1引言

　　風能是可再生能源中發展最快的清潔能源，也是最具有大規模開發和商業(ye) 化發展前景的發電方式。我國風能資源儲(chu) 量豐(feng) 富，發展風能對於(yu) 改善能源結構緩解能源短缺具有重大現實意義(yi) 。近年來，我國風電產(chan) 業(ye) 規模逐步擴大，風電已成為(wei) 能源發展的重要領域。

　　在風電技術發展方麵，風力發電機單機容量朝著大型化發展，兆瓦級風力機已經成為(wei) 了國際風力發電市場的主流產(chan) 品。目前大型風力發電機組普遍采用變槳距控製技術，例如，VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW， GE的1.5MW、2.5MW、3.6MW機組，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用變槳距係統。

　　變槳距調節是沿槳葉的縱軸旋轉葉片，控製風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。變槳距控製的優(you) 點是能夠確保高風速段的額定功率，額定功率點以上輸出平穩、在額定點具有較高的風能利用係數、提高風力機組起動性能與(yu) 製動性能、提高風機的整體(ti) 柔性度、減小整機和槳葉的受力狀況。因此國際風力發電市場的主流產(chan) 品是變速變槳距機組。

　　世界上大型風電機組變槳距係統的執行機構主要有兩(liang) 種，液壓變槳距執行機構和電動變槳距執行機構。其中，電動變槳距係統的槳距控製通過電動機來實現，結構緊湊、控製靈活、可靠，正越來越受到大多數整機廠家的青睞，市場前景十分廣闊。

　　目前，我國MW級變速恒頻風電機組電動變槳距係統產(chan) 品一直依賴進口，國外比較有代表性的有德國LUST、SSB、美國GE 公司的產(chan) 品。其高昂的產(chan) 品價(jia) 格、技術服務的不足和對關(guan) 鍵技術的封鎖嚴(yan) 重影響了我國風電產(chan) 業(ye) 的健康快速發展。風力發電機向著大型化的方向發展，變槳距控製技術已經成為(wei) 風力發電的關(guan) 鍵技術之一，研製電動變槳距係統實現大型風力機電動變槳距控製技術國產(chan) 化、產(chan) 業(ye) 化的要求十分迫切。因此，掌握電動變槳距控製技術將改變國外公司對變槳距控製技術壟斷的現狀，提高我國風電關(guan) 鍵技術的研製能力，降低風力發電的成本；對加快擁有自主知識產(chan) 權的風電設備研製，大力發展風電事業(ye) 具有重要意義(yi) ，從(cong) 而使我國在該領域的研究達到國際先進水平。

　　變速變槳風力發電機組是風力發電技術發展的主流方向，控製係統是機組的關(guan) 鍵部件之一。控製係統的性能優(you) 劣對風機運行的效率和使用壽命有至關(guan) 重要的影響。20世紀90年代，國外便開始了對變速風力機的運行特性和控製策略的研究，並取得了一係列的成果，生產(chan) 製造出成熟可靠的商業(ye) 化運營的控製係統產(chan) 品。目前的研究熱點集中在基於(yu) 現代控製理論的新型控製算法在風力發電控製係統中的應用上，以期進一步提高風力機的運行效率，減小疲勞載荷，改善輸出電能質量。我國風電產(chan) 業(ye) 起步較晚，目前對變速風電機組的運行特性及規律缺乏深入研究，在控製係統的產(chan) 業(ye) 化項目中，缺乏最優(you) 的控製策略依據。深入研究風電機組及風力機的運行特性和規律對於(yu) 控製係統的分析與(yu) 設計具有十分重要的指導意義(yi) 。

　　最大風能捕獲是控製係統的重要功能之一，它直接影響的風力發電機組的運行效率。對於(yu) 提高風電機組的發電量，減小風電成本具有重要意義(yi) 。而傳(chuan) 統的控製方法存在諸多不足，引起較大的能量損失，新型控製算法的研究和應用，可以有效提高風能利用效率，實現最大風能捕獲。

　　為(wei) 了獲得足夠的起在變槳距係統中需要具有高可靠性的控製器，本文中采用了羅克韋爾 SLC 500係列可編程控製器（PLC）作為(wei) 變槳距係統的控製器，並設計了PLC軟件程序，在國外某知名風電公司風力發電機組上作了實驗。

2變槳距風電機組及其控製策略

　　變槳距調節是沿槳葉的縱軸旋轉葉片，控製風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。如圖1所示為(wei) 變槳距風力發電機的原理圖。變槳距控製的優(you) 點是機組起動性能好，輸出功率穩定，停機安全等；其缺點是增加了變槳距裝置，控製複雜。

　　圖1 變槳距風電機組原理圖

　　在風力機設計的初期，設計人員就考慮到了變槳距控製，但是由於(yu) 對空氣動力學特性和風力機運行工況認識不足，控製技術還不成熟，風力機的變槳距機構可靠性不能滿足運行要求，經常出現飛車現象。直到20世紀90年代變槳距風力機才得到廣泛的應用。目前大型風力發電機組普遍采用變槳距控製技術，例如， VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW，ENRON Wind的1.5S-5MW，NORDEX的S77/1500KW等都采用變槳距結構。

