风力发电机组（通用8篇）
【中文摘要】本文主要研究了风力发电变桨距控制系统。首先介绍了风力发电机组的运行原理,在此基础上建立了大型变桨距变速风力发电机的模型,设计出PID控制器。然后重点讨论了在高风速情况下桨距角控制问题。为了改善系统在恒功率输出运行区域内的动态性能,本文设计了自抗扰控制方法的风力发电系统变桨距控制器,仿真结果表明这种方法可以有效抑制随机风扰动下电机转速偏差,实现恒功率控制。
【英文摘要】This paper mainly studied pitch control system of wind turbine.Firstly, it introduced the development of wind power at home and abroad, the operating principles of wind turbines, and constructed the models of a large-scale variable pitch variable speed wind turbine based on those principals and design a PID controller.Then it focused on the variable blade pitch control in the case of high wind speed.In this thesis, a new pitch controller based on the control theory of active disturbance rejection is deve...【关键词】风力发电机组 变桨距控制 自抗扰控制
【英文关键词】wind turbine variable pitch control active disturbance rejection control
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【目录】自抗扰控制技术在风电变桨控制系统中的应用5-6
Abstract6
第一章 绪论9-181.2 国内外风力发电现状
摘要
1.1 风力发
电的意义和研究背景9-1010-1410-1212-14
1.3 风力发电技术目前的研究现状和难题1.3.1 定桨距失速调节技术与变桨距技术1.3.2 恒速恒频风力发电技术与变速恒频发电技术1.4 风力发电控制技术的发展14-17
1.4.1 风
力发电系统的传统控制方法14制方法14-17
1.4.2 风力发电机组的现代控
第二
1.5 论文的主要内容及安排17-18
18-33
章 变桨距风力发电机组结构与工作原理机组的结构形式18-1919-21建立23-26型24-25
2.1 风力发电
2.2 风力机空气动力学理论
2.4 风机机理模型的2.4.2 传动机构模
2.5 风力发电
2.3 风能利用系数21-23
2.4.1 风轮模型23-24
2.4.3 异步发电机模型25-26
26-32
控制系统仿真实例26-2828-3032-33用33-48
2.5.1 系统模型的搭建
2.5.2 PID控制器及MATLAB系统仿真图2.5.3 仿真结果30-32
2.6 本章小结
第三章 自抗扰控制在风力发电变桨距控制系统中的应3.1 自抗扰控制基本原理
33-36
3.2 自抗扰
控制器的离散算法实现36-373.3 自抗扰控制器的高阶扩展
37-393.4 自抗扰控制器参数整定39-42
3.6 本章小结47-48
3.5 仿真与第四章 结论和展
结果分析42-47望48-50
参考文献50-55在学期间发表的学术论文和
作者简介57
液压型风力发电机组[1,2,3]是新型的风力发电机型, 采用液压传动系统, 与励磁同步发电机有效组合, 提高了发电质量, 降低了机舱质量以及对电网的冲击。
液压型风力发电机组主要由风力机、定量泵-变量马达闭式液压传动系统和同步发电机组成[4]。风力机驱动定量泵输出高压油, 高压油输入到变量马达, 最后变量马达驱动同步发电机并网发电。机组通过实时调整变量马达的摆角实现同步发电机的转速控制, 从而使同步发电机稳定于工频转速实现并网发电。
风力机是液压型风力发电机能量转化的关键动力部件, 约占整机成本的20%~30%[5,6], 并且随着风电行业的发展越来越受到重视。为了在不具备风场环境的情况下能够进行风力发电技术的研究, 本文在液压型风力发电机组半物理仿真实验台以及相关厂家提供的数据基础上, 利用变频器控制变频电机, 使变频电机的输出特性与实际风力机的输出特性相吻合[7]。
1 局部负载区风力机特性
根据贝兹极限[8], 风力机捕获风能的效率极限值为59.3%, 而由于功率损失等影响, 效率一般都小于该极限值。因此, 风力机作为整个风力发电机组的能量源头, 对其特性的研究具有重要意义。
在不同的风速下, 希望机组发电功率总在最大功率点上, 故需对现有风力机参数建立数学模型以得到风力机捕获功率以及气动转矩对转速的特性。风力机捕获的功率和气动转矩[9]计算式为
式中, P为风力机输出功率;CP为风能利用系数;ρ为空气密度;Tm为气动转矩;v为风速;ω为风力机角速度;λ为叶尖速比;β为桨距角度, 在额定负荷区内其值为0°;A为扫略面积。
故在特定风速下, 由式 (1) 和式 (2) 可得出风力机输出功率和气动转矩变化规律, 如图1和图2所示。
风力机输出功率和气动转矩出现图1和图2所示的变化规律, 主要是由于风能利用系数CP (λ, β) 变化所致。风能利用系数[10?11]计算式为
根据厂家数据, 最佳叶尖速比λ=8 (图3) , 最大风能利用系数CP=0.4496。各系数确定为:C1=0.5176, C2=116, C3=0.4, C4=5, C5=21, C6=0.00303。
在工程应用时, 可通过调整上述相关参数的变化, 得到吻合得比较好的风力机特性数学模型。
风力机输出功率和输出气动转矩仿真模型以式 (1) 和式 (2) 为依据, 相应参数取值见表1。
基于数学模型, 利用MATLAB中Simulink工具建立的仿真模块如图4所示, 功率、转矩对风力机转速仿真结果分别如图5和图6所示。
把仿真结果和相关合作公司给出的数据 (图7) 进行对比, 其变化趋势和每种风速下的最大功率点的数据误差在0.3%以内, 从而验证了风力机仿真模型的正确性。
2 等效风力机模型实验
为在无风的条件下进行液压型风力发电机组的功率追踪以及转速控制等方面的研究, 需要对等效风力机模型进行实验研究。
在进行风力机模型等效实验时, 需要在计算机里建立风力机特性数学模型, 通过给定风速, 检测出等效风力机 (变频电机) 的转速, 然后由风力机数学模型计算出所需要的转矩给变频器, 由变频器根据给定转矩控制变频电机模拟风力机。风力机相似等效实验台实物以及原理分别如图8和图9所示。
