大型风电机组变桨距控制技术的研究

　　3.2 电动变桨距系统
　　电动变桨距系统可以使3 个叶片独立实现变桨距，图3 为电动变桨距系统的总体构成框图。主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通信，达到独立控制3 个独立变桨距装置的目的。主控制器根据风速、发电机功率和转速等，把指令信号发送至电动变桨距系统；电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈至主控制器。
　　单个叶片的变桨距装置一般包括控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速机、变距轴承、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等。其中伺服驱动器用于驱动伺服电机，实现变距角度的精确控制。传感器可以是电机编码器和叶片编码器，电机编码器测量电机的转速，叶片编码器测量当前的桨距角，与电机编码器实现冗余控制。蓄电池组是出于系统安全考虑的备用电源。
　　图4 为变桨系统的电机执行机构原理图，图中只画出了一个桨叶的变桨距执行机构，其它两个桨叶与此完全相同。每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节。位移传感器采用光电编码器，安装在电动机输出轴上，采集电机转动角度。由于桨距角的变化速度都很慢，一般不超过每秒15°，而一般的伺服电机额定转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。伺服电机连接行星减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制。在轮毂内齿圈的边上又安装了一个非接触式位移传感器，直接检测内齿圈转动的角度, 即桨叶节距角变化。当内齿圈转过一个齿，非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。变桨距控制依据光电编码器所测的位移值进行控制。非接触传感器作为冗余控制的参考值，它直接反映桨叶节距角的变化。当发电机输出轴、联轴器或光电编码器出现故障时，即光电编码器与非接触位移传感器所测数字不一致时，控制器便可知道系统出现故障。在轮毂内齿圈边上还装有一个接近开关，起限位作用( 0°和90° )。控制器安放在电气板上，便于散热。如果系统出现故障，控制电源断电时，电机由UPS供电， 60 秒内将桨叶调节为顺桨位置。在UPS 电量耗尽时，继电器断路，原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出，制动桨叶，保持桨叶处于顺桨位置。在风电机组正常工作时，继电器得电，电磁铁吸合制动齿轮，不起制动作用。

表2 主要变桨控制器厂家产品特点

　　3.3 液压和电动变桨距系统特点比较
　　在表1 对风电机组液压变桨和电动变桨方式的特点进行了比较，可见电动变桨比液压变桨具有更多的优点。尽管液压变桨具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、执行机构动态响应快等特点，能够保证快速准确地把叶片调节到预定节距；但由于液压变桨机构、控制系统比较复杂，且存在漏油、卡塞等现象，目前电动变桨已成为主流技术。表2 给出了世界上主要的风电机组变桨控制器生产公司产品特点，可见大部分厂家生产的是电动变桨装置。另据最新资料显示，全球风电机组的几个大供应商均采用了电动变桨机构作为变桨距系统的组成。例如：GE WindPower公司的3.6MW 风电机组，Enercon 公司的E-112 型风电机组，Suzlon 公司的2MW 机组，REpower 公司的5MW 机组，Nordex 公司的N90/2500kW 机组，Siemens 公司的3.6MW 机组等都是应用了电动变桨距结构。通过上述比较分析可知，电动变桨将会成为变桨技术的发展趋势。