一種用激光方法改進(jìn)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度的研究

蔡春燕，王兵，隆希斌，楊文卓，趙琪

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

一種用激光方法改進(jìn)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度的研究

蔡春燕，王兵，隆希斌，楊文卓，趙琪

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

功率曲線(xiàn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是考核機(jī)組性能、評(píng)估機(jī)組發(fā)電能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。結(jié)合目前已經(jīng)出現(xiàn)的功率曲線(xiàn)問(wèn)題的綜合分析來(lái)看，風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度是影響功率曲線(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)今的風(fēng)機(jī)基本都是利用風(fēng)向標(biāo)來(lái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)。文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)在大量使用的風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)找零方式進(jìn)行分析研究，提出了一種不受天氣、光線(xiàn)影響，更加精確、方便的風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)之間的找零方法，提高了風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度，大大改善了風(fēng)機(jī)的功率曲線(xiàn)。

激光，對(duì)風(fēng)精度，功率曲線(xiàn)，風(fēng)向標(biāo)

1 前言

功率曲線(xiàn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要參數(shù)。實(shí)際風(fēng)向與機(jī)組軸線(xiàn)方向的夾角是獲得功率曲線(xiàn)的重要參數(shù)之一，這個(gè)夾角的準(zhǔn)確度是由風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度決定的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力參數(shù)主要監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，而風(fēng)向是通過(guò)高精度風(fēng)向傳感器―――風(fēng)向標(biāo)測(cè)得。風(fēng)向標(biāo)安裝在機(jī)艙頂部，主要測(cè)量風(fēng)向與機(jī)艙中心線(xiàn)的偏差角，反映風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)情況，風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)反映的風(fēng)機(jī)與風(fēng)向角度進(jìn)行偏航調(diào)節(jié)，保證風(fēng)機(jī)更好地獲得風(fēng)能，使實(shí)際功率曲線(xiàn)接近或達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高機(jī)組的發(fā)電量。風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)之間的對(duì)零精度即反映了風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度，目前對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組要求風(fēng)向標(biāo)對(duì)零校準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)為±2°。

2 現(xiàn)狀分析

目前現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度的控制在于控制風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)機(jī)之間的對(duì)零校準(zhǔn)，現(xiàn)在大量使用的方法是現(xiàn)場(chǎng)安裝風(fēng)向標(biāo)時(shí)，通過(guò)目測(cè)調(diào)整風(fēng)向標(biāo)上的零刻線(xiàn)與機(jī)艙的中心線(xiàn)平行；另外是使用機(jī)械對(duì)零裝置進(jìn)行校準(zhǔn)， 如圖1、 圖2所示。

圖1 風(fēng)向標(biāo)安裝位置示意圖

（1）目測(cè)法: 通過(guò)目測(cè)， 調(diào)整風(fēng)向標(biāo)上的零刻度線(xiàn)與機(jī)艙中心線(xiàn)平行 （見(jiàn)圖 1）。 由于機(jī)艙長(zhǎng)度在 7 000～8 000 mm， 根 據(jù)風(fēng) 場(chǎng) 反饋 情 況， 僅 僅使用目測(cè)的方式，誤差較大，無(wú)法達(dá)到機(jī)組風(fēng)向標(biāo)找零校準(zhǔn)偏差±2°的要求。 風(fēng)向標(biāo)對(duì)零精度誤差過(guò)大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度誤差過(guò)大，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的功率曲線(xiàn)， 風(fēng)機(jī)發(fā)電量損失最大達(dá)到 30%。

（2）機(jī)械裝置調(diào)整法: 如圖 2 所示， 設(shè)計(jì)一個(gè)方鋼支架安裝于風(fēng)向標(biāo)上，一段鋼管安裝在方鋼上。 從風(fēng)向標(biāo)的安裝位置到機(jī)艙觀測(cè)孔 （距離風(fēng)向 標(biāo) 7 000～8 000 mm）畫(huà)條 虛 擬的 直 線(xiàn)與 觀 測(cè)孔相交，人站在交點(diǎn)處，看向鋼管，如果能夠看到鋼管背面的光亮，即表示風(fēng)機(jī)風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)對(duì)零成功。這個(gè)方法能夠保證風(fēng)向標(biāo)的對(duì)零精度，但是對(duì)環(huán)境要求很高，一旦遇到光線(xiàn)不足的天氣，或者鋼管后面的背景暗于周?chē)h(huán)境，都會(huì)導(dǎo)致光線(xiàn)無(wú)法穿過(guò)鋼管，人無(wú)法通過(guò)鋼管看到光亮，風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)失敗。

圖2 機(jī)械裝置調(diào)整示意圖

3 解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，要考慮設(shè)計(jì)一套不受天氣、光線(xiàn)影響的、直線(xiàn)度足夠高的風(fēng)向標(biāo)找零方法來(lái)改進(jìn)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度。經(jīng)過(guò)認(rèn)真比較多種方案，選擇了激光。激光的直線(xiàn)度較高，并且不受周?chē)饩€(xiàn)影響，最終設(shè)計(jì)了一套利用激光進(jìn)行風(fēng)向標(biāo)找零的對(duì)風(fēng)裝置，如圖3所示。

圖3 激光對(duì)風(fēng)裝置示意圖

本套對(duì)風(fēng)裝置主要由固定架、旋轉(zhuǎn)支架、激光光束發(fā)射裝置、V型抱爪等組成，具體內(nèi)容如下:

（1）風(fēng)向標(biāo)前部平衡器與固定架頂端的 V 型槽卡住，風(fēng)向標(biāo)主體部分通過(guò)固定架底部的V型抱爪利用拉桿抱緊固定為一體，V型槽和V型抱爪有自定心功能，保證裝置與風(fēng)向標(biāo)的同心度。

