摘要：风力发电是低碳环保经济下的新兴产业，可以实现绿色经济发展。变桨桨叶风力发电机可以随着外界风速的变化实时调整桨叶的角度，保证风力发电机在最佳的状态下运行。本文对变桨控制技术进行分析介绍，对常见的变桨控制模式进行解析，可以更好的促进变桨控制技术和控制设备的理解，从而促进变桨控制技术的推广和发展。
关键词：风力发电机 变桨 控制系统
1引言
随着低碳经济逐渐受到广泛的关注，人们对于再生能源的开发和利用力度逐渐加强。另外，煤炭、石油等能源的大量开采利用，使得各国均面临着能源危机问题。风力作为一种可再生能源已在多个国家和地区得到应用。风力发电机在结构和控制方面的技术也逐渐趋于完善。变桨距风力发电机逐渐占据主导地位，并开始逐渐替代定桨距风力发电机。基于此情况，本文主要对变桨距风力发电机的相关控制过程和控制技术进行分析探究，以促进和提升变桨距风力发电机的应用效果。
2风电机组控制系统概述
随着风电机组的不断发展，其单机的容量也有了较大的提高。随着塔架高度和叶轮直径的加大，兆瓦级别的风力发电机在定额的风速下，桨叶在转动过程中，其最高端和最低端的垂直高度上的功率吸收差别达到20%以上。这一情况使得定桨发电机在应用上存在较大的弊端。变桨距控制系统作为高量级发电机组发电机组控制系统的核心部分，对于机组高效、稳定运行有非常重要的作用。桨叶变距过程采取独立的伺服控制系统，这样可以减少传动系统的故障率，减轻输出的力矩脉动，提升整个系统的稳定运行性。另外，独立的桨叶变距不仅拥有普通的叶轮整体变距控制优点，还能很好地解决垂直高度上风速变化对于风机影响这个不利的因素。液压变桨方式结构比较复杂，会给维护和修理带来较大的不便，目前常用的变桨控制方式是电变桨驱动方式。
3变桨控制系统工作原理
变桨系统的主要作用原理为，首先机舱内的主控制器监测外界风速、转子的转速及叶片的转动角度。主控制器通过内部的特定计算模块计算上述三者之间的组合是否达到最佳状态。如果需要调整，主控制器发送信号至叶片的驱动电源模块，发动机的电源模块通过接收的信号并进一步进行逻辑计算，从而将信号传输到叶片的伺服驱动器指令，从而驱动叶片转动。每个叶片均有特定的驱动伺服电机，当叶片转动到指令位置后，驱动电机会得到停止信号，完成变桨的整个过程。当紧急状况时，主处理器失效由UPS（后备电源）执行紧急顺桨，将叶片转到安全位置。
目前，市面上应用的变桨发电机主要有两种，液压变桨和电变桨两种方式，其中电变桨又可以分为直流电源变桨和交流电源变桨。
4 变桨系统的作用
变桨控制系统可以使叶片在0-90度之间进行切换，便于进行输出功率的调节，避免了定桨机组在确定叶片角度之后，出现夏季发电低，而冬季发电超发的情况出现，使得发电功率得到优化，将风能更好地转化为电能。
(1)功率调节作用
变桨距控制是最为常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨的目的是通过控制制桨的角度，调节叶片和机组吸收风能的效率。环境风速处于风力发电机叶片额定风速以下时，桨距角一般调整在0度，以使得发电机叶片最大限度地接触环境风，保证发电机组更多地利用风能。反之，如果外界环境风速大于额定风速，变速控制器和变桨控制器会共同作用，变速控制器控制发电机的扭矩，使其保持恒定，从而使得功率恒定。变桨控制器控制发电机的转速，使其稳定恒定值，改变桨距角充分地吸收风能使得功率最大化，保证风机的最佳利用率。
(2)气动刹车作用
气动刹车过程通过桨叶迅速顺桨至停机位置来完成刹车过程。控制系统的所有相关的指令，包括普通停机、异常紧急停机、快速停机等，通过数据传输线传导到变桨系统，由变桨系统转化信号后来完成相应的指令动作。无论在任何原因下的停机过程，可以通过硬件和软件的方式已设定的变桨速度朝向90度方向顺桨，以保证机组运行的安全性。
5变桨控制系统结构解析
液压变桨距机构
目前，常用的液压变桨距机构模式主要有三种：液压缸通过曲柄滑动机构推动三片桨叶同步运动，三个液压缸通过各自的曲柄滑动机构推动三片桨叶运动，三套伺服电机通过减速机分别驱动三片桨叶运动。目前，上述三种控制模式均有厂家在进行生产销售，生产制造液压变桨距机构的国家主要集中在美国、德国、西班牙、印度等。图1为液压桨叶机构的示意图。
