伺服产品在风电行业的应用

世界各国在改善能源结构、提高能源效率的同时都在大力发展可再生能源，其中发展最迅速的就是风力发电。风力发电控制系统的基本要求为：保证可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术经历了定桨距控制、变桨距控制及变速控制。

随着风力发电机单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制风力发电机组的输出功率，以达到风力机在低风速阶段尽可能多的吸收风能，以及风力发电机在高风速阶段保持功率平稳输出的目的。

变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：风速低于额定风速时，风力机按优化桨距角定桨距运行，系统根据风速的变化控制发电机转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；当风速超过额定风速时，利用变桨控制系统增大β，降低Cp，控制风轮捕获功率，保持风力机输出功率稳定在额定功率附近。

目前，国内外风电机组变桨距控制主要有两种方式，即统一变桨距控制(CPC， Collective Pitch Control)和独立变桨距控制(IPC，Individual Piteh Control)。前者是指机组的所有桨叶都由一个执行机构控制，进行相同的桨距角变化；后者是在前者的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法，独立变桨距控制是指风机的每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制。不过，他们各自特点非常明显：前者具有控制简单，成本相对较低等优点，但是一旦变桨执行机构出现故障，只能停机维修;后者成本较前者高，且在控制上较复杂，但是可以很好的应付自然界中风力在风轮平面上分布不均的问题，提高风能的利用率，减小桨叶的拍打震动，降低风力对机组的冲击，同时也可以避免一个执行机构出现故障就必须停机的问题。因此，独立变桨比统一变桨更具有优势。

伺服系统是实现变桨控制的核心成分，目前变桨距的执行机构大致分为电液伺服变桨距系统和电气伺服变桨距系统两类：

1. 电液伺服变桨距系统

液压变桨系统根据给定的桨距角，利用一套曲柄连杆机构同步驱动或者由3个液压缸分别推动桨叶转动，调节桨距角，优点是对于大惯性负载具有频率响应快、扭矩大，实现无级调速，便于集中控制和集成化等优点，目前在中国商业机组中占有重要的地位，国外Vestas、Gamesa和EHN等公司的风机也采用液压变桨技术。缺点是其传动结构相对复杂，漏油、卡涩时有发生，且液压传动部件在夏季和冬季的控制精度差别较大。

液压变桨距系统是一个典型的位置控制系统，即系统通过控制电液比例输出阀的压力实现对液压缸活塞杆位移的控制，所以其控制性能取决于比例阀、液压缸等元部件的特性及桨距控制器的设计。具体工作时，桨距控制器根据桨距角给定与实际桨距角的差值计算出电液比例阀的控制电压(－10~+10 V)，通过电液比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，该电流信号控制比例阀输出流量的大小和方向。实际桨距角通过位移传感器测量液压缸活塞的位移信号，利用A/D得到。液压缸按电液比例阀输出的方向和流量推动变桨机构，调节桨距角。

2. 电气伺服变桨距系统

电动变桨距控制系统采用位置环、速度环、电流环三闭环控制，其中位置环用于实现位置的精确控制，速度环和电流环分别用于实现快速的跟踪和动态响应。具体工作时，电动变桨机构利用伺服电机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而小齿轮与回转支承的内环相啮合，从而带动回转支承的内环与桨叶一起旋转，调节桨距角，具有快速性、同步性、准确性等特点。由于结构简单、紧凑，可充分利用有限空间实现分散布置，同时不存在漏油、卡涩等机械故障，并能实现对桨叶的独立控制等优点。其缺点是电气布线困难，动态响应特性较差。另外电机本身如果连续频繁地调节桨叶，将产生过量的热负荷使电机损坏。

在一台风机的造价构成中，叶片、齿箱轮、塔架的成本最高，分别占比总构价的23%、15%、15%。

图表 30：风机各构件成本占比

目前，博世力士乐、施耐德公司的伺服产品在风电行业里应用较多。

2011年风电行业伺服系统的市场规模为3.9亿元。