实验时为模拟真实风力发电机的发电能力, 需满足一些相似等效条件, 计算过程如下:变量马达 (二次元件) 最大功率为30kW, 但在工作时, 仅使用其80%的能力, 即实验时最大功率取24kW, 通过流量关系, 可得定量泵的转速 (即电机的转速) 为
变量马达 (二次元件) 工作在24kW时, 对应真实风力机的最大功率点为850kW, 此时真实风力机的转速约为45r/min (图10所示是生产厂家给出的风力机转速在局部负载区随风速变化的要求) 。
定义相似系数如下:Kn为转速系数, KP为功率系数, KR为半径系数, Kλ为叶尖速比系数。
根据上述已知关系, 可知在相似等效时, 转速之间和功率之间的比例分别为
式中, 下标s表示模拟实验。
在相似变换时, 要保证风能利用系数和实际值相同, 因此对应的叶尖速比λ要发生变化。
由式 (1) 可得
又有
故相应实验条件下的叶尖速比相对于真实风力机的叶尖速比有一个相似变换的关系, 由式 (3) 、式 (4) 和式 (11) 可得实验时的等效风能利用系数:
由式 (1) 和式 (12) 可得实验时的等效风力机输出功率, 进而可得等效转矩。
由于等效系统在工作时, 可以看成是刚体绕定轴转动, 故根据刚体绕定轴转动的微分方程有
式中, TP为负载转矩;J为风力机转动惯量。
等效时按几何相似计算, 具体方法如下:将风力机看作一个均质圆盘, 半径为Rs, 面密度为ρ, 按几何相似等效原则, 其转动惯量为
联立式 (13) 和式 (14) 可求出在某一风速下变频器对电机转矩的给定值, 从而模拟出风力机的特性。
但由式 (14) 可知, 按照上述方法求出的模拟风力机转动惯量比实验系统的固有转动惯量大很多, 所以需要对实验系统进行转动惯量的模拟补偿。
基于能量守恒, 对变频器采用转速控制模式, 估计出目标转速后直接输入变频器, 转矩补偿由变频器根据给定转速自行计算得出。
假设没有功率损失, 根据风力机动能守恒, 参考模型为
目标转速为
式中, PG为发电机发出的功率。
观测变频电机转速ω1, 由ωs到ω1经控制律kp+ki/s (kp为比例调节系数, ki为积分调节系数) , 计算功率补偿值ΔP, 使实验系统角加速度与参考模型角加速度相同, 即ω1=ωs, 控制框图如图11所示。
图11中, 转速给定值可与实际系统的真实转动惯量发生联系, 转矩补偿在变频器中以转速闭环形式进行调整, 得到模型参考的目标转速, 进而得到了等效风力机输出功率和等效转矩的曲线, 分别如图12和如图13所示。
实验时的等效转矩特性曲线如图13所示。
由图12和图13所示的风力机输出的功率以及转矩特性曲线分析可知:在风速为4 m/s至13m/s时, 所对应的等效风力机的输出功率以及转矩分别随着等效风力机的转速先增大后减小, 并存在最佳功率和转矩点。
将上述等效风力机输出功率实验结果乘以相似等效转换系数, 得到在现有实验条件下的实验结果, 如图14所示, 并将其与相关厂家提供的数据 (图7) 和仿真结果 (图5) 进行对比。
由图14可知, 将风力机输出功率乘以转换系数之后的实验结果与仿真结果以及相关厂家提供的输出功率特性曲线变化趋势和每种风速下的最大功率点的数据误差在允许误差范围 (3%~5%) 之内, 即可实现风力机精准模拟, 从而进一步验证了该模拟方法的准确性。
3 结束语
通过建立数学模型, 从理论和实验两个角度分析液压型风力发电机组工作时的风力机特性, 并进行仿真分析和等效实验研究, 采用转速控制方法回避了实际系统转动惯量太小、固有频率很高的不足, 并和已有的工厂数据进行对比分析, 验证该模型的精确性, 能比较好地反映工程实际情况, 从而为液压型风力发电理论和实验的研究提供了良好的参考。
摘要：在不具备风场环境的情况下, 针对液压型风力发电机组风力机特性模拟问题, 在实际数据的基础上, 建立了风力机输出特性数学模型, 依据相似模拟的原理, 采用转速控制的补偿方法对风力机特性进行了实验研究。将等效功率实验数据乘以转换系数之后的结果、仿真结果以及相关合作公司提供的850kW风力机的实际数据进行了对比。结果表明:系统能够在误差允许范围内精准模拟风力机的输出功率和输出转矩。
关键词：液压型风力发电机组,风力机特性,惯量模拟,风力机模型
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关键词：风力发电 机械控制 电路控制
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-171-02
风能资源的开发利用这项技术，从最早的单机组运行到现在的全国连网并列运行，相应的发电机组的容量也从开始的数十千瓦级发展到海上风电场的兆瓦级；对机组的机械控制方式从定桨距失速控制到变桨距运行，电力电子控制从恒速恒频发展到现在双馈异步等形式的变速恒频。风力发电技术在能源开发利用方面要想有更好的发展前景，和火力水利等传统发电技术相抗衡，关键还是要解决控制问题。而控制问题区别于其它形式发电技术的关键还是风力发电输入风能不稳定，而要求输出电能频率要求稳定的问题。解决问题主要可以从以下三个方面考虑：
（1）风力发电由于风速变化大，输入风能不稳定，风力机转速不好控制，风力发电机的输入部分存在技术开发的空间，即从机械方面考虑改进措施，进行机械控制。
风力发电的机型按照并网时速度是否改变主要分为两种，恒速恒频型机组和变速恒频型机组。不论哪种机型，目前风力发电机的叶轮都采用水平轴、三叶片，上风向布置；额定转速约27r/min。风能通过风力机转换成为动能，风力机通过转轴驱动后面联动的风力发电机。从而实现风能-机械能-电能的转换。
风力机的风轮一般采用三桨叶与轮毂刚性相连的结构，即定桨距风轮。主要是因为三叶片具有平衡和美观等优良性能。为了实现对其很好的控制，一般在桨叶尖部1.5～2.5m处，设计成可调控的叶尖扰流器，叶尖扰流器起气动刹车的作用。当风速过大时，叶尖扰流器释放并旋转形成阻尼板，影响风能在叶片上的受力分布，改变风力机转轴的转速。特别当风力发电机组需要脱网停机时，它可以用作机械制动，效果特别明显。
风力发电机组从定桨距发展到变桨距经历了很长一段时间。早期的定桨距具有以下性能优点：采用软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，使风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性大大提高。但是，由于叶片的安装角在装配时已经固定，其功率输出是由桨叶自身的性能来调节的，因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是无能为力的。这就大大降低了风能利用效率，使得定桨距风力发电机组的推广得到限制。
