風時，調向阻力矩M一般由下列阻力矩組成：
M=Mw+Mp+Mf+Mz  （1）
式中：Mｆ——作用于回轉支承裝置上的摩擦阻力矩；
Mｗ——風壓力作用于機艙上所引起的風阻力矩；
Mp——調向起動時由慣性力所引起的慣性阻力矩；
Mz——使風力機運行和調向平穩而由制動器產生的阻尼力矩。
2.1回轉支承裝置的摩擦阻力矩Mｆ
回轉支承裝置的摩擦阻力矩主要是由塔架上端機組的自重、自重的偏心所引起的偏心力矩以及風載荷作用于機組上端引起的彎矩所產生。可利用(2)式求得（見文獻［1］）：

式中：μ——回轉支承裝置的摩擦系數，對金屬材料可近似地取μ＝0.01;
D0——回轉支承裝置滾道中心的直徑；
∑Ｎm由上述各種載荷引起的作用于回轉支承裝置滾道上的正壓力的總和。 

2.2作用于機艙上的風壓所引起的回轉阻力矩Mｗ
作用于機艙上的風壓所產生的回轉阻力矩Mw是由于回轉中心前后機艙的迎風面積不同引起的（見圖2）。可利用(3)式求得：
 
式中：qf——風壓力（根據參考文獻［2］確定）；
k1、k2——回轉中心前后機艙的體形系數；
F1、F2——回轉中心前后機艙的迎風面積；
l1、l2——回轉中心前后機艙形心離回轉中心的距離。
2.3由回轉慣性所引起的回轉阻力矩Mp
由慣性所引起的回轉阻力矩Mp通常由以下三部分組成：
（1） 由風輪慣性所引起的回轉阻力矩Mpf為：
 
式中：Jf——風輪的回轉慣性矩；
ω——機艙的回轉角速度。當機艙以每分鐘n圈的速度回轉時，則
t——起動時間。
(2） 由機艙慣性所引起的回轉阻力矩Mpj為：
Mpj=Jj（ω/t）
式中：Jj——機艙的回轉慣性矩。
（3） 由回轉機構旋轉零件慣性所引起的回轉阻力矩Mpr為：
 
式中：J1、J2、J3——各旋轉零件的旋轉慣性矩；
ω1、ω2、ω3——各旋轉零件的旋轉角速度；
η1、η2、η3——各旋轉零件的機械效率。
當電機軸或液壓馬達軸的角速度為ω1時，則

從上式可見，括號內的第一項比其余各項要大得多，為了便于計算，同時考慮在誤差不大的情況下，將上式改寫成為：

將各回轉慣性阻力矩相加，即可得總的回轉慣性阻力矩的計算公式為：
 
式中：η調向系統的機械傳動效率，根據經驗一般取0.8～0.85；
i——調向系統的總傳動比（i＝ω1/ω）。
2.4由制動器產生的阻尼力矩Mz
為減少風力發電機組在運行或調向時所產生的沖擊，大型風力機的調向系統一般都設置阻尼機構，其原理是利用液壓系統的低壓或背壓使調向制動器產生阻尼力矩，其值可用下式求得：
Mz=nAPmD （5）
式中：n——制動器的副數；
A——制動器油缸的活塞面積；
P——液壓系統的壓力或背壓；  
m——制動器與剎車盤之間的摩擦系數；  
D——剎車盤的工作直徑。
將式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1），即可得調向阻力矩M為：
 

3調向功率的確定
為使風力發電機組具有良好的調向對風性能，調向機構的調向功率必須足以克服機組的調向阻力矩。因此，當調向阻力矩一旦確定后，可用(7)式求得調向電機的額定功率或作用于液壓馬達軸上的輸出功率N：
 
式中：n——風力機在額定工況下運行時的回轉速度（r/min），這一參數一般在總體設計時就已確定；
Ψ——電機或液壓馬達的超載系數，當選用電動機時可由手冊查得，當選用液壓馬達時取1；
K——大于1的安全修正系數，根據經驗一般取1.2～1.3為宜。 

4結束語
由于風力發電機組的運行工況通常比較復雜，還有一些影響調向性能的因素很難一一加以考慮（如由于機艙上仰而引起的機組自重在傾斜方向產生的分力所形成的回轉阻力矩，及風力機運行時所產生的陀螺力矩等），為此，我們在公式（7）中引進了大于1的系數K來進行修正。至于K 值究竟取多大更為合理，尚需作進一步的研究與探討。

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