伺服產(chǎn)品在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用

世界各國在改善能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率的同時(shí)都在大力發(fā)展可再生能源，其中發(fā)展最迅速的就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本要求為：保證可靠運(yùn)行、獲取最大能量、提供良好的電力質(zhì)量。為了達(dá)到這一控制目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)經(jīng)歷了定槳距控制、變槳距控制及變速控制。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的大型化，變槳距控制風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其高效性和實(shí)用性正受到越來越多的重視。變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速的變化來調(diào)整葉片的槳距角，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，以達(dá)到風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速階段盡可能多的吸收風(fēng)能，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高風(fēng)速階段保持功率平穩(wěn)輸出的目的。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制的總體方案是：風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化槳距角定槳距運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，利用變槳控制系統(tǒng)增大β，降低Cp，控制風(fēng)輪捕獲功率，保持風(fēng)力機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

目前，國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組變槳距控制主要有兩種方式，即統(tǒng)一變槳距控制(CPC， Collective Pitch Control)和獨(dú)立變槳距控制(IPC，Individual Piteh Control)。前者是指機(jī)組的所有槳葉都由一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，進(jìn)行相同的槳距角變化；后者是在前者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型變槳距控制理論和方法，獨(dú)立變槳距控制是指風(fēng)機(jī)的每個(gè)槳葉都由獨(dú)立的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制。不過，他們各自特點(diǎn)非常明顯：前者具有控制簡單，成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，但是一旦變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，只能停機(jī)維修;后者成本較前者高，且在控制上較復(fù)雜，但是可以很好的應(yīng)付自然界中風(fēng)力在風(fēng)輪平面上分布不均的問題，提高風(fēng)能的利用率，減小槳葉的拍打震動(dòng)，降低風(fēng)力對機(jī)組的沖擊，同時(shí)也可以避免一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障就必須停機(jī)的問題。因此，獨(dú)立變槳比統(tǒng)一變槳更具有優(yōu)勢。

伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)變槳控制的核心成分，目前變槳距的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致分為電液伺服變槳距系統(tǒng)和電氣伺服變槳距系統(tǒng)兩類：

1.      電液伺服變槳距系統(tǒng)

液壓變槳系統(tǒng)根據(jù)給定的槳距角，利用一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動(dòng)或者由3個(gè)液壓缸分別推動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)槳距角，優(yōu)點(diǎn)是對于大慣性負(fù)載具有頻率響應(yīng)快、扭矩大，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，便于集中控制和集成化等優(yōu)點(diǎn)，目前在中國商業(yè)機(jī)組中占有重要的地位，國外Vestas、Gamesa和EHN等公司的風(fēng)機(jī)也采用液壓變槳技術(shù)。缺點(diǎn)是其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，漏油、卡澀時(shí)有發(fā)生，且液壓傳動(dòng)部件在夏季和冬季的控制精度差別較大。

液壓變槳距系統(tǒng)是一個(gè)典型的位置控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)通過控制電液比例輸出閥的壓力實(shí)現(xiàn)對液壓缸活塞桿位移的控制，所以其控制性能取決于比例閥、液壓缸等元部件的特性及槳距控制器的設(shè)計(jì)。具體工作時(shí)，槳距控制器根據(jù)槳距角給定與實(shí)際槳距角的差值計(jì)算出電液比例閥的控制電壓(－10~+10 V)，通過電液比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號，該電流信號控制比例閥輸出流量的大小和方向。實(shí)際槳距角通過位移傳感器測量液壓缸活塞的位移信號，利用A/D得到。液壓缸按電液比例閥輸出的方向和流量推動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)槳距角。

2.      電氣伺服變槳距系統(tǒng)

電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制，其中位置環(huán)用于實(shí)現(xiàn)位置的精確控制，速度環(huán)和電流環(huán)分別用于實(shí)現(xiàn)快速的跟蹤和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。具體工作時(shí)，電動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)利用伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，而小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)相嚙合，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與槳葉一起旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)槳距角，具有快速性、同步性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可充分利用有限空間實(shí)現(xiàn)分散布置，同時(shí)不存在漏油、卡澀等機(jī)械故障，并能實(shí)現(xiàn)對槳葉的獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是電氣布線困難，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差。另外電機(jī)本身如果連續(xù)頻繁地調(diào)節(jié)槳葉，將產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷使電機(jī)損壞。

在一臺風(fēng)機(jī)的造價(jià)構(gòu)成中，葉片、齒箱輪、塔架的成本最高，分別占比總構(gòu)價(jià)的23%、15%、15%。

圖表 30：風(fēng)機(jī)各構(gòu)件成本占比

目前，博世力士樂、施耐德公司的伺服產(chǎn)品在風(fēng)電行業(yè)里應(yīng)用較多。

2011年風(fēng)電行業(yè)伺服系統(tǒng)的市場規(guī)模為3.9億元。