（2）激光發(fā)射裝置通過(guò)緊固螺釘固定在固定架頂部的V型槽里面，仍然通過(guò)倒V型槽的自定心功能，保證激光發(fā)射裝置與風(fēng)向標(biāo)的同心度。通過(guò)旋轉(zhuǎn)固定架頂部旋轉(zhuǎn)支架調(diào)整激光束的高低。

（3）激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光光束清晰， 點(diǎn)狀光斑， 10m 射程光斑小于 φ18mm。

4 具體實(shí)施及找零方法

先將點(diǎn)狀光束發(fā)射器通過(guò)頂部緊固螺釘固定在旋轉(zhuǎn)支架V型槽里，然后調(diào)節(jié)拉桿將V型抱爪打開(kāi)，將風(fēng)向標(biāo)前部平衡器如圖3所示卡入固定架V型槽里，通過(guò)調(diào)節(jié)拉桿使V型抱爪抱住風(fēng)向標(biāo)主體，但不抱緊，旋轉(zhuǎn)風(fēng)向標(biāo)的主體使主控系統(tǒng)中風(fēng)向標(biāo)的位置參數(shù)為零，再緊固調(diào)節(jié)拉桿使V型抱爪抱緊風(fēng)向標(biāo)主體，從而使風(fēng)向標(biāo)對(duì)中裝置與風(fēng)向標(biāo)固定為一體。

將上述整體安裝在機(jī)艙頂部氣象架的風(fēng)向標(biāo)位置，測(cè)量風(fēng)向標(biāo)中心位置到機(jī)艙罩殼中心線(xiàn)的距離為L(zhǎng)。

確定觀測(cè)點(diǎn)的位置，即從機(jī)艙前端觀測(cè)口測(cè)量從機(jī)艙中心線(xiàn)到機(jī)艙風(fēng)向標(biāo)方向距離為L(zhǎng)的點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)， 記為 A 點(diǎn)， 并以 A 點(diǎn)為圓心畫(huà) φ20 mm的靶點(diǎn)圓， 如圖4所示。

圖4 使用激光對(duì)風(fēng)裝置對(duì)風(fēng)示意圖

通過(guò)調(diào)整頂部旋轉(zhuǎn)支架的俯仰角度，使激光束 向下， 光斑 如果 處于 φ20 mm 的靶 點(diǎn) 圓之 內(nèi) ，則風(fēng)向標(biāo)軸線(xiàn)與葉輪旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)完全平行，風(fēng)向標(biāo)對(duì)中完成，風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)成功。

設(shè)風(fēng)向標(biāo)到觀測(cè)點(diǎn)距離為 8 m， 光斑按照最大 φ18 mm 計(jì) 算， 最大 偏差角 度為 α=arc tan （28/ 8 000）=0.2°， 因此最大偏差為: ±0.2°， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度要求。

5 試驗(yàn)效果

經(jīng)過(guò)車(chē)間試驗(yàn)驗(yàn)證， 激光對(duì)風(fēng)裝置 （見(jiàn)圖 5）體積輕巧、安裝快捷、使用方便、定位準(zhǔn)確，能夠滿(mǎn)足多種惡劣天氣情況下的使用，其精度達(dá)到風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度要求。

圖5 激光對(duì)風(fēng)裝置實(shí)物

6 結(jié)論

利用風(fēng)向標(biāo)和機(jī)艙之間的找零對(duì)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度至關(guān)重要，也是現(xiàn)在機(jī)艙對(duì)風(fēng)的唯一方法，機(jī)艙的初始對(duì)風(fēng)是以后機(jī)組運(yùn)行中偏航的唯一基準(zhǔn)，直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際功率曲線(xiàn)特性。

本文設(shè)計(jì)了一套利用激光對(duì)風(fēng)向標(biāo)找零、改進(jìn)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)的裝置，其對(duì)風(fēng)精度高，能夠適應(yīng)多種惡劣天氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、通用性高，能夠適用于各種機(jī)型，能夠有效地提高風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)精度，改善機(jī)組實(shí)際功率曲線(xiàn)，提高了機(jī)組的性能和發(fā)電能力。

[1]廖平,王建錄.基于遺傳算法的機(jī)械零件形位誤差評(píng)定[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011

[2]王 建 錄, 郭慧文, 吳 雪 霞. 風(fēng) 力 機(jī) 械 技術(shù) 標(biāo) 準(zhǔn) 精編[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

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Research on App lying Laser to Im prove Accuracy ofW ind Turbine and W ind

Cai Chunyan， Wang Bing， Long Xibin， Yang Wenzhuo， Zhao Qi
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The power curve is the design basis ofwind turbine,which is also an important index of assessing performance and power generation of wind turbine.According to the comprehensive analysis of power curve problems,accuracy of wind turbine and wind is the key of influencing power curve.Nearly all of the recentwind turbine use wind vane to ad justwind turbine and direction of the wind.This article analyses and researches the way aboutadjusting wind turbine and direction of the wind,puts forward amethod of adjusting wind turbine and direction of the wind which wonˊt be affected by the weather and light,butmore accurate and convenient than before,thus,it improves the accuracy ofwind turbine and optimizes the power curve.

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TK83

： B

： 1674-9987(2014)02-0053-03

蔡春燕 （1979-）， 女， 工學(xué)學(xué)士， 工程師， 2001 年畢業(yè)于四川工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)， 現(xiàn)從事風(fēng)電工藝設(shè)計(jì)研究工作。