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摘要：
针对大型风力发电机组偏航系统进行了研究，阐述了偏航速度、制动力矩等关键参数的设计方法，并提出了相关建议，对于工程应用具有参考价值。
【关键词】风力发电机 偏航系统 偏航误差 载荷
中图分类号：TK81 文献标志码：A 文章编号：
Abstract： The large wind turbine yaw system were studied. It described the design method of some key parameters such as speed and yaw brake torque.. It give some suggestions and provided reference value for engineering application.
Keywords： wind turbine； yaw system； yaw error； load
1.偏航系统概述
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。
2.偏航系统关键参数的确定
偏航系统的设计在整个机组设计中处于关键地位，因为它会影响主机架的尺寸及塔架顶部法兰的尺寸及螺栓的选择等；偏航系统尺寸的大小取决于机组功率的大小、风轮直径的大小、现场的风资源条件、偏航速度等。
2.1偏航速度
为了避免风轮陀螺效应的产生，偏航速度一般不超过15/R，其中R为风轮半径。偏航速度通常小于1度/秒，为了达到这样小的偏航速度，驱动电机需要通过减速齿轮箱连接。
2.2偏航制动力矩
功率输出、湍流、风切变以及很小的不可避免的偏航误差都会造成作用在塔筒轴上的力矩增加。为了保持机舱就位而不损伤齿轮，常用的方法是安装制动盘与偏航轴承连接，偏航夹钳夹持住制动盘。偏航不动作时，机舱通过偏航夹钳抱紧制动盘。偏航动作时，为了防止出现极限风载，偏航夹钳不是完全释放，而是将夹持力矩减少为抱紧力矩的30%左右，此外也可以提供系统阻尼，提高系统稳定性。
2.3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。
3.总结
分析了风电机组偏航系统的偏航速度、制动力矩等关键参数的设计方法，依托先进的仿真计算软件，研究了偏航误差对机组发电量以及塔底载荷的影响，并提出的相关技术建议，这为风电机组偏航系统的设计、校核以及选型提供了参考，对于工程应用具有实用价值。
参考文献：
[1] Tony Burton等.风能技术. 北京：科学出版社，2008.
[2] 杨兴满，何玉林，金鑫等. 风力机总体.性能分析与仿真. 现代制造工程，2007.
[3] Germanischer Lloyd 2003 Guideline for the Certification of Wind Turbines， edition 2003， with supplement 2004， Hamburg.
针对大型风力发电机组偏航系统进行了研究，阐述了偏航速度、制动力矩等关键参数的设计方法，并提出了相关建议，对于工程应用具有参考价值。
【关键词】风力发电机 偏航系统 偏航误差 载荷
中图分类号：TK81 文献标志码：A 文章编号：
Abstract： The large wind turbine yaw system were studied. It described the design method of some key parameters such as speed and yaw brake torque.. It give some suggestions and provided reference value for engineering application.
Keywords： wind turbine； yaw system； yaw error； load
1.偏航系统概述
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。
2.偏航系统关键参数的确定
偏航系统的设计在整个机组设计中处于关键地位，因为它会影响主机架的尺寸及塔架顶部法兰的尺寸及螺栓的选择等；偏航系统尺寸的大小取决于机组功率的大小、风轮直径的大小、现场的风资源条件、偏航速度等。
2.1偏航速度
为了避免风轮陀螺效应的产生，偏航速度一般不超过15/R，其中R为风轮半径。偏航速度通常小于1度/秒，为了达到这样小的偏航速度，驱动电机需要通过减速齿轮箱连接。
2.2偏航制动力矩
功率输出、湍流、风切变以及很小的不可避免的偏航误差都会造成作用在塔筒轴上的力矩增加。为了保持机舱就位而不损伤齿轮，常用的方法是安装制动盘与偏航轴承连接，偏航夹钳夹持住制动盘。偏航不动作时，机舱通过偏航夹钳抱紧制动盘。偏航动作时，为了防止出现极限风载，偏航夹钳不是完全释放，而是将夹持力矩减少为抱紧力矩的30%左右，此外也可以提供系统阻尼，提高系统稳定性。
2.3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。
3.总结
分析了风电机组偏航系统的偏航速度、制动力矩等关键参数的设计方法，依托先进的仿真计算软件，研究了偏航误差对机组发电量以及塔底载荷的影响，并提出的相关技术建议，这为风电机组偏航系统的设计、校核以及选型提供了参考，对于工程应用具有实用价值。
参考文献：
[1] Tony Burton等.风能技术. 北京：科学出版社，2008.
[2] 杨兴满，何玉林，金鑫等. 风力机总体.性能分析与仿真. 现代制造工程，2007.
[3] Germanischer Lloyd 2003 Guideline for the Certification of Wind Turbines， edition 2003， with supplement 2004， Hamburg.