風力發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政策和法規來鼓勵風力發電的發展。而風力發電機組通常設置在較高的塔架上，受風場風向的影響很大。偏航系統就是風力發電機組核心組成部分之一，它能夠使風力發電機組在不同風向下旋轉，實現最大風能有效利用。

（資料圖： 中船科技）

定義

風電機組偏航系統，又稱風向系統或方位控制系統，是風力發電機組中的一個重要子系統，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，實現高效穩定的發電。

工作原理

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

風向信號計算與傳遞：控制器接收風向信號，并結合風電機組的運行狀態和其他參數，計算出風機轉向所需的角度。如果風向偏離了預定角度，控制器將發出指令，啟動偏航驅動裝置。

偏航動作：偏航電機啟動，帶動偏航軸承旋轉機艙，使機艙重新對準風向。當機艙旋轉到合適的角度時，系統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）導致機艙不必要的旋轉。

通過持續的反饋和調整，偏航系統保持風機葉片始終朝向風的方向，從而實現高效捕捉風能，提高風電機組的發電效率。

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導致的事故。

偏航系統組成

風電機組的偏航系統是一種能夠控制風電機組方向的技術，它通常由傳感器、控制系統和執行機構三部分組成。

1.傳感器：風力發電機組偏航系統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：控制系統是風力發電機組偏航系統的核心部分，主要包括控制算法和控制器。控制算法根據風向傳感器的反饋信息計算出偏航控制參數，而控制器則將這些參數傳遞給執行機構。

3.執行機構：執行機構負責調整風力發電機組的朝向，使其與風向保持一致。常見的執行機構包括偏航控制器、偏航電機等。

偏航系統傳感器

偏航傳感器是收集外部環境信息的關鍵組件，通過收集氣象數據，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、偏航計數器、扭纜傳感器、偏航驅動機構。

風向傳感器：當風向發生變化時，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，經過計算，偏航控制器將控制偏航驅動裝置轉動機艙對準主風向。

偏航計數器：偏航系統中設有偏航計數器，偏航計數器的作用是用來記錄偏航系統所運轉的圈數，當偏航系統的偏航圈數達到計數器的設定條件時，則觸發自動解纜動作，機組進行自動解纜并復位。計數器的設定條件是根據機組懸垂部分電纜的允許扭轉角度來確定的，其原則是要小于電纜所允許扭轉的角度。計數器可以采用2個接近開關簡單技術，也可以采用在扭纜傳感器里安裝編碼器實現精確計數。

扭纜傳感器：由于風力機總是選擇最短距離最短時間內偏航對風，有時由于風向的變化規律，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，超過了規定的值，將造成電纜的損壞。為了防止這種現象的發生，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。當電纜的纏繞圈數過多，超過了規定的值，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。

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

偏航系統執行機構組成

偏航執行機構主要由偏航軸承、偏航電機、偏航減速機、偏航小齒輪、偏航齒圈、制動器、偏航液壓回路等設備所構成。

1.偏航軸承

偏航軸承是支撐塔頂結構（包括機艙和葉片）并允許其繞垂直軸旋轉的大型軸承。它需要承受巨大的徑向和軸向載荷，并且要保證在惡劣環境條件下長時間穩定運行。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心功能。

2. 偏航電機

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

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換為低速高扭矩輸出，以適應偏航系統的實際需求。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構、高效率和大承載能力而廣泛應用于風力發電領域。根據機組偏航傳動系統的結構需要，可以布置多個減速機驅動裝置。裝配時必須通過齒輪嚙合間隙調整機構正確調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，實現機艙的旋轉。小齒輪和齒圈的設計需確保足夠的強度和耐磨性，同時，為了保證平穩運行，需要仔細調整兩者的嚙合間隙。

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定，并在需要時鎖定機艙，防止意外轉動。制動器通常采用液壓盤式制動器，可以在必要時快速響應，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，保證偏航過程中穩定，當偏航不動作時，全壓剎車，鎖定機艙，防止機艙轉動。

