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作者簡介：尚國光，畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于宜科（天津）電子有限公司市場技術(shù)部。
摘 要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了更充分更有效的利用風(fēng)能，越來越多的采用變槳控制系統(tǒng)和變速恒頻控制系統(tǒng)。變速恒頻控制系統(tǒng)中，采用重載增量編碼器EV88P為系統(tǒng)提供主電機(jī)速度反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制獲得優(yōu)質(zhì)入網(wǎng)電能。變槳系統(tǒng)中伺服電機(jī)的運行狀況反饋及槳葉角度的反饋均通過旋轉(zhuǎn)編碼器提供。
關(guān)鍵詞：變槳控制系統(tǒng)；變速恒頻控制系統(tǒng)；增量編碼器；絕對值編碼器
Abstract：To improve the efficiency of wind power utilization，we employ more and more variable-pitch controllers and variable-speed constant-frequency（VSCF）controllers in wind-power generating systems.The heavy duty incremental encoder EV88P feeds back the speed of main motor in variable-speed constant-frequency control system，which obtains high-quality electrical power access to grid through the closed-loop control.In variable-pitch systems，the feedback of servo motor operating conditions and blade angles are provided by rotary encoder.
Key words：Variable-pitch Control System；Variable-speed constant-frequency Control System；Incremental Encoder；Absolute Encoder
1 引言
隨著煤炭、石油等常規(guī)能源的逐漸枯竭，人類越來越重視對新能源（非常規(guī)能源）的開發(fā)利用。新能源是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。其中風(fēng)能以其獨特優(yōu)勢而備受青睞。相對其他新能源相比，風(fēng)能具有三大優(yōu)勢：第一，儲量大、分布廣；第二，可利用性強(qiáng)，成本相對較低；第三，綠色能源，不污染環(huán)境。
作為一種利用風(fēng)能的清潔能源，風(fēng)電在環(huán)境保護(hù)日益重要的今天，發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來，全球風(fēng)能市場每年以超過40%的速度快速發(fā)展，而中國也憑借豐富的風(fēng)場資源和政府對新能源開發(fā)的大力支持，成為繼歐美之后全球最重要的風(fēng)能市場，這給中國風(fēng)能裝備制造業(yè)帶來了發(fā)展機(jī)遇。我國風(fēng)能資源豐富，理論儲量為16億千瓦，實際可利用量達(dá)2.5億千瓦，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r在國家的新能源發(fā)展規(guī)劃中，將風(fēng)力發(fā)電作為重點扶持行業(yè)，使我國風(fēng)電行業(yè)擁有了更廣闊的發(fā)展前景。
因此風(fēng)電這幾年一直保持著成倍增長，2008年風(fēng)電機(jī)組增長率受到GDP影響，但也超過了80%，國產(chǎn)化的比率已經(jīng)超過70%。風(fēng)能產(chǎn)業(yè)要想健康持續(xù)的增長，就要完成產(chǎn)業(yè)體系的建設(shè)，產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)。宜科公司抓住了機(jī)遇，適時開發(fā)出了順應(yīng)需求的產(chǎn)品路線和解決方案，并被成功應(yīng)用于多個風(fēng)電場中。
2 水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)組成
基于對風(fēng)能的更高效率采集及利用，目前風(fēng)電行業(yè)主要采用水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)，其組成如圖1所示。
圖1 水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)
·轉(zhuǎn)子葉片：捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能；
·轉(zhuǎn)軸：將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的動能；
·變速箱：用于增加轉(zhuǎn)子中心和發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)軸速度；
·發(fā)電機(jī)：利用轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能，通過電磁原理發(fā)電；
·偏航控制器（未顯示）：移動轉(zhuǎn)子使其與風(fēng)向保持一致；
·制動裝置：在出現(xiàn)電力超載或系統(tǒng)故障時停止轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；
·塔架：支撐轉(zhuǎn)子和發(fā)動機(jī)箱，并將整個裝置位置提升。
3 風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)革新至關(guān)重要。目前主要采用恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類。在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）不變，從而得到恒頻的電能。在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。
