風力發(fā)電作為可再生能源的代表之一，被廣泛看好，許多國家甚至頒布了相關(guān)政策和法規(guī)來鼓勵風力發(fā)電的發(fā)展。而風力發(fā)電機組通常設(shè)置在較高的塔架上，受風場風向的影響很大。偏航系統(tǒng)就是風力發(fā)電機組核心組成部分之一，它能夠使風力發(fā)電機組在不同風向下旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)最大風能有效利用。

（資料圖： 中船科技）

定義

風電機組偏航系統(tǒng)，又稱風向系統(tǒng)或方位控制系統(tǒng)，是風力發(fā)電機組中的一個重要子系統(tǒng)，位于塔筒與主機架之間。它通過感知風場的風向信號，控制整個風機機身和風輪的轉(zhuǎn)向，確保風機葉片始終朝向風的方向，最大限度地捕捉風能，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的發(fā)電。

工作原理

風向檢測：風向傳感器感知風場的風向，當風向發(fā)生變化時，將風向信號傳送給偏航系統(tǒng)控制器。

風向信號計算與傳遞：控制器接收風向信號，并結(jié)合風電機組的運行狀態(tài)和其他參數(shù)，計算出風機轉(zhuǎn)向所需的角度。如果風向偏離了預(yù)定角度，控制器將發(fā)出指令，啟動偏航驅(qū)動裝置。

偏航動作：偏航電機啟動，帶動偏航軸承旋轉(zhuǎn)機艙，使機艙重新對準風向。當機艙旋轉(zhuǎn)到合適的角度時，系統(tǒng)會停止電機并鎖定位置。

鎖定與制動：在機艙達到理想角度后，偏航剎車系統(tǒng)會將機艙固定在當前位置，防止因外界力量（如風的波動或機組震動）導(dǎo)致機艙不必要的旋轉(zhuǎn)。

通過持續(xù)的反饋和調(diào)整，偏航系統(tǒng)保持風機葉片始終朝向風的方向，從而實現(xiàn)高效捕捉風能，提高風電機組的發(fā)電效率。

作用

1.提高風能利用效率：通過控制風電機組的方向，能夠最大化地收集和利用風能，提高風能利用效率。

2.減少風電機組的振動和噪音：通過控制風電機組的方向，能夠減少風電機組的振動和噪音，提高風電機組的使用壽命。

（資料圖： 金風科技）

3.增強風電機組的安全性：通過控制風電機組的方向，能夠確保風電機組的安全運行，避免因風向突變等原因?qū)е碌氖鹿省?/p>

偏航系統(tǒng)組成

風電機組的偏航系統(tǒng)是一種能夠控制風電機組方向的技術(shù)，它通常由傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。

1.傳感器：風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)中的傳感器主要包括風速傳感器和風向傳感器。風速傳感器用于感知風的強度，而風向傳感器則用于感知風的方向。

2.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的核心部分，主要包括控制算法和控制器?？刂扑惴ǜ鶕?jù)風向傳感器的反饋信息計算出偏航控制參數(shù)，而控制器則將這些參數(shù)傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。

3.執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)負責調(diào)整風力發(fā)電機組的朝向，使其與風向保持一致。常見的執(zhí)行機構(gòu)包括偏航控制器、偏航電機等。

偏航系統(tǒng)傳感器

偏航傳感器是收集外部環(huán)境信息的關(guān)鍵組件，通過收集氣象數(shù)據(jù)，精準地掌握風向行情，并傳輸給偏航控制器進行處理，主要包括：風向傳感器、偏航計數(shù)器、扭纜傳感器、偏航驅(qū)動機構(gòu)。

風向傳感器：當風向發(fā)生變化時，風向標將檢測到風機與主風向之間有偏離，并傳遞信號到偏航控制器，經(jīng)過計算，偏航控制器將控制偏航驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動機艙對準主風向。

偏航計數(shù)器：偏航系統(tǒng)中設(shè)有偏航計數(shù)器，偏航計數(shù)器的作用是用來記錄偏航系統(tǒng)所運轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當偏航系統(tǒng)的偏航圈數(shù)達到計數(shù)器的設(shè)定條件時，則觸發(fā)自動解纜動作，機組進行自動解纜并復(fù)位。計數(shù)器的設(shè)定條件是根據(jù)機組懸垂部分電纜的允許扭轉(zhuǎn)角度來確定的，其原則是要小于電纜所允許扭轉(zhuǎn)的角度。計數(shù)器可以采用2個接近開關(guān)簡單技術(shù)，也可以采用在扭纜傳感器里安裝編碼器實現(xiàn)精確計數(shù)。

扭纜傳感器：由于風力機總是選擇最短距離最短時間內(nèi)偏航對風，有時由于風向的變化規(guī)律，風電機組有可能長時間往一個方向偏航對風，這樣就會造成電纜的纏繞，如果纏繞圈過多，超過了規(guī)定的值，將造成電纜的損壞。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常安裝有扭纜傳感器。扭纜傳感器安裝在機艙底部，通過一個尼龍齒輪與偏航大齒圈嚙合。當電纜的纏繞圈數(shù)過多，超過了規(guī)定的值，扭纜傳感器中觸點會斷開，禁止偏航動作，待運維人員檢查后，手動解纜，恢復(fù)機組運行，大部分機組的扭纜保護信號串入了風電機組的安全鏈系統(tǒng)。