针对上述特点，大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组（1000kw以上）的风力发电机组在设计，叶片采用变桨距连接，即叶片与轮毂中间采用可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的回转支撑联接，变桨距风力发电机的叶片较薄，结构相对简单，重量小很多，使得变桨距风力发电机风轮转动惯量小，设计容易，易于制造大型风力发电机组。这样风力机可根据风速的变化适时调整叶片连接角度，改善叶片周围的流场分布，即使风速不在额定风速的工况下，机组的输出功率也可以保持在额定功率上。特别是在大风情况下，风力机可以使叶片顺桨，保证整个机组风能利用大大提高。
现在，大型风力发电机组一般都采用变桨距的结构形式。这样可以在起动时对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。机组的液压系统作为变距系统执行机构的一部分，在整个闭环控制系统中占有很大作用，大大提高了发电系统的运行自动化程度。
（2）风力机转轴带动风力发电机转轴旋转。风力机在风力的推动下旋转，由于输入风能时刻在改变，不稳定，而且风力机在风能向机械能转换过程中存在转换效率问题，再加上受到设计制造的局限，风力机的转速不能很高，但是传统发电机转速相对要求高，所以连接部分—风力发电机需要进行技术方面的改进。
由于风力发电机组体积庞大，重量达到几吨到几十吨，工作时具有很大的转动惯量；另一方面，受到风力发电机制造技术和叶片材料的约束，风轮的转速不能太高，一般运行在20～30r/min。机组容量越大，转速越低。为了在此基础上发电机得到更多的动能输入，需要设置增速齿轮箱。齿轮布置时采用沿轴线分布的结构特点。但是由于增加了庞大的机械设备，齿轮间存在高速运行易磨损的问题，使风力发电机组发生故障的可能性提高了，现在直驱式风力发电机组（即机组连接部分不用增速齿轮箱）正在慢慢受到设计者的青睐。
风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。对于定桨距风力发电机组，一般还采用高滑差异步发电机和变速恒频的双馈异步发电机。这样可以使机组的运行风况范围大大增加即虽然风速远离额定值，但是发电机的效率不会降低，风能利用系数得到提高的同时，发电机组的噪声降低。发出电能的频率也会符合电网要求。
现在，大型风电场一般都采用变速风力发电机组。它的关键技术在于采用了绕线型异步发电机（其转速可以有很大的变化）或同步电机，再在输出电能的电路中增加相应的变频技术。同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用；另一种是交-直-交并网。控制技术主要任务是对最佳叶尖速比的测量监控，使得机组在允许风速的任何情况下都可以获得理想的功率输出。
（3）如果直接用风力机带动发电机转子旋转，即直驱式风力发电机，输出电能频率与电网频率存在衔接问题，即从电力电子方面考虑改进措施，进行电路控制。
风力发电机组发出的电能频率可以不为50HZ，但是经过变频电路处理，使电能质量达到并网要求，稳定可靠得给电网提供电能。
控制技术和监测技术是风力发电系统的关键技术。因为风能不稳定，风速大小和方向随着季节和气候的改变而改变，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，风力发电机组一般安装在无人值守区，占地面积较大。所以对输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和维护必须实行自动化控制。分散布置的风力发电机组通常要求远程监控，自动控制应该实施运行人员设置的控制策略，保证机组安全可靠地运行。
风力发电技术未来的发展趋势将是全实现整个电力系统的自动化，在风电场运行的风力发电机组全部可以实现中央集中控制和远程控制。火力水利等发电系统的控制系统，主要的任务是监视电网、机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而风力发电系统则在此基础上，还要增加一些传感器检测技术，时刻监测风速风向。根据对其变化趋势的分析，做出判断，提高系统的经济性和稳定性。
总之，随着技术的不断改进，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组已经在风电市场得到推广。变速风力发电机组的优点在不断显示出来。变速风力发电机组的可以在低于额定风速时，跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；在高于额定风速时，增加传动系统的柔性，稳定输出功率，向电网提供安全可靠经济的电能。
参考文献：
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标准号 中文名 英文名 备注
JB/T 10194-2000 风力发电机组 风轮叶片 Rotor bladesTechnical condition
GB/T 19070-2003 风力发电机组 控制器 试验方法
The controller of wind turbines generating system-Test method
JB/T7143.1-1993 风力发电机组用逆变器技术条件
JB/T7143.2-1993 风力发电机组用逆变器试验方法
第一节 概述
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性;应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击;保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。
不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。
如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。
第二节 设计要求
设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。
一、设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA=1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
二、设计要求
风力发电机组增速箱的设计参数，除另有规定外，常常采用优化设计的方法，即利用计算机的分析计算，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。
