風電機組變槳系統(tǒng)的研究

文／中國第一重型機械集團大連設(shè)計研究院有限公司海洋工程研究室 方 濤 黃維學(xué)

1 引言

風能作為一種無污染的可再生能源，其開發(fā)具有巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保價值和發(fā)展前景，對它的利用已受到世界各國的高度重視。在早期的風電機組主要以定槳距機組為主，由于其機組的轉(zhuǎn)速不能隨風速改變導(dǎo)致風能利用率低、風速突變時對支撐部件具有很大的負載波動沖擊和并網(wǎng)時可能帶來較大電流沖擊等缺點，逐步被變槳距風電機組所取代。變槳距風電機組通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況，同時比定槳距風力發(fā)電機具有更好的風能捕捉特性。

變槳距技術(shù)是指借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)，根據(jù)風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上葉片的槳距角的大小，來達到控制發(fā)電機的輸出功率的目的。隨著風電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，目前采用的風輪的變槳技術(shù)既能保證風電機組運行的穩(wěn)定性，減輕風電機組的重量，又能提高其風能轉(zhuǎn)化系數(shù)和改善功率曲線，使風電機組在不同風速下始終保持最佳的風能捕獲效果，從而提高系統(tǒng)性能。大容量的風力機組大多采用變槳距調(diào)節(jié)[1-6]。變槳距技術(shù)對機組的運行狀態(tài)起著非常關(guān)鍵的作用，對機組穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有重要的意義。

2 變槳的工作原理

風電機組的葉片將隨機的動態(tài)風能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)系系統(tǒng)的的機械旋轉(zhuǎn)能，作為發(fā)電機的輸入來驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生電能。風機轉(zhuǎn)子的運行不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，而且直接影響機組的穩(wěn)定優(yōu)化運行。所以風機的運行特性是確定風電機組控制策略的重要依據(jù)。

風能利用系數(shù)CP代表了風輪從自然風能中吸收能量的大小程度。對于變槳距風力發(fā)電機組，CP是葉尖速比λ和槳距角β的高階非線性函數(shù)，根據(jù)相關(guān)研究計算，風能利用系數(shù)可以采用以下函數(shù)進行模擬[7]。

其中，葉尖速比λ為風輪葉片葉尖處速度（圓周速度）與風在接觸葉片之前很遠距離上速度的比值，是表征風電機組特性的一個重要參數(shù)。

由CP的函數(shù)表達式（1）可得到，風電機組的特性可由CP(β,λ)曲線來表示，如圖1所示。從圖中可看到:（1）對于具體某一槳距角β，曲線都有最高點，即風能利用系數(shù)具有最大值CPMAX，這時的尖速比為最佳值βOPT。（2）在任何葉尖速比下，風能利用系數(shù)CP在槳距角為0o時具有最大值。（3）隨著槳距角的增大，風能利用系數(shù)CP將顯著減小。

圖1 變槳距風機特性曲線（CP-λ）

以上形成了變速變槳距風電機組控制理論:風速在額定風速以下時，葉片槳距角β在零度附近，使風電機轉(zhuǎn)子速度追隨風速的變化，從而保證風能利用系數(shù)維持CPMAX在附近，達到捕獲最大風能的目的。當風速在額定風速以上時，改變?nèi)~片槳距角來減少吸收的風能，使發(fā)電機運行在額定轉(zhuǎn)速附近，從而使風電機組的輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，其控制原理圖如圖2所示。

3 機組運行工況及變槳控制策略

3.1 機組運行工況

變槳距風力發(fā)電機組的一個重要運行特性就是運行工況隨風速變化而變化，所以根據(jù)風速情況和風電機組功率特性的不同，可以將整個運行過程劃分為四個典型工況，即啟動階段、欠功率運行階段、額定功率運行階段和保護切出階段。

啟動階段。在啟動之前風機的葉片處于靜止，葉片處于順槳位置，葉片相當于一塊阻尼板，這時空氣通過葉片時將不在葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風速達到風電機組的切入風速以上時，風電機組將由等待狀態(tài)轉(zhuǎn)入啟動狀態(tài)，葉片從90o向0o方向轉(zhuǎn)動，當氣流對葉片有一定升力后，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動。