定槳距控製，風力機的功率調節完全依靠葉片結構設計發生失速效應使高風速時功率不增大，但由於(yu) 失速點的設計，很難保證風力機在失速後能維持輸出額定功率，所以一般失速後功率小於(yu) 額定功率［1］［4］；而變槳距風力機可以根據風速的大小調節氣流對葉片的功角，當風速超過額定風速時，輸出功率可以穩定在額定功率上。如圖2所示為(wei) 定槳距風力機和變槳距風力機的輸出功率比較曲線。在出現台風的時，可以使葉片處於(yu) 順槳，使整個(ge) 風力機的受力情況大為(wei) 改善，可以避免大風損害風力機組。在緊急停機或有故障時，變槳距機構可以使葉片迅速順槳到90°，風輪速度降低，減小風力機負載的衝(chong) 擊，延長風電機組的使用壽命。

　　圖2 變槳距和定槳距風力機的功率曲線

　　變槳距控製技術關(guan) 係到風力發電機組的安全可靠運行，影響風力機的使用壽命。隨著變槳距風力機的廣泛應用，許多學者和研究人員投入了變槳距控製技術及變槳距風力機結構的研究。目前人們(men) 主要致力於(yu) 通過控製槳距角使輸出功率平穩、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩等技術的研究。Vestas公司推出了OpiTip（最佳槳距角）風力發電機組，不但優(you) 化了輸出功率，而且有效的降低的噪音。

　　目前變槳機構有兩(liang) 種：一種是液壓變槳距執行機構；另一種是電動變槳距執行機構。液壓變槳控製機構具有傳(chuan) 動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、執行機構動態響應速度快等優(you) 點，能夠保證更加快速、準確地把葉片調節至預定節距。目前國外著名大公司如丹麥VESTAS的V80-2.0MW風機等都采用液壓變槳機構［5］［6］。電機變槳執行機構是利用電機對槳葉進行控製，電動變槳沒有液壓變槳機構那麽(me) 複雜，也不存在非線性、漏油、卡塞等現象發生，因此目前受到了許多廠家的關(guan) 注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生產(chan) 的兆瓦級風力發電機就采用了電動變槳距機構。

　　如圖3所示為(wei) 液壓變槳距執行機構原理圖，槳葉通過機械連杆機構與(yu) 液壓缸相連接，節距角的變化同液壓缸位移成正比。當液壓缸活塞杆向左移動#p#分頁標題#e#到最大位置時，節距角為(wei) 90°，而活塞杆向右移動最大位置時，節距角一般為(wei) -5°。液壓缸的位移由電液比例閥進行精確控製。在負載變化不大的情況下，電液比例方向閥的輸入電壓與(yu) 液壓缸的速度成正比，為(wei) 進行精確的液壓缸位置控製，必須引入液壓缸位置檢測與(yu) 反饋控製。

　　圖3 液壓變槳機構框圖

　　電機變槳距控製機構可對每個(ge) 槳葉采用一個(ge) 伺服電機進行單獨調節，如圖4所示。伺服電機通過主動齒輪與(yu) 槳葉輪毅內(nei) 齒圈相齧合，直接對槳葉的節距角進行控製。位移傳(chuan) 感器采集槳葉節距角的變化與(yu) 電機形成閉環PID負反饋控製。在係統出現故障，控製電源斷電時，槳葉控製電機由UPS供電，將槳葉調節為(wei) 順槳位置。

　　圖4 電動變槳距係統原理圖

　　隨著風力發電機技術的不斷進步，風力機已經朝著大型化方向發展。兆瓦級風力機已經成為(wei) 市場上的主流機型，在國外的海上風電場廣泛采用2-5MW風力發電機組。目前的變槳距風力機大多采用三個(ge) 槳葉統一控製的方式，即三個(ge) 槳葉變換是一致的。但由於(yu) 現代大型風力機葉片比較大，一般幾十米甚至上百米，所以整個(ge) 風輪掃過麵上的風速並不均勻，由此會(hui) 產(chan) 生葉片的扭矩波動並影響到風力機傳(chuan) 動機構的機械應力及疲勞壽命；此外，由於(yu) 葉片尺寸較大，每個(ge) 葉片有十幾噸甚至幾十噸重，葉片在運行的不同位置受力狀況也是不一樣的，故葉片重力對風輪力矩的影響也是不能忽略的。顯然對三個(ge) 葉片進行獨立控製更加合理。通過獨立變槳控製，可以大大減小風力機葉片負載的波動及轉矩的波動，進而減小了傳(chuan) 動機構和齒輪箱的疲勞度以及塔架的振動，而輸出功率能基本恒定在額定功率附近。