风力发电偏航轴承发展综述

郑力全

摘要：随着社会的发展，能源危机以及环境问题日益严重。风能作为一种清洁可再生资源，越来越受到各国的重视[1]。水平轴风力发电机组因转换率高，适宜做大型化发电机组而在世界范围得到广泛应用。偏航系统对水平轴风力发电机组的风力利用率起到关键的作用，作为偏航系统的关键部件，偏航轴承的性能就更显得重要。

关键词：风；发电；偏航；轴承；专利

自然界中风向是随时变化的，对于水平轴风力发电机组来说，风轮常常不能正对风向，即处于偏航运行状态，此时风轮效率较低，为了保证风机在运行过程中能够最大限度的捕捉风能，使风轮始终处于迎风状态，常常需要偏航系统来帮助风机自动对风。此外，偏航系统还可以提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。

根据对风方式的不同，偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统，主动偏航指的是根据控制信号采用电力或液压拖动来带动整个风轮的转动；被动偏航指的是依靠风力通过相关结构完成对风动作，常见的有尾舵、舵轮和下风向自动对风等[1]。目前大型兆瓦级风电机组多采用主动偏航系统，因此本文着重介绍主动偏航系统。

1偏航轴承概况

水平轴风力发电机组具有风能转换效率高的特点，因而成为了世界风电的主流机型。偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的组成系统之一。作为偏航系统的主要组成部分，偏航轴承除了起到对风作用以外，还承受风力发电机重量，并提供必要的锁紧力矩，以保证风力发电机的正常运转。

目前，国内开发生产的风机轴承主要是变速器轴承和电机轴承，但性能和寿命还达不到要求。因此，90%左右的变速器轴承和电机轴承仍然依赖进口。偏航轴承总成和风叶主轴轴承总成还在研制之中，国内除洛轴、瓦轴等大型国有企业有少量试制外，很少有厂家生产，在国内基本属于空白。

风机轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架设计和加工制造方法等。国内目前的技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，但近几年来我国的一些研究单位在这些方面已经取得了一些突破性的研究成果，这必将加速风机轴承国产化的进程。

1.1分类

偏航系统一般由齿圈（带齿的轴承环）、偏航齿轮和驱动电机及摩擦制动器或偏航刹车（摩擦制动器或偏航刹车一般仅存在齿轮驱动式偏航系统中）组成。偏航系统的偏航轴承可以分为滚动型和滑动型。

滚动轴承由外圈、内圈及轴承内、外圈之间的滚动体组成。轴承外圈固定于塔架上，轴承内圈通过高强度螺栓装配在主机架上。通过固定在主机架上电机带动外圈，从而带动主机架转动，实现对风。滑动式轴承的润滑是垫片干摩擦下的自润滑，相对运动件之间的摩擦力矩由垫片的粗糙度来决定，因而滑动衬片上的固体摩擦材料经过摩擦需保证自润滑，具有合适的摩擦力矩，同时还要控制磨粒材料磨损速度不能过快而造成滑动衬片寿命减少，所以对偏航齿圈表面粗糙度有更高的技术要求[3]。

1.2工作条件

偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。由于风力机组常年在野外作业，工况条件非常恶劣，会遭受风雨、沙尘暴、海水等各种气候的影响；并且偏航轴承需要及时跟随风向和风速变化，还要承受巨大的倾覆力矩和冲击载荷。

2偏航轴承结构分析

可以看出在2005年以前，针对偏航轴承的发明量较少，说明世界对偏航轴承的研发力度以及关注度都不高，通过对比国内外的专利申请可知，美国通用电气、德国西门子、丹麦维斯塔斯等国外公司依旧掌握着较为先进的技术，其专利转换成产品的比率较高，而国内目前主要有洛阳轴承集团和瓦房店轴承集团等少数公司拥有较多申请量。

3偏航轴承发展趋势

能源短缺问题日益严重，风能形式的清洁可再生能源因而愈发受重视。为提高风力发电装机容量和机组功率，风力发电机正朝着大型化方向发展，通过对目前偏航轴承各方向的专利分布分析可知，偏航轴承的专利总数仍然较低，偏航轴承各方面技术都还有待挖掘，结合自身对偏航轴承领域的认识，笔者认为偏航轴承还存在以下几个方面的发展趋势：

（1）大型风力发电机依旧以滑动轴承为主，其滑动垫片的材料性能、粗糙度等方面的研究将逐渐加深；

（2）滚动轴承利用润滑油进行润滑，而润滑油的溢出将会影响风力发电机其他部件或污染环境，且润滑油通路很大程度决定了轴承的润滑效果，涉及滚动轴承的润滑油回收技术、润滑油内部通道的技术会日将增多；