欠功率運行階段。在該階段由于風速未達到額定風速，發(fā)電機運行在額定轉(zhuǎn)速以下，風電機組在額定功率以下運行，機組在該階段不對槳距角進行控制，而是隨著風速的變化來調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，最大限度地捕獲風能并將電能輸送到電網(wǎng)。

額定功率運行階段。隨著風速的不斷增大，發(fā)電機發(fā)出的電功率也隨著增加，當風速達到或超過額定風速后，發(fā)電機發(fā)出的電功率也達到了額定功率附近。這時變槳距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制，保證機組的輸出功率在額定功率附近而不會超過功率極限。

保護切出階段。當風速增大到超過機組所能承受的最大風速，這時控制系統(tǒng)為了保護機組而使機組安全停機。在該階段，變槳系統(tǒng)的最重要的任務(wù)就是使葉片及時收槳，達到降低風輪轉(zhuǎn)速的目的，同時剎車系統(tǒng)也將投入使用，并網(wǎng)開關(guān)將變流器與電網(wǎng)斷開。

3.2 控制策略

圖2 變槳系統(tǒng)控制原理圖

為了使機組能夠最大限度地產(chǎn)生電能并能安全穩(wěn)定運行，在不同工況下需要對風電機組采取不同的控制目標，變槳系統(tǒng)將采取不同的控制策略。如圖3所示。

圖3 不同風速下風機參數(shù)的變化

第一個工況:風速低于切入風速，機組處于等待狀態(tài)，槳距角保持在90o，直至風速達到切入風速；

第二個工況:風速處于切入風速和額定風速之間，啟動并網(wǎng)瞬間變槳控制系統(tǒng)將根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整槳距角，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速，并使其轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一段時間，以最佳時機并入電網(wǎng)，并確保對電網(wǎng)沖擊最小，隨后機組持續(xù)向電網(wǎng)送電，這一階段通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩使風輪轉(zhuǎn)速跟隨風速的變化，在此區(qū)域內(nèi)，設(shè)基準轉(zhuǎn)速為Wref，此時β=0，即跟蹤最大功率點實現(xiàn)最大風能的捕獲；

第三個工況:風速處于額定風速和切出風速之間，這一階段需要投入槳距角控制，采用功率反饋控制來控制風機輸出功率的大小，即當實際輸出功率大于額定輸出功率時，增大槳距角以減小風能的捕獲，當風速減小到使發(fā)電機輸出功率低于額定功率時，變槳系統(tǒng)將減小槳距角，增大葉片上吸收的風能，從而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升來增加發(fā)電機的輸出功率，即在此區(qū)域內(nèi)通過調(diào)節(jié)槳距角保持風機輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近；

4 變槳系統(tǒng)的形式

變槳系統(tǒng)是變槳型風電機組的關(guān)建子系統(tǒng)，目前全球大型風電機組的變槳系統(tǒng)根據(jù)動力形式主要有兩種方案:液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)。液壓變槳系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)具有單位體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)矩大，無需變速機構(gòu)且技術(shù)成熟等優(yōu)點，Vestas、Gamesa，Siemens等公司的風機采用了液壓變槳技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動變槳系統(tǒng)以適應(yīng)能力強、響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、無泄露、無污染和維護方便等優(yōu)點近年來得到了廣泛的應(yīng)用，Enercon、Repower、Nordex等公司的風機都是采用的電動變槳技術(shù)。液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)在功能上沒有優(yōu)劣之分，但是兩者由于執(zhí)行機構(gòu)不同，在性能上各有其特點。

4.1 液壓變槳系統(tǒng)