图1 液压变桨距示意
图2 变桨系统硬件架构
上述部件的各部分作用：推动杆，主要用于将机舱内液压缸内的压力传输到同步转盘上。支撑杆，主要用于推动杆轮毂端径向支撑。导套，与支撑杆形成轴向运动，从而限制支撑杆的径向运动。同步盘，把推动杆的轴向力进行适当的分解，形成推动三片桨叶运转的动力。上述部件中，同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘组成了曲柄滑动装置，将推动杆的直线运动更换为偏心盘的圆周运动。
液压控制系统过程如下：控制系统根据环境的风速，通过内部的计算模块进行计算，将计算信号转化为桨距角信号，液压系统根据指令驱动液压缸，从而带动推动杆、同步盘运动，同步盘再通过短转轴、连杆等设备进行变距。
电变桨距机构：电变桨距机构可以细分为直流电变桨和交流电变桨。直流电变桨根据变桨时驱动叶片转动的电机供电方式进行命名，同样，交流电变桨即电机的驱动方式为交流电。目前，应用最多的电变桨是直流电变桨模式。直流电变桨的优势为在紧急特殊的环境下，直流电可以不通过伺服驱动系统，可以直接将电源传输到叶片转动系统，从而使得叶片转动到安全位置。而交流电变桨要给电机的伺服驱动系统供电，电机的伺服驱动系统再控制叶片转动到安全位置。
上图2为硬件结构框架图，变桨系统大都由7个柜组成变桨主柜3个叶片对应的3个轴柜，已经对应的3个电池柜控制信号和电源通过滑环输送给变桨系统；变桨系统主柜由主控制器和冗余控制器（安全控制器），电源及功率监视，以及3个叶片的电池管理和驱动控制等部分；轴柜又称驱动柜，主要是执行叶片角度的转动；电池柜用于紧急状况下的叶片顺桨到安全位置的动力供给；叶片编码器进行叶片角度检测和信号反馈；91度限位开关。当叶片进行紧急顺桨时，压到91度限位开关后停止转动，刹车锁定；95度限位开关是最后的保护装置，强制叶片停止。电机轴编码器是对叶片角度的校核。桨叶电机是叶片转动的动力输出装置。刹车部分为叶片的锁定装置。温度开关控制风扇和加热器的运行。
6 变桨距控制的特点
(1)输出功率特性
变桨距风力发电机与定桨发电机相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点，其功率调节不完全依靠桨叶的气动功能。
(2)风能利用率
变桨距风力发电机与定桨发电机相比，其额定风速相对较低，风能的利用系数较定桨距发电机高。
(3)启动与制动功能
变桨距风力机在低风速时，桨叶桨距角可以调节到合适的角度，使桨叶具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力机比定桨距风力机更容易起动。制动时，桨叶顺桨，风机的受力小，不需要过大的制动力距。
7结语
风力发电机组中，变桨机组已经展现出超出定桨机组的明显优势。变桨机组的功率控制和运行平稳性能力均明显提升，在目前风力发电中占据着主导作用。变桨系统通过控制机组的指令实现对桨叶角度的控制，保证机组在不同环境参数下能够保持最佳状态运行，自动调节桨叶。另外，可以实现气动刹车，保证运行安全。本文通过对变桨控制系统进行分析，可以更好地促进变桨控制过程的理解和应用，促进变桨控制技术的应用。
参考文献:
[1] 田佳. 直驱式风力发电机组变桨调速控制系统研究[D]. 石河子大学, 2017.
[2] 王艳领, 郑卫红, 李朝锋,等. 大型风电机组变桨仿真试验系统的研究与实现[J]. 电子设计工程, 2016, 24(15):52-55.
[3] 黄俊梅. 基于神经网络的风电机组变桨距恒功率控制系统的研究[J]. 电子产品世界, 2017, 24(5):76-79.
论文作者:孙研宾
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：桨叶论文; 叶片论文; 机组论文; 控制系统论文; 风速论文; 系统论文; 风能论文; 《电力设备》2018年第19期论文;