(一) 效率
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
(二) 噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB(A)左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
1. 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度;
2. 提高轴和轴承的刚度;
3. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振;
4. 安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。
(三) 可靠性
按照假定寿命最少的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。
在方案设计之初必须进行可靠性分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。
第三节 齿轮箱的构造
一、齿轮箱的类型与特点
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱;按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱;按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表.20.1-1。
(表20.1-1 风力发电齿轮箱的主要类型和特点)。
二、齿轮箱图例
(各种齿轮箱图例如图20.1 ～ 20.7 所示)。
第四节 齿轮箱的主要零部件
箱体结构
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。
箱体的应力情况十分复杂且分布不匀，只有采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等方法辅以摸拟实际工况的光弹实验，才能较为准确
地计算出应力分布的状况。利用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。
采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点， 适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%~30%， 但从另一角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。这是因为轻合金铸件的弹性摸量较小，为了提高刚性，设计时常须加大箱体受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承座套，相应部位的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风电机组尚用铝合金箱体外，大型风力发电齿轮箱应用轻铝合金铸件箱体已不多见。
单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处理，以消除内应力。
为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。
箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，其支承刚度要作仔细的核算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，合理使用也能取得较好的结果。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。
齿轮和轴的结构
风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮、轴一般都采用合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。
齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。通常采用最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度，而通常对齿部的最终加工是采用磨齿工艺。
加工人字齿的时候，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽;如是拼装人字齿轮，则分别将两半齿轮按普通圆柱齿轮加工，最后用工装将两者准确对齿，再通过过盈配合套装在轴上。
齿轮加工中，规定好加工的工艺基准非常重要。轴齿轮加工时，常用顶尖顶紧两轴端中心孔安装在机床上。圆柱齿轮则利用其内孔和一个端面作为工艺基准，用夹具或通过校准在机床上定位。
在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主要是为了补偿轴向尺寸变动和便于安装。为减小轴偏斜和传动中弹性变形引起载荷不均匀的影响，应在齿形加工时对轮齿作修形处理。
齿轮与轴的联接
平键联接 常用于具有过盈配合的齿轮或联轴器与轴的联接。
花键联接 通常这种联接是没有过盈的.，因而被联接零件需要轴向固定。花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需用专用刀具加工。
过盈配合联接 过盈配合联接能使轴和齿轮(或联轴节)具有最好的对中性，特别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。利用零件间的过盈配合形成的联接，其配合表面为圆柱面或圆锥面(锥度可取1：30~1：8)。圆锥面过盈联接多用于载荷较大，需多次装拆的场合。
胀紧套联接 利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。国家标准GB5867-86对其所推荐的四种胀紧套的结构形式和基本尺寸作了详细的规定。
齿轮箱中的轴按其主动和被动关系可分为主动轴、从动轴和中间轴。首级主动轴和末级从动轴的外伸部分用于安装半联轴器，与风轮轮毂或电机传动轴相连。为了提高可靠性和减小外形尺寸，有时将半联轴器(法兰)与轴制成一体。