液壓變槳系統(tǒng)利用液壓缸作為原動機，在傳遞介質(zhì)液壓油的作用下，液壓缸的運動帶動連桿機構(gòu)來推動葉片旋轉(zhuǎn)，節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。主控系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋的發(fā)電機轉(zhuǎn)速或功率，通過滑環(huán)和總線向變槳控制系統(tǒng)發(fā)送槳距角指令，變槳控制系統(tǒng)根據(jù)主控系統(tǒng)的指令給出相應(yīng)的信號，來控制比例閥輸出流量的大小和方向。液壓系統(tǒng)的液壓缸根據(jù)比例閥輸出的流量和方向來驅(qū)動葉片的角度在-5o+90o之間變化?？刂瓶驁D如圖4所示。變槳系統(tǒng)是一個伺服系統(tǒng)，通過PI控制，D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號來控制比例閥的流量，不同的流量使液壓缸產(chǎn)生不同的運動，從而使葉片的槳距角發(fā)生變化，同時采用位移傳感器檢測液壓缸的位移，將測出的值轉(zhuǎn)換后輸入到比較器。

圖4 液壓變槳槳距角控制框圖

對于兆瓦級的風力發(fā)電機組，液壓變槳系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求:

1、驅(qū)動力大，油路的安裝檢修方便，有足夠的強度和精度，安全可靠；

2、系統(tǒng)能在低溫環(huán)境中正常工作；

3、系統(tǒng)正常開槳速度與收槳速度基本相當；

4、系統(tǒng)具有掉電能實現(xiàn)自動收槳功能。

如何解決這個問題？我覺得，要先從調(diào)結(jié)構(gòu)做起。關(guān)于結(jié)構(gòu)調(diào)整，首先必須改變機關(guān)化的傾向。調(diào)研中，武漢市關(guān)于新招錄的人員都要到基層先干兩年再回機關(guān)的做法，十分符合實際。沒有基層經(jīng)驗的人，可以把組織關(guān)系、行政關(guān)系放在機關(guān)，那沒問題，但是人你得下基層，到基層實踐、接受鍛煉，這樣不僅會改變我們整個司法行政系統(tǒng)的隊伍結(jié)構(gòu)，也會增加基層力量。機關(guān)干部扎扎實實在基層呆兩年，來了新的同志再下去呆兩年。這樣的做法，首先確保基層兩年的力量有了保證，其次把這種做法形成一種制度，基層力量不足的情況就會不斷得到改善。

4.1.1 液壓變槳系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓變槳系統(tǒng)的構(gòu)成簡圖如圖5所示。該系統(tǒng)的主要元器件有油箱、泵、蓄能器、液壓管路和三套獨立的變槳裝置等，在本圖中僅顯示了一套變槳裝置，其中，20為齒輪式液壓泵，M為驅(qū)動泵的電機，8，9，10分別為動力單元蓄能器、變槳系統(tǒng)蓄能器和變槳單元的蓄能器，15為比例電磁閥，C為液壓缸，18為直線位移傳感器用于間接反饋角度。

4.1.2 液壓變槳系統(tǒng)的工作過程

圖5 液壓變槳系統(tǒng)功能簡化圖

為了達到將液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)化成葉片的旋轉(zhuǎn)運動，在實際的風電機組上將液壓缸的一端固定在輪轂內(nèi)，另外一端通過活塞桿連接到葉片根部的變槳軸承外圈的切線上。

正常啟動時變槳過程為:電磁閥11、12、13和14上電，比例閥15的交叉線圈通電使P與B、A與T連通，液壓油經(jīng)過的路徑為:泵20-單向閥2-旋轉(zhuǎn)接頭-單向閥3-電磁閥11-比例閥15的P-B端-單向閥6-液壓缸的B端，從而推動活塞桿右移液壓缸A端的液壓油經(jīng)過-電磁閥14-比例閥15的A-T，最終回到油箱。

正常收槳時的變槳過程為:電磁閥11、12、13上電，比例閥15的另外一組交叉線圈通電使P與A、T與B連通，液壓油經(jīng)過的路徑為:泵20-單向閥2-旋轉(zhuǎn)接頭-單向閥3-電磁閥11-比例閥15的P-A端-電磁閥14-液壓缸的A端，液壓缸B端的液壓油通過單向閥5-電磁閥11回到壓力管內(nèi)，從而使液壓缸的活塞向左移動。