由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時，如果允許風(fēng)車做變速運動，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風(fēng)輪周速比λ（槳葉尖速度與風(fēng)速之比）下達(dá)到最大值。恒速恒頻機(jī)組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機(jī)組的特點是風(fēng)車和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。因此變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以其風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等突出優(yōu)勢，在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)越來越受歡迎。
變速恒頻控制的功能是保證上網(wǎng)電能的質(zhì)量，因此必須對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量并反饋到控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。目前對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測主要采用旋轉(zhuǎn)編碼器。同時由于發(fā)電機(jī)的功率大，會產(chǎn)生軸電流，如果編碼器與發(fā)電機(jī)不絕緣，則軸電流會被引入編碼器，進(jìn)而損壞編碼器。宜科公司的EV88P系列編碼器采用獨特的機(jī)械設(shè)計理念，確保產(chǎn)品的抗振動抗沖擊性能，采用歐洲先進(jìn)的電氣設(shè)計技術(shù)，確保產(chǎn)品在-40～85℃的溫度條件下可靠輸出，同時采用先進(jìn)的絕緣處理技術(shù)，有效防止軸電流對編碼器的損壞。EV88P系列編碼器以其優(yōu)異的性能特點及穩(wěn)定運行，已在華北地區(qū)某風(fēng)電設(shè)備制造廠取得成功應(yīng)用，在風(fēng)場的穩(wěn)定運行得到客戶的認(rèn)可。
4 風(fēng)力發(fā)電的變槳距控制系統(tǒng)
在風(fēng)電技術(shù)發(fā)展方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量朝著大型化發(fā)展，兆瓦級風(fēng)力機(jī)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)。變槳距控制是通過沿槳葉的縱軸控制葉片旋轉(zhuǎn)，依據(jù)風(fēng)速的變化隨時調(diào)節(jié)槳距角，控制風(fēng)輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。變槳距控制的優(yōu)點是能夠確保高風(fēng)速段的額定功率，額定功率點以上輸出平穩(wěn)、在額定點具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)、提高風(fēng)力機(jī)組起動性能與制動性能、提高風(fēng)機(jī)的整體柔性度、減小整機(jī)和槳葉的受力狀況。在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合，最終提高了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。
變槳距控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種，液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，電機(jī)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)對槳葉進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、動作可靠，不存在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的非線性、漏油、卡塞等現(xiàn)象。電機(jī)變槳距控制機(jī)構(gòu)可對每個槳葉采用一個伺服電機(jī)進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，直接對槳葉的槳距角進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器將槳距角的變化反饋給控制器，進(jìn)而對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)PID負(fù)反饋控制。
宜科公司的EB58系列增量編碼器、EAS58系列模擬量輸出絕對值編碼器和EAM58系列SSI輸出絕對值編碼器以其優(yōu)異的抗機(jī)械振動性能和-40℃溫度條件下穩(wěn)定的電氣輸出性能，為廣大風(fēng)電客戶提供了性價比優(yōu)異的傳感器解決方案。其中，EB58系列編碼器用于變槳系統(tǒng)中伺服電機(jī)信號反饋，控制槳葉角度控制，同時應(yīng)用EAS58或EAM58系列編碼器對變槳角度給予絕對位置信息反饋。EB58和EAS58系列編碼器均在華北某風(fēng)電設(shè)備制造廠得到成功應(yīng)用，并得到客戶極大的認(rèn)可。
5 結(jié)束語
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領(lǐng)域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電可為當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應(yīng)緊張的局面。
以往投資商和運營商更多關(guān)注的是購買產(chǎn)品的價格，而在整個壽命周期里邊，維護(hù)成本占40%～70%，主要取決于產(chǎn)品質(zhì)量。越來越多的風(fēng)電用戶將關(guān)注的重心轉(zhuǎn)移到如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)可靠性，同時降低維護(hù)成本。宜科這樣擁有濃厚的技術(shù)積淀和優(yōu)秀產(chǎn)品質(zhì)量的公司，能夠使得中國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈更加充實和完善，幫助風(fēng)電設(shè)備制造廠商們提升產(chǎn)品質(zhì)量，并將維護(hù)成本減到最少。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］徐甫榮.大型風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動自動化，2003，25（6）：5～11.
［2］馬宏飛，徐殿國，苗立杰.幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對比分析［J］.電工技術(shù)雜志，2000，（10）.
［3］劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（20）：62～67.
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號