轴上各个配合部分的轴颈需要进行磨削加工。为了减少应力集中，对轴上台肩处的过渡圆角、花键向较大轴径过渡部分，均应作必要的处理，例如抛光，以提高轴的疲劳强度。在过盈配合处，为减少轮毂边缘的应力集中，压合处的轴径应比相邻部分轴径加大5%，或在轮毂上开出卸荷槽。装在轴上的零件，轴向固定应可靠，工作载荷应尽可能用轴上的止推轴肩来承受，相反方向的固定则可利用螺帽或其他紧固件。为防止螺纹松动，可利用止动垫圈、双螺帽垫圈、锁止螺钉或串联铁丝等。有时为了节省空间，简化结构，也可以用弹簧挡圈代替螺帽和止动垫圈，但不能用于轴向负荷过大的地方。
轴的材料采用碳纲和合金纲。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等，常用的热处理方法为进行调质，而在重要部位作淬火处理。要求较高时可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi 等优质低碳合金纲，进行渗碳淬火处理，获取较高的表面硬度和心部较高的韧性。
滚动轴承
齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化
时也如此。滚动轴承的安装和使用都很方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下件下降，高速工作时的噪音和振动比较大。齿轮传动时轴和轴承的变形会引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动件的承载能力。由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起的。选用轴承时，不仅要根据载荷的性质，还应根据部件的结构要求来确定。相关技术标准，如DIN281，或者轴承制造商的的样本，都有整套的计算程序和方法可供参考。
计算的使用寿命应不小于13万小时。在安装、润滑、维护都正常的情况下，轴承运转过程中，由于套圈与滚动体的接触表面经受交变负荷的反复作用而产生疲劳剥落。疲劳剥落若发生在寿命期限之外，则属于滚动轴承的正常损坏。因此，一般所说的轴承寿命指的是轴承的疲劳寿命。一批轴承的疲劳寿命总是分散的，但总是服从一定的统计规律，因而轴承寿命总是与损坏概率或可靠性相联系。
第五节 齿轮箱的使用及其维护
在风力发电机组中，齿轮箱是重要的部件之一，必须正确使用和维护，以延长使用寿命。
齿轮箱主动轴与叶片轮毂的连接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好是弹性联轴器，并串接起保护作用的安全装置。齿轮箱轴线与相联接部分的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器的允许值。
齿轮箱安装后用人工盘动应灵活，无卡滞现象，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。按照说明书的要求加注规定的机油达到油标刻度线，并在正式使用之前空载运转，此时可以利用电机带动齿轮箱，经检查齿轮箱运转平稳，无冲击振动和异常噪音，润滑情况良好，且各处密封和结合面不漏油，才能与机组一起投入试运转。
加载试验应分阶段进行，分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载，每一阶段运转以平衡油温为主，一般不得小于2小时，最高油温不得超过80bC，其不同轴承间的温差不得高于15bC。
齿轮箱的润滑
齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。因此，配备可靠的润滑系统尤为重要。电动齿轮泵从油箱将油液经滤油器输送到齿轮箱的润滑管路，对各部分的齿轮和传动件进行润滑，管路上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转当中不会出现断油。
在齿轮箱运转前先启动润滑油泵，待各个润滑点都得到润滑后，间隔一段时间方可启动齿轮箱。当环境温度较低时，例如小于10bC，须先接通电热器加机油，达到预定温度后才投入运行。若油温高于 设定温度，如65bC时，机组控制系统将使润滑油进入系统的冷却管路，经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。管路中还装有压力控制器和油位控制器，以监控润滑油的正常供应。如发生故障。监控系统将立即发出报警信号，使操作者能迅速判定故障并加以排除。
对润滑油的要求应考虑：1)减小摩擦和磨损，具有高的承载能力，防止胶合;2)吸收冲击和振动;3)防止疲劳点蚀;4)冷却，防锈，抗腐蚀。不同类型的传动有不同的要求。风力发电齿轮箱属于闭式齿轮传动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。因为在较大的温差下工作，要求粘度指数相对较高。为提高齿轮的承载能力和抗冲击能力，适当地添加一些极压添加剂也有必要，但添加剂有一些副作用，在选择时必须慎重。齿轮箱制造厂一般根据自己的经验或实验研究推荐各种不同的润滑油，例如MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220 GB5903-95齿轮油就是根据齿面接触应力和使用环境条件选用的。
在齿轮箱运行期间，要定期检查运行状况，看看运转是否平稳;有无振动或异常噪音;各处连接和管路有无渗漏，接头有无松动;油温是否正常。定期更换润滑油，第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000-10，000小时。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。
齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况应符合技术条件的规定，并经过试运转与负荷试验后再正式使用。
第六节 齿轮箱常见故障及预防措施
齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。
一、齿轮损伤
齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等。常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。
(一) 轮齿折断(断齿)
断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。根据裂纹扩展的情况和断齿原因，断齿可分为过载折断(包括冲击折断)、疲劳折断以及随机断裂等。
过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。断齿断口有呈放射状花样的裂纹扩展区，有时 断口处有平整的塑性变形，断口副常可拼合。仔细检查可看到材质的缺陷，齿面精度太差，轮齿根部未作精细处理等。在设计中应采取必要的措施，充分考虑预防过载因素。安装时防止箱体变形，防止硬质异物进入箱体内等等。
疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下，从危险截面(如齿根)的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。在疲劳折断的发源处，是贝状纹扩展的出发点并向外辐射。产生的原因是设计载荷估计不足，材料选用不当，齿轮精度过低，热处理裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中等等。故在设计时要充分考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿
轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。
随机断裂的原因通常是材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区引起。
(二) 齿面疲劳
齿面疲劳是在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤，其表现形式有早期点蚀、破坏性点蚀、齿面剥落、和表面压碎等。特别是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位出现，并且不断扩展，使齿面严重损伤，磨损加大，最终导致断齿失效。正确进行齿轮强度设计，选择好材质，保证热处理质量，选择合适的精度配合，提高安装精度，改善润滑条件等，是解决齿面疲劳的根本措施。
(三) 胶合
胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象，很可能是由于润滑条件不好或有干涉引起，适当改善润滑条件和及时排除干涉起因,调整传动件的参数，清除局部载荷集中，可减轻或消除胶合现象。
二、轴承损坏
轴承是齿轮箱中最为重要的零件，其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。轴承在运转过程中，套圈与滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，由于安装、润滑、维护等方面的原因，而产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮副和箱体产生损坏。据统计，在影响轴承失效的众多因素中，属于安装方面的原因占16%，属于污染方面的原因也占16%，而属于润滑和疲劳方面的原因各占34%。使用中70%以上的轴承达不到预定寿命。因而，重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，按照规范进行安装调试，加强对轴承运转的监控是非常必要的。通常在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温现象进行监控，同一箱体上不同轴承之间的温差一般也不超过15bC，要随时随地检查润滑油的变化，发现异常立即停机处理。
三、断轴
断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。究其原因是轴在制造中没有消除应力集中因素，在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。因而对轴上易产生的应力集中因素要给予高度重视，特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处的光洁度要求较高，也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。设计时，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构也不能过分降低轴的强度。保证相关零件的刚度，防止轴的变形，也是提高轴的可靠性的相应措施。
四、油温高
王哲
摘要：风力发电机组是风电场的关键设备本文通过几个实例说明了对风力发电机组实施状态监测的必要性以及实际工作中的经验教训。
关键词：风力发电机组；状态监测；故障诊断；振动
中图分类号：TH 165.3文献标识码：B
一、对机组实施状态监测的必要性
风力发电机组是风电场的关键设备。长期以来，风力发电机一直采用计划维修与事后维修方式。计划维修即运行2 500h和5 000h后的例行维护，如检查螺栓力矩，加注润滑脂等。该维修体制无法全面、及时地了解设备运行状况。事后维修则因事前准备不足，往往造成维修工作旷日持久，损失重大。
以下两个实例可以看出对机组实施状态监测的必要性：(1)一次某机组声音异常，怀疑其传动齿轮箱有故障。用便携式测振仪采集振动数据，经与其他机组比较后认为，该机齿轮箱中间级和高速级存在异常，开箱检查证实了该判断。由于发现及时，故障没有进一步发展。类似这种声音异常是机械故障的重要特征，只要留心就可及时发现。但2 500h和5 000h的例行维护都是在停机状态下进行，无法反映机组运行时的状况，况且时间间隔太长，即便有问题也不能及时发现。(2)某台进口风力发电机组，现场人员反映振动较大。用便携式测振仪采集振动数据，并与另一台同型机组比较后认为，该机齿轮箱、发电机可能存在机械故障。由于该齿轮箱、发电机没有备件，在检修期间该机组不得不停运，影响了发电旦量。
二、状态监测在风电上的应用
目前，大型风力发电机组的就地控制器都有运行数据采集、故障报警和通信功能。配合风电场中央监控系统，可以实现风电场机群的集中监控，甚至异地监控。但中央监控系统采集的信息量十分有限，一般只能采集功率、转速、电流、风速等参数，不能采集振动量，故障预警功能欠缺。比如，当中央监控系统报“传动比错误”时，可能齿轮箱或发电机已经严重损坏或卡死了。
由于振动信号数据量大，有些早期机组的监控通信系统采用电流环，不能实现大数据量的传输。近年来出现了使用RS-485总线的风机，通信速率较高，但风电场机组数量多时，数据传输仍较困难。要实现振动信号的分布式采集和网络化传输，应加装一套独立的分布式监测诊断系统，如深圳创为实的S8100系统。该系统的拓扑结构如图1所示。
无线现场采集站（WFAS）或现场采集站(FAS)采集风机上关键部件的振动信号，通过网络转换模块（NTM）与风电场局域网连接。振动数据被存储到现场服务器，有条件的还可以通过CDMA（远程）传输到公司总部的中心服务器。数据是经过高保真压缩的，可大大节约线路带宽。该中心服务器具有Web发布功能。授权用户只要登陆网站，就可以随时查看机组振动数据。