緊急收槳的過程為:在緊急情況下，液壓變槳系統(tǒng)需要緊急收槳，電磁閥12,13采取完全打開或完全關(guān)閉來實現(xiàn)這些動作，這時電磁閥11,12,13和14 全掉電，液壓油的路徑為:蓄能器10-流量控制閥17-電磁閥12-單向閥7-液壓缸的A端，液壓缸B端的油經(jīng)過電磁閥13、帶控制端的泄壓閥16再回到油箱。

為了使收槳速度不至于過快，在液壓回路中增加了帶控制端的泄壓閥16，當緊急收槳時，泄壓閥16的控制端的壓力隨著液壓缸A端的壓力下降而變化，其能控制回路液壓油的流量，從而保證平穩(wěn)收槳。緊急收槳的速度一般在10o/s左右。

圖6 液壓變槳系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)圖

液壓變槳系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖6所示。1為輪轂，2為偏心塊，3為活塞桿，4為槳葉，5為回轉(zhuǎn)支承，6為油缸，7為油缸座，8為閥塊，9為內(nèi)壓板。

從圖6可以看出，風電機組的每個槳葉都有一套獨立的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，一個槳葉出現(xiàn)故障時，其他兩個槳葉仍能正常工作，增加了系統(tǒng)的安全性。

液壓變槳系統(tǒng)的優(yōu)點:

1）液壓驅(qū)動變槳距系統(tǒng)具有相應(yīng)快、剛度大、扭矩大、運行平穩(wěn)、可與偏航、制動等系統(tǒng)共用油源便于集成化布置等優(yōu)點；

2）液壓阻尼的存在可以吸收葉片轉(zhuǎn)軸上面的沖擊轉(zhuǎn)矩，對葉片及風機本身起到很好的減震緩沖效果；

3）液壓變槳系統(tǒng)采用的軸承更簡單，結(jié)構(gòu)更強。

液壓變槳系統(tǒng)的缺點:

1）油液存在泄露問題，故障排查較難，泄露的油液易引起火災(zāi)；

2）由于振動的存在，密封圈及導(dǎo)向環(huán)很容易被磨損，

3）液壓變槳系統(tǒng)價格昂貴，系統(tǒng)比較復(fù)雜，變槳速度慢于電動變槳；

4）當液壓油有雜質(zhì)后閥芯易發(fā)生卡澀甚至“卡死”，維修保養(yǎng)比較困難，停機狀態(tài)不能得到及時解決；

6）液壓油，過濾器需定期檢測、更換；

7）旋轉(zhuǎn)接頭質(zhì)量、油管連接要求高，夏天部件出故障概率高。

4.2 電動變槳系統(tǒng)

電動變槳系統(tǒng)是通過槳距角控制器得到的槳距角指令，把槳距角指令轉(zhuǎn)換為伺服電機的控制信號，驅(qū)動伺服電機來帶動變槳減速器輸出小齒轉(zhuǎn)動，從而帶動與葉片相連的變槳軸承旋轉(zhuǎn)。

4.2.1 電動變槳系統(tǒng)的構(gòu)成

電動變槳距系統(tǒng)一般包括變槳控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電動機、減速器、備用電源、傳感器和變槳軸承等。這些部件均安裝在輪轂內(nèi)或輪轂上。

