大型風電機組變槳距控制技術的研究

　　3.2 電動變槳距系統
　　電動變槳距系統可以使3 個葉片獨立實現變槳距，圖3 為電動變槳距系統的總體構成框圖。主控制器與輪轂內的軸控制盒通過現場總線通信，達到獨立控制3 個獨立變槳距裝置的目的。主控制器根據風速、發電機功率和轉速等，把指令信號發送至電動變槳距系統；電動變槳距系統把實際值和運行狀況反饋至主控制器。
　　單個葉片的變槳距裝置一般包括控制器、伺服驅動器、伺服電機、減速機、變距軸承、傳感器、角度限位開關、蓄電池、變壓器等。其中伺服驅動器用于驅動伺服電機，實現變距角度的精確控制。傳感器可以是電機編碼器和葉片編碼器，電機編碼器測量電機的轉速，葉片編碼器測量當前的槳距角，與電機編碼器實現冗余控制。蓄電池組是出于系統安全考慮的備用電源。
　　圖4 為變槳系統的電機執行機構原理圖，圖中只畫出了一個槳葉的變槳距執行機構，其它兩個槳葉與此完全相同。每個槳葉分別采用一個帶位移反饋的伺服電機進行單獨調節。位移傳感器采用光電編碼器，安裝在電動機輸出軸上，采集電機轉動角度。由于槳距角的變化速度都很慢，一般不超過每秒15°，而一般的伺服電機額定轉速都為每分鐘幾千轉，因此需要一個減速機構。伺服電機連接行星減速箱，通過主動齒輪與槳葉輪轂內齒圈相連，帶動槳葉進行轉動，實現對槳葉節距角的直接控制。在輪轂內齒圈的邊上又安裝了一個非接觸式位移傳感器，直接檢測內齒圈轉動的角度, 即槳葉節距角變化。當內齒圈轉過一個齒，非接觸式位移傳感器輸出一個脈沖信號。變槳距控制依據光電編碼器所測的位移值進行控制。非接觸傳感器作為冗余控制的參考值，它直接反映槳葉節距角的變化。當發電機輸出軸、聯軸器或光電編碼器出現故障時，即光電編碼器與非接觸位移傳感器所測數字不一致時，控制器便可知道系統出現故障。在輪轂內齒圈邊上還裝有一個接近開關，起限位作用( 0°和90° )。控制器安放在電氣板上，便于散熱。如果系統出現故障，控制電源斷電時，電機由UPS供電， 60 秒內將槳葉調節為順槳位置。在UPS 電量耗盡時，繼電器斷路，原來由電磁力吸合的制動齒輪彈出，制動槳葉，保持槳葉處于順槳位置。在風電機組正常工作時，繼電器得電，電磁鐵吸合制動齒輪，不起制動作用。

表2 主要變槳控制器廠家產品特點

　　3.3 液壓和電動變槳距系統特點比較
　　在表1 對風電機組液壓變槳和電動變槳方式的特點進行了比較，可見電動變槳比液壓變槳具有更多的優點。盡管液壓變槳具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、執行機構動態響應快等特點，能夠保證快速準確地把葉片調節到預定節距；但由于液壓變槳機構、控制系統比較復雜，且存在漏油、卡塞等現象，目前電動變槳已成為主流技術。表2 給出了世界上主要的風電機組變槳控制器生產公司產品特點，可見大部分廠家生產的是電動變槳裝置。另據最新資料顯示，全球風電機組的幾個大供應商均采用了電動變槳機構作為變槳距系統的組成。例如：GE WindPower公司的3.6MW 風電機組，Enercon 公司的E-112 型風電機組，Suzlon 公司的2MW 機組，REpower 公司的5MW 機組，Nordex 公司的N90/2500kW 機組，Siemens 公司的3.6MW 機組等都是應用了電動變槳距結構。通過上述比較分析可知，電動變槳將會成為變槳技術的發展趨勢。