系统具有机组总貌图、棒图、波形频谱图、历史趋势图等多种诊断图谱，还可以实现远程专家会诊。更有特色的是，系统还自带一个“特征频率计算器”，可以通过用户输入的齿轮或轴承参数计算出特征频率，为分析诊断提供依据。
该系统避免了人工定期采集数据工作量大、采集的数据因时间跨度大而可比性差的局限性。
系统安装简便，可以不停机、不断电进行安装。该系统完全独立于已有的中央监控系统及就地电控系统，不会对日常监控产生影响。
三、状态监测工作的经验和教训
我公司是风电行业内最早开展设备状态监测的企业之一，积累了一定经验。为了积极推进设备故障诊断工作，公司起初与中国石油大学开展合作。由此我们认识到风电机组特殊的工况对设备故障诊断的要求。在后续的研发中，我们大胆利用其他行业（如火电、石化）中已广泛使用的成熟产品，并进行了一些技术创新。
此外，也有一些极为深刻的教训。
1．有急功近利的表现。以为购进设备监测仪器后立即可以开始设备状态监测，实现状态维修；认为会看谱图就可以容易地诊断出机组故障，忽视了机组本身的复杂性以及数据和经验积累的长期性。
2．企业中缺乏专门的监测机构和人员，而由一些技术人员或维修人员兼任故障诊断工作，造成监测工作时断时续、缺乏系统性和连续性，难以取得进展。经验证明开展了设备状态监测工作不等于已实现或能实现设备状态修；实行设备状态修，必须有成熟的设备监测体系和规章制度作保证。
参考文献：
[1]深圳市创为实技术发展有限公司．S8100机泵群网络化在线状态监测和分析系统使用手册[K]．
对风力发电机组的电气控制系统进行相关的分析与探究, 能够有效的增加机组在运行过程中的稳定程度、较少不安全的事情发生。进而满足人们对于电力的需求, 增加发电效率。据此, 需要结合风力发电机组的运行原理来对相关电气机组及电气控制系统的总体框架进行有效的研究, 以此来有效的提升对机组运行进行控制的效率。电机组的电气控制结构进行不断的完善。同时还需要对之前的相关经验进行总结, 进而能够针对不同的问题采取有效的解决存世进行改善与优化。
1 风力发电机组电气控制系统的结构
风力发电机组的电气控制系统中主要包括了主控制器、电量的采集系统、无功补偿系统、软并网胸膛、偏航与自动解缆系统等等, 同时还设置了多种输出、输入的信号与开关量接口等等。风电机组电气控制系统只有利用风速信号才能促使其进行自动化的启动, 同时还要根据其在实际生产过程中的具体情况, 遵循相关设备的功率等相关的参数, 对风电机组的转速及功率进行自动化的控制与调整。想要提升风电机组的运行效果, 就需要按照整个风电机组的功率来自动化的设置相关的补偿电容。一旦在生产过程中发生发电机脱网的现象, 电气控制系统就能够使自动化的对其采取相关的处理措施, 进而使其能够具备较高的安全性, 以及来有效的减小外界对发电机的干扰状况, 最终提升风电机组在运行时的稳定性。除此之外, 电气控制系统在风电机组中的正常应用, 是通过对电网、风力的状况及机组运行的中状态数据进行检测与对比分析而得来的运行的状况及相关产生的问题, 并针对这些问题而产生的有针对性的解决手段。同时还可以根据相应的数据及结果, 制作成相关的表格或者是图像, 以此来对风力机组在运行过程中的指标进行有效的分析, 对相关的方案进行优化与调整。
2 发电机组电气控制系统控制器的设计
2.1 控制器设计
在进行风力发电机组的电气控制时, 就是对其的运行过程进行监督与管理。通过分析风电机组在运行过程中的相关数据的变化情况, 进一步的采取相应的措施来促使风电机组处于良好的运行状态之中。同时在对风电机组的控制过程中需要借助中心控制器来完成相关的控制, 进而有效的提升电气机组在运行过程中的安全性与可靠性。因而在设计中心控制器时, 需要从软件与硬件这两个方面来进行讨论与设计。其中硬件方面主要就是对电路的设计、传感器及接口电路的设计。同时还需要对风电机组的运行进行控制与检测, 并向控制中心提供相关数据及参数。而软件系统中主要包含的是对风力发电机组运行的控制、信号的检测等方面。
2.2 系统设计
2.2.1 硬件系统
在设计风电机组电气控制系统的中心控制器时, 可以通过采用单片机或者是PLC这两种方式来完成。同时, 这两种方式在实际的应用中会存在一定的差异。例如, 在使用单片机进行设计时, 由于其相关的操作指令较多, 在进行软件编成的时候具有较高的灵活性, 其在运行时的精确度以及及时性都比较高。同时这种方式在运行时所需哟消耗的能量较少, 有着较高的性价比。但是这种方式在实际的运行过程中容易受到外界环境因素的干扰, 且不适应于野外或者是有较高电磁干扰的环境中。而PLC技术则具有较高的系统通用性, 不仅能够有效的抵挡强辐射, 同时还可以完成设备所提出的顺序控制、开关量的输入等的应用要求。但是这项技术在进行数据的收集及处理中存在着不全面的特点, 进而导致其控制运行的效果较差。而就风力发电机组来说, 其在运行的环境中有一定的特殊性, 同时也没有相关的管理人员进行实地的管理。因此就需要电气控制系统用于较高程度的运行稳定性。据此, 在进行硬件的设计时, 需要针对所产生问题的原因进行及时、准确的了解, 并且依据风电机组控制的特点来对相关的数据进行准确的分析, 进而满足不同的要求。
2.2.2 软件系统
对电气控制中心控制器的软件系统在进行设计与规划时, 需要依据相关的硬件设备设计与之相配套的软件, 进而达到相关的控制要求。其中, 可以选择应用模块化结构的形式来对相关的控制系统的程序进行编写。如主程序、事件处理子程序、定时中断程序等。主程序的编写需要完成整个风电机组得以正常运行及控制, 同时对出现的故障能够自行的处理与修复等。而事件处理子程序则包含了正常停机子程序、偏航子程序、紧急停机子程序等等多种程度的控制。
3 结语
在进行风力发电机组的电气控制设计时, 需要认识到电气控制在整个发电程序生产中的重要性。并依据系统的设计要求来进行有效的设计, 进而满足日常在生产中的相关要求。与此同时, 还需要从硬件与软件这两个方面来对其进行相关有效的研究与分析, 对技术要点进行控制, 以此来提升风电发电机中电气控制系统的运行效果, 尽量的降低风电发电机组发生故障的频率。
摘要：随着科学技术的发展, 风力发电机已经成为了电力能源的主要来源生产的方式之一, 为了满足人们日益增长的电力资源的需求, 需要对现有的风力发电机组进行更新与优化, 提升其在运行时的稳定性与可靠性, 尽可能的减少相关影响因素。在对电机组进行电气控制时, 需要依据风力发电的原理, 对相关的各方面进行有效、综合性的研究, 进而对整个电力发电机组的运行过程进行有效的控制, 减少相关问题的产生。
关键词：风力发电,机组,电气控制
参考文献
[1]叶飞.基于数据驱动的风力发电机组系统辨识研究[D].浙江大学, 2014.
[2]常春永.风力发电机组电气控制系统检修探讨[J].中国高新技术企业, 2016 (03) .