偏航驅(qū)動機構(gòu)：偏航驅(qū)動機構(gòu)是將偏航控制器的指令轉(zhuǎn)化為實際的偏航動作的裝置。常見的偏航驅(qū)動裝置有液壓驅(qū)動裝置和電動驅(qū)動裝置兩種。液壓驅(qū)動裝置通過控制液壓缸的伸縮來實現(xiàn)偏航動作，而電動驅(qū)動裝置則通過電機驅(qū)動來實現(xiàn)。

偏航系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)組成

偏航執(zhí)行機構(gòu)主要由偏航軸承、偏航電機、偏航減速機、偏航小齒輪、偏航齒圈、制動器、偏航液壓回路等設(shè)備所構(gòu)成。

1.偏航軸承

偏航軸承是支撐塔頂結(jié)構(gòu)（包括機艙和葉片）并允許其繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的大型軸承。它需要承受巨大的徑向和軸向載荷，并且要保證在惡劣環(huán)境條件下長時間穩(wěn)定運行。偏航軸承通常采用四點接觸球軸承或交叉滾子軸承，這些軸承具有良好的承載能力和自調(diào)心功能。

2. 偏航電機

偏航電機是偏航系統(tǒng)的動力源，負責驅(qū)動偏航減速機，進而帶動整個機艙轉(zhuǎn)動。偏航電機通常使用交流電機，為了偏航啟停過程的平穩(wěn)，可以增加偏航變頻器實現(xiàn)柔性啟停。

3. 偏航減速機

偏航減速機用于將偏航電機的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩輸出，以適應(yīng)偏航系統(tǒng)的實際需求。由于偏航速度一般很低，所以減速比通常很大。行星減速機以其緊湊的結(jié)構(gòu)、高效率和大承載能力而廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電領(lǐng)域。根據(jù)機組偏航傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要，可以布置多個減速機驅(qū)動裝置。裝配時必須通過齒輪嚙合間隙調(diào)整機構(gòu)正確調(diào)整各個小齒輪與齒圈的相互位置，使各個齒輪副的嚙合狀況相一致，以避免出現(xiàn)卡滯或偏載問題。

（資料圖： 華銳風電）

4.偏航小齒輪和偏航齒圈

偏航小齒輪安裝在偏航減速機的輸出軸上，通過與偏航齒圈嚙合，實現(xiàn)機艙的旋轉(zhuǎn)。小齒輪和齒圈的設(shè)計需確保足夠的強度和耐磨性，同時，為了保證平穩(wěn)運行，需要仔細調(diào)整兩者的嚙合間隙。

5.偏航制動器

偏航制動器的作用是在偏航過程中保持機艙的位置穩(wěn)定，并在需要時鎖定機艙，防止意外轉(zhuǎn)動。制動器通常采用液壓盤式制動器，可以在必要時快速響應(yīng)，提供必要的制動力矩。

6. 偏航液壓回路

偏航液壓回路主要負責偏航制動器的控制。液壓系統(tǒng)通過控制壓力來操作偏航制動器，當偏航動作時，輸送到偏航制動器的壓力減小，只保留背壓，保證偏航過程中穩(wěn)定，當偏航不動作時，全壓剎車，鎖定機艙，防止機艙轉(zhuǎn)動。

分類

風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。

被動偏航指的是依靠風力通過相關(guān)機構(gòu)完成機組風輪對風動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風向三種，多用于小型的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)。

主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風力發(fā)電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。

偏航系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

盡管偏航系統(tǒng)在風力發(fā)電中扮演著重要角色，但其在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)：

1.偏航疲勞：由于風的變化是頻繁且不規(guī)律的，風機的偏航系統(tǒng)經(jīng)常需要進行調(diào)整，這使得偏航電機、齒輪箱（減速器）和軸承承受較大的疲勞負荷。因此，偏航系統(tǒng)需要定期維護，確保其持續(xù)穩(wěn)定運行。

（資料圖： 中船科技）

2.偏航過度：在風向變化頻繁的地區(qū)，偏航系統(tǒng)會頻繁工作，導(dǎo)致系統(tǒng)過度磨損。如果偏航過于頻繁，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)故障或效率下降。因此，需要優(yōu)化偏航控制算法，減少不必要的偏航動作。

3.剎車系統(tǒng)失效：偏航剎車系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障，機艙可能在強風中無法固定，導(dǎo)致機艙過度旋轉(zhuǎn)，增加安全風險。因此，定期檢查剎車系統(tǒng)的可靠性是保障風機安全的必要措施。