（3）众所周知，目前的偏航系统多数仅存在单个轴承，单个轴承承载同时承受较大的径向和轴向载荷，改变单个轴承载荷的新型的偏航轴承支撑结构还有待进一步研究；

（4）风力发电设备越来越多，风力发电各组成部分的废旧部件的重复利用问题还有待研究。

4偏航控制的控制算法

采用模糊PID控制器能够选择合适的，克服风机起停过程中大惯性的影响，加快偏航响应速度：

比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性的被控对象存在静差。加入积分调节后积分，虽然可以消除静差，但其代价是降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但要对偏差量作出反应，而且要按偏差的变化趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。因此为了达到控制目的，首先要选择PID控制。

用模糊自适应整定PID控制对偏航机构进行控制，具体方法是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断地检测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动静态性能。：

PID参数整定必须考虑到在不同风向角与偏航角时三个参数的作用以及相互之间的互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对三个参数分别整定的模糊控制表。首先建立的模糊控制规则表，再根据如下方法进行的自适应校正。

将e和ec的变化范围定义为模糊集上的论域。

其模糊子集为，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设e、ec和均服从三角函数分布，因此可以得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算。其中为修正后的参数值，为修正前的参数值。运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的自校正。

5偏航控制的实现

模糊自适应PID控制器的实现方法是，先在PLC存储器中根据模糊规则建立模糊规则表，再通过输入进行查表确定并经过矫正后得到参数。再将参数送到“PID-Compact”指令中，其输出值即为控制量。具体步骤如下：

（1）在Matlab中，打开模糊推理编辑器，并将编辑abc.fis文件。建立偏差e、偏差变化率ec和控制输出量的隶属函数，它们的论域范围取为[-6，6]，隶属函数七个三角形函数，模糊子集分别取名为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。在FisEditor界面中，双击abc（mamdani）图标，进入RuleEditor模糊控制规则编辑器中，增加相应的模糊控制规则：

（2）在Matlab命令窗口利用evalfis函数计算模糊控制表，其程序，得到的模糊控制表。经整理后得到的Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则表。

（3）在程序中，PLC中的功能块包括：主程序块OB1，实现对整个程序的总体控制；功能块FB实现对采集信号的运算处理，量化误差和误差变化率，实现控制表的查询以及PID参数的在线调整，从而最终完成模糊PID控制。

（4）将离线得到的的控制量表按照先行后列、先左后右的顺序依次存入PLC的全局数据块中，而且为了简化程序将输入论域元素[-6，6]转换为[0，12]。这样控制量的基址为0，偏移地址由e×13+ec决定。然后将寻址得到的相应控制量依次存入对应的存储区中。再将该存储区中的数据乘上相应的比例因子，即得到实际的的数值，并把其进行修正得到。最后，利用“MOVE”指令将各个数值传递到PID控制器相应的参数位，最终实现模糊PID控制器。

6偏航驱动力矩

偏航驱动必须具有足够的动力克服风载产生的偏航力矩加上偏航轴承的摩擦力矩[3]。其中偏航轴承的摩擦力矩主要由偏航夹钳的夹持力来提供。此外，当机组处于极端恶劣风况下时，电机制动力矩加上偏航夹钳抱紧力矩需能抵抗住风载产生的偏航力矩，从而保证机组的安全性（见公式1和2）。驱动电机的选型主要取决于偏航的速度、外部风载荷、偏航驱动电机和夹钳数量等需要考虑的是若直接根据极限载荷来确定电机的极限扭矩往往会导致偏航电机尺寸和功率非常庞大，造成一定的浪费，所以偏航电机在选型时会综合考虑，要求大多数情况下偏航电机能够驱动整个机舱转动，在非常极端的情况下可以允许偏航动力不足，主要是因为极端工况发生的概率较低，风轮不对风不会造成很大的发电量损失，且对于机组的安全及成本的降低非常有利，但此时要保证偏航电机制动力矩及偏航夹钳的制动力矩能够共同抵抗持续的极限载荷，保证机舱不会随风转动。偏航齿轮的校核往往以偏航电机所提供极限扭矩做为校核依据。

参考文献：

[1]杨晓蔚.风电产业、风电设备及风电轴承[J].轴承，2009（12）：54-59.

[2]苏凤宇，史航.浅析滑动轴承偏航制动系统在大型风力发电机中的应用[J].农村牧区机械化，2010（02）：36-38.

作者简介：

郑力全，身份证号15280119891117xxxx