分類

風力發電機組的偏航系統一般分為主動偏航系統和被動偏航系統。

被動偏航指的是依靠風力通過相關機構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電系統。

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，常見的有齒輪驅動和滑動兩種形式。對于并網型風力發電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅動形式。

偏航系統面臨的挑戰

盡管偏航系統在風力發電中扮演著重要角色，但其在實際應用中也面臨一些挑戰：

1.偏航疲勞：由于風的變化是頻繁且不規律的，風機的偏航系統經常需要進行調整，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，偏航系統需要定期維護，確保其持續穩定運行。

（資料圖： 中船科技）

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

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

偏航系統故障和維修

偏航系統常見故障現象：

無法偏航：風向傳感器故障、電氣控制系統故障、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。

偏航系統噪聲過大：偏航電機故障、減速齒輪箱故障。

偏航系統發熱過高：偏航電機故障。

故障檢查:

觀察：觀察偏航系統是否有異常現象，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熱現象。

測量：使用儀表測量偏航系統的轉速、扭矩、溫度等參數。

維修方法：

更換損壞部件：根據故障檢查的結果，更換損壞的偏航系統部件。

調整參數：調整偏航系統的控制參數，使系統恢復正常運行。

清理污垢：清理偏航電機的散熱風道等部件，防止電機過熱。

未來發展趨勢

1.智能化控制：隨著人工智能技術的不斷發展，風電機組偏航控制技術將會向智能化控制方向發展。

2.多源數據融合：隨著傳感器技術的不斷發展，將會出現更多種類的傳感器，風電機組偏航控制技術將會通過多源數據融合，提高控制系統的穩定性和精度。

3.可視化控制：隨著虛擬現實技術的不斷發展，風電機組偏航控制技術將會向可視化控制方向發展，使操作更加直觀、簡單。

代表企業

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，在國內最早從事新能源技術研究與產品開發，是中國新能源事業的拓荒者、創新者和領軍者，曾研制出我國第一臺并網型風力發電機組，至今深耕新能源已有50多年歷史，是國內領先的新能源裝備制造企業和綜合能源服務企業。截至2023年12月，產品遍及國內外600余個風電場，機組最長運行時間超過20年，累計發電量超過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據對風電機組偏航系統的控制性能進行了評估分析，采用了智能偏航控制策略，根據風機狀態、風況等條件，自適應智能控制偏航動作，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，是新中國自行設計建造的第一座重型機械制造企業。太重堅持做強工業起重機、礦用挖掘機、冶金設備等傳統產品，做優軌道交通部件、新能源裝備、鑄件鍛件基礎材料、高端液壓泵閥、高端數控機床等戰新產品，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品，全力打造“3+5+3”產品體系，產品出口到全球70多個國家和地區。

太重集團提供集風資源開發、設備設計制造、總承包、風場運營、后市場運維服務為一體的綜合性風電產業解決方案。公司按照資源開發、設計制造、服務運營、海陸一體的發展理念，充分發揮自身的技術和制造優勢，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-風電機組偏航在線監測分析系統）

新強聯

洛陽新強聯回轉支承股份有限公司（以下簡稱新強聯）成立于2005年，坐落于九朝古都河南省洛陽洛新產業集聚區，是一家高新技術企業。新強聯以大型回轉支承產品和風力發電機偏航變槳軸承及主軸承產品研發、制造、銷售為主，是服務于風力發電、海工裝備、港口機械、盾構機設備等行業的創新型龍頭企業。

公司主要產品包括：風電主軸軸承、偏航軸承、變槳軸承、海工裝備起重機回轉支承、盾構機軸承及關鍵零部件；工業鍛件；鎖緊盤；聯軸器等。

（資料圖：新強聯-偏航軸承）

來源綜合自：百度文庫、風電電氣設計、風電智慧家、譯大象、半導體樂園、炫達集團