偏航系統(tǒng)故障和維修

偏航系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象：

無法偏航：風向傳感器故障、電氣控制系統(tǒng)故障、偏航電機故障、減速齒輪箱故障、偏航軸承故障。

偏航不準確：風向傳感器故障、電氣控制系統(tǒng)故障。

偏航速度過慢：偏航電機故障、減速齒輪箱故障。

偏航系統(tǒng)噪聲過大：偏航電機故障、減速齒輪箱故障。

偏航系統(tǒng)發(fā)熱過高：偏航電機故障。

故障檢查:

觀察：觀察偏航系統(tǒng)是否有異常現(xiàn)象，如偏航速度過慢、偏航不準確等。

聽音：用聽音器檢查偏航電機、減速齒輪箱等部件是否有異常聲音。

觸碰：用手觸碰偏航電機、減速齒輪箱等部件是否有異常發(fā)熱現(xiàn)象。

測量：使用儀表測量偏航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等參數(shù)。

維修方法：

更換損壞部件：根據(jù)故障檢查的結(jié)果，更換損壞的偏航系統(tǒng)部件。

調(diào)整參數(shù)：調(diào)整偏航系統(tǒng)的控制參數(shù)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

清理污垢：清理偏航電機的散熱風道等部件，防止電機過熱。

未來發(fā)展趨勢

1.智能化控制：隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，風電機組偏航控制技術(shù)將會向智能化控制方向發(fā)展。

2.多源數(shù)據(jù)融合：隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，將會出現(xiàn)更多種類的傳感器，風電機組偏航控制技術(shù)將會通過多源數(shù)據(jù)融合，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

3.可視化控制：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，風電機組偏航控制技術(shù)將會向可視化控制方向發(fā)展，使操作更加直觀、簡單。

代表企業(yè)

運達股份

運達能源科技集團股份有限公司（運達股份）是浙江省大型國有上市企業(yè)，在國內(nèi)最早從事新能源技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)，是中國新能源事業(yè)的拓荒者、創(chuàng)新者和領(lǐng)軍者，曾研制出我國第一臺并網(wǎng)型風力發(fā)電機組，至今深耕新能源已有50多年歷史，是國內(nèi)領(lǐng)先的新能源裝備制造企業(yè)和綜合能源服務(wù)企業(yè)。截至2023年12月，產(chǎn)品遍及國內(nèi)外600余個風電場，機組最長運行時間超過20年，累計發(fā)電量超過3.6萬億千瓦時，相當于減排二氧化碳約36億噸。

在華能富川鄧家壩風電場中，運達機組針對歷史運行數(shù)據(jù)對風電機組偏航系統(tǒng)的控制性能進行了評估分析，采用了智能偏航控制策略，根據(jù)風機狀態(tài)、風況等條件，自適應(yīng)智能控制偏航動作，提高對風精度，將偏航頻率和里程控制在合理范圍，提高發(fā)電量1.2%左右。

太重集團

太原重型機械集團有限公司（簡稱“太重集團”）始建于1950年，是新中國自行設(shè)計建造的第一座重型機械制造企業(yè)。太重堅持做強工業(yè)起重機、礦用挖掘機、冶金設(shè)備等傳統(tǒng)產(chǎn)品，做優(yōu)軌道交通部件、新能源裝備、鑄件鍛件基礎(chǔ)材料、高端液壓泵閥、高端數(shù)控機床等戰(zhàn)新產(chǎn)品，做精工程液壓挖掘機、智能工程起重機、新能源智能叉車等批量產(chǎn)品，全力打造“3+5+3”產(chǎn)品體系，產(chǎn)品出口到全球70多個國家和地區(qū)。

太重集團提供集風資源開發(fā)、設(shè)備設(shè)計制造、總承包、風場運營、后市場運維服務(wù)為一體的綜合性風電產(chǎn)業(yè)解決方案。公司按照資源開發(fā)、設(shè)計制造、服務(wù)運營、海陸一體的發(fā)展理念，充分發(fā)揮自身的技術(shù)和制造優(yōu)勢，助力新能源與清潔能源高效利用。

（資料圖：太重新能源公司與山西大學研發(fā)-風電機組偏航在線監(jiān)測分析系統(tǒng)）

新強聯(lián)

洛陽新強聯(lián)回轉(zhuǎn)支承股份有限公司（以下簡稱新強聯(lián)）成立于2005年，坐落于九朝古都河南省洛陽洛新產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，是一家高新技術(shù)企業(yè)。新強聯(lián)以大型回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)品和風力發(fā)電機偏航變槳軸承及主軸承產(chǎn)品研發(fā)、制造、銷售為主，是服務(wù)于風力發(fā)電、海工裝備、港口機械、盾構(gòu)機設(shè)備等行業(yè)的創(chuàng)新型龍頭企業(yè)。

公司主要產(chǎn)品包括：風電主軸軸承、偏航軸承、變槳軸承、海工裝備起重機回轉(zhuǎn)支承、盾構(gòu)機軸承及關(guān)鍵零部件；工業(yè)鍛件；鎖緊盤；聯(lián)軸器等。

（資料圖：新強聯(lián)-偏航軸承）

來源綜合自：百度文庫、風電電氣設(shè)計、風電智慧家、譯大象、半導(dǎo)體樂園、炫達集團