變槳控制系統(tǒng)是整個伺服系統(tǒng)的核心，把來自主控系統(tǒng)的槳距角命令值發(fā)送到各變槳伺服驅(qū)動系統(tǒng)，并通過滑環(huán)連接通訊總線把槳距角實際值和運行狀況反饋到主控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用三相全橋不可控整流，三相正弦PWM逆變器變頻的AC-DC-AC機構(gòu)。為避免通電時出現(xiàn)大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵生電壓，設(shè)有能耗泄放電路。電動機可采用直流電機、交流電機或永磁電動機作為驅(qū)動動力源。減速器通過輸出端的法蘭固定在輪轂內(nèi)，其用于將電機輸出較高的速度減速為能夠驅(qū)動變槳軸承合適的速度，帶動槳葉進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了改變槳距角的目的。備用電源可以為蓄電池或超級電容，其作用是在電網(wǎng)掉電或用于驅(qū)動的電源出現(xiàn)故障時，安全鏈斷開，緊急啟動備用電源來緊急收槳達到安全停機的目的。傳感器包括旋轉(zhuǎn)編碼器、角度編碼器和限位開關(guān)。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電動機輸出軸上，采集電動機轉(zhuǎn)動角度。角度編碼器安裝在輪轂邊上，與變槳軸承的內(nèi)齒圈相嚙合，直接檢測內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過的角度，也就是葉片槳距角變化的角度。限位開關(guān)也安裝在輪轂靠近變槳軸承的邊上，起限位作用，確保葉片不超過安全位置。變槳軸承外環(huán)固定在輪轂上，內(nèi)環(huán)與葉片根部相連，減速器的輸出小齒與軸承的內(nèi)圈相嚙合。電動變槳系統(tǒng)構(gòu)成圖和實物圖分別如圖7，8所示。

圖7 電動變槳系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖8 電動變槳實物圖

4.2.2 電動變槳系統(tǒng)工作過程

正常變槳時，變槳控制系統(tǒng)通過總線接收主控系統(tǒng)的變槳指令，同時發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，電動機通過減速器減速后帶動變槳軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了葉片的轉(zhuǎn)動來改變槳距角。驅(qū)動系統(tǒng)通過改變變頻器輸出電壓的相序，就能夠改變伺服電動機的轉(zhuǎn)向，通過電動機的正、反轉(zhuǎn)使槳葉向90o或0o方向連續(xù)變槳。

緊急收槳時，變槳控制系統(tǒng)通過總線接收主控制系統(tǒng)的緊急收槳指令，同時將指令發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)的變頻器輸出較高頻率使電動機高速轉(zhuǎn)動，通過減速器的輸出小齒帶動變槳軸承內(nèi)圈快速旋轉(zhuǎn)，從而達到快速收槳的目的。一般緊急收槳的速度達到10o-12o/s。

在實際應(yīng)用中，由于葉片具有較大的慣性，為了防止變槳速度過快，一般在伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中的直流母線上加裝制動電阻，來消耗電動機轉(zhuǎn)速超過同步速度后產(chǎn)生的多余能量，從而達到制動的目的。在電機軸的末端還有一組電磁制動器，其作用是為到達目標位置的葉片提供剎車。

電動變槳系統(tǒng)的優(yōu)點:

1）電動驅(qū)動變槳距系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、無泄露、控制精度高、響應(yīng)快；

2）維護方便，輪轂內(nèi)干凈；

3）故障容易排查。

電動變槳系統(tǒng)的缺點:

1）隨著機組容量的增大，電機慣量也增大，使動態(tài)響應(yīng)特性變壞，而且頻繁的調(diào)節(jié)槳葉，容易使電機因過熱而損壞，元器件也易的燒損；

2）驅(qū)動系統(tǒng)和動力系統(tǒng)都在輪轂內(nèi)，增加了風輪重量和減小了輪轂內(nèi)作業(yè)的空間；

3）動力電纜、控制電纜和信號電纜較多，增加輪轂內(nèi)部布線的難度；

4）當多次頻繁斷網(wǎng)會耗盡備用電池，可能會出現(xiàn)不能順槳的問題；

5）變槳系統(tǒng)采用帶齒的軸承，易磨損。

5 結(jié)論

液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)從技術(shù)和性能上各有優(yōu)缺點，在目前全球的風電市場上均有應(yīng)用，且均達到了較好的應(yīng)用效果，在未來很長一段時間內(nèi)，兩種方案也還將同時存在。雖然目前對于我國來講，液壓變槳系統(tǒng)的應(yīng)用受到我國液壓行業(yè)整體水平的制約，但是從長遠來看，風機整機商至于采用哪種變槳形式應(yīng)該對該形式的掌握程度、供應(yīng)鏈的成熟度和持續(xù)性來考慮。

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