【关键词】风力发电机组；机械；载荷测试；疲劳分析
目前我国形成了最大规模的中小型风力发电市场，但是其中很多发电机生产企业的产品质量参差不齐，市场销售产品大部分没有经过测试和认证，导致一些劣质产品充斥市场。这就需要风力发电企业必须加强对机械进行检测，尤其是机械的载荷，测试的项目主要包括叶片静载荷测试、电机主轴弯矩和扭矩动态测试以及塔架底部的偏航力矩、俯仰弯矩静态测试，其中以叶片静载荷测试为主。
一、风力发电机组机械荷载测试
（一）叶片测试原理
进行叶片检测时，需要先测量物理特性。叶片静力试验就是对叶片施加载荷，同时在叶片上粘贴应变片采集叶片应力应变信号数据。在进行测试时，首先建设一个拥有足够刚、强度和稳定性的固定基座，试验过程中，将叶片安装到试验台上。在叶片静力试验期间，叶片的加载载荷必须不间断地测量，同时需要利用分布在叶片上的应变片测量叶片结构的应变。采用起重机、绞盘、葫芦或其它加载方式，一般采用起重器垂直加载或葫芦水平加载，条件受到限制，也可以采用沙包等重物模拟施加压力的方式进行。对叶片加载的同时，采用电测法测量应变信号。测试方案为距离叶片根部的截面施加静载荷，加载方法为初级载荷按满载荷的10%，进行分级协调加载，试验载荷通过起吊设备和安装在叶片上的加载夹具传递到叶片上，其矢量方向通过叶片的剪切中心。
（二）叶片测试
安装叶根转换器及叶片翻身，将叶片翻转到Flapwise-Max方向，压力侧朝上，安装角度为-185°。将叶片安装到试验台，通过两点起吊的方式，将叶片吊到静力试验台。安装定位连接螺栓，就是通过72根M36的长螺栓将转换器安装到试验台上。转换器与试验台连接，通过液压扳手将转换器与试验台紧密连接。安装Flapwise-Max时，检测相关夹具及保护钢丝绳。检测安装试验相关测试设备及连接测试导线。叶片调平，根据调平载荷数据将叶片调整到水平状态。画水平零度线并作预加载60%的加载试验，叶片调平后，在位移线上做出标记，然后进行预加载60%的试验。进行加载试验，如果温度低于20℃时，每降低5 ℃额定载荷需增加1%，由于试验温度为5℃，所以试验时，需要加载到103%，并记录试验时的温度、湿度和叶根水平度，给出加载103%时测试效果图。Flapwise-Max方向测试结束，得出测试值及与理论值的偏差。依次进行试验。
（三）电机主轴弯矩和扭矩动态测试
电机主轴弯矩和扭矩动态测试的原理与叶片静载荷测试原理基本相似，唯一的区别是测点布置位置不同，如图1、图2所示。
在测试过程中，由于主轴是旋转的，针对主轴应变片进行数据传输，采用滑轮或无线连接的方式，如图3所示。
（四）塔架底部的偏航力矩和俯仰弯矩静态测试
塔架底部的偏航力矩和俯仰弯矩静态测试原理与叶片静载荷测试原理相同，应变片安装在塔架内壁上，应该尽量避免门、法兰盘、焊缝、平台的影响。安装位置如图4所示。
二、风力发电机组机械的疲劳分析
（一）平均应力的等效转换
平均应力对累计损伤具有较大的影响，所以必须按照等效损伤的原则，将非零平均应力的应力循环等效转换为零平均应力的应力循环。等效寿命曲线图是用来描述S-N数据的。在曲线图中，等效寿命曲线和相同的估算寿命之间建立联系，作为平均应力和应力幅值的函数。根据疲劳经验公式进行转换，经过转换，将二维矩阵压缩处理成一维矩阵，矩阵元素是关于应力幅值的，就可以进行载荷谱的编制过程。
其中，Si为等效零均值应力，Sai为第i个应力幅值，Smi为第i个应力均值，σb为拉伸强度极限。
（二）疲劳载荷谱的编制
表示测量随机载荷与出现次数关系的表格、图形和矩阵等称之为载荷谱。疲劳寿命预测结果在很大程度上是由载荷谱的准确性决定的。风机载荷——时间历程在经过处理后，会得到载荷循环次数。根据风速分布情况和风机设计寿命，便能够得到各个载荷工况在风机寿命期间的总循环次数，从而绘制风机疲劳载荷谱。横坐标用来表示载荷循环次数，纵坐标用来表示疲劳载荷大小，就能够完整地生成疲劳载荷谱。编制风机疲劳载荷谱是设计机械结构，预测疲劳寿命的基础。
（三）利用载荷谱进行疲劳分析和寿命预测
计算材料和机械疲劳载荷谱的方法主要有兩种，即时域法和频域法。其中时域法通过有效的疲劳载荷时间序列的数据进行统计处理，得到风机测试机械在某工况下的疲劳循环次数，从而得到疲劳载荷谱，完成对疲劳损伤寿命的估计。首先确定风力发电机所在风场的风速分布模型，并预测风力发电机在寿命期间可能出现的各种具体事件的数量信息。其次从数据中提取相关数据，对存储的单位与雨流数确定最大俘获周期幅值，将雨流计数平均分成步长为1m/s风速下的单位数据包。最后，将数据包的计数乘以相应的风速分布，计算累积频率和估算寿命是否满足设计要求。
三、结语
总而言之，经过载荷测试后，所获测试结果，时间序列曲线，主要包括风况，风力发电机组运行特性，叶片、风轮、塔架的载荷，叶片的摆振弯矩及轴扭矩随方位角的变化，风速测量统计，风力发电机组运行参数统计，疲劳载荷统计。
参考文献：
[1]杨婷，杜文超，杨贺，等.风电叶片静载荷应变测试试验[J].实验室研究与探索，2011，30（11）：33-39.
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