文／中国第一重型机械集团大连设计研究院有限公司海洋工程研究室 方 涛 黄维学

1 引言

风能作为一种无污染的可再生能源，其开发具有巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，对它的利用已受到世界各国的高度重视。在早期的风电机组主要以定桨距机组为主，由于其机组的转速不能随风速改变导致风能利用率低、风速突变时对支撑部件具有很大的负载波动冲击和并网时可能带来较大电流冲击等缺点，逐步被变桨距风电机组所取代。变桨距风电机组通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况，同时比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性。

变桨距技术是指借助控制技术和动力系统，根据风速和发电机转速来改变转子系统上叶片的桨距角的大小，来达到控制发电机的输出功率的目的。随着风电技术的不断成熟与发展，目前采用的风轮的变桨技术既能保证风电机组运行的稳定性，减轻风电机组的重量，又能提高其风能转化系数和改善功率曲线，使风电机组在不同风速下始终保持最佳的风能捕获效果，从而提高系统性能。大容量的风力机组大多采用变桨距调节[1-6]。变桨距技术对机组的运行状态起着非常关键的作用，对机组稳定、经济运行具有重要的意义。

2 变桨的工作原理

风电机组的叶片将随机的动态风能转换为转系系统的的机械旋转能，作为发电机的输入来驱动发电机转动并产生电能。风机转子的运行不仅决定了整个风力发电系统的输出功率，而且直接影响机组的稳定优化运行。所以风机的运行特性是确定风电机组控制策略的重要依据。

风能利用系数CP代表了风轮从自然风能中吸收能量的大小程度。对于变桨距风力发电机组，CP是叶尖速比λ和桨距角β的高阶非线性函数，根据相关研究计算，风能利用系数可以采用以下函数进行模拟[7]。

其中，叶尖速比λ为风轮叶片叶尖处速度（圆周速度）与风在接触叶片之前很远距离上速度的比值，是表征风电机组特性的一个重要参数。

由CP的函数表达式（1）可得到，风电机组的特性可由CP(β,λ)曲线来表示，如图1所示。从图中可看到:（1）对于具体某一桨距角β，曲线都有最高点，即风能利用系数具有最大值CPMAX，这时的尖速比为最佳值βOPT。（2）在任何叶尖速比下，风能利用系数CP在桨距角为0o时具有最大值。（3）随着桨距角的增大，风能利用系数CP将显著减小。

图1 变桨距风机特性曲线（CP-λ）

以上形成了变速变桨距风电机组控制理论:风速在额定风速以下时，叶片桨距角β在零度附近，使风电机转子速度追随风速的变化，从而保证风能利用系数维持CPMAX在附近，达到捕获最大风能的目的。当风速在额定风速以上时，改变叶片桨距角来减少吸收的风能，使发电机运行在额定转速附近，从而使风电机组的输出功率稳定在额定功率附近，其控制原理图如图2所示。

3 机组运行工况及变桨控制策略

3.1 机组运行工况

变桨距风力发电机组的一个重要运行特性就是运行工况随风速变化而变化，所以根据风速情况和风电机组功率特性的不同，可以将整个运行过程划分为四个典型工况，即启动阶段、欠功率运行阶段、额定功率运行阶段和保护切出阶段。

启动阶段。在启动之前风机的叶片处于静止，叶片处于顺桨位置，叶片相当于一块阻尼板，这时空气通过叶片时将不在叶片上产生转矩，当风速达到风电机组的切入风速以上时，风电机组将由等待状态转入启动状态，叶片从90o向0o方向转动，当气流对叶片有一定升力后，转子开始转动。

欠功率运行阶段。在该阶段由于风速未达到额定风速，发电机运行在额定转速以下，风电机组在额定功率以下运行，机组在该阶段不对桨距角进行控制，而是随着风速的变化来调整转子的转速，最大限度地捕获风能并将电能输送到电网。

额定功率运行阶段。随着风速的不断增大，发电机发出的电功率也随着增加，当风速达到或超过额定风速后，发电机发出的电功率也达到了额定功率附近。这时变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制，保证机组的输出功率在额定功率附近而不会超过功率极限。

保护切出阶段。当风速增大到超过机组所能承受的最大风速，这时控制系统为了保护机组而使机组安全停机。在该阶段，变桨系统的最重要的任务就是使叶片及时收桨，达到降低风轮转速的目的，同时刹车系统也将投入使用，并网开关将变流器与电网断开。

3.2 控制策略

图2 变桨系统控制原理图

为了使机组能够最大限度地产生电能并能安全稳定运行，在不同工况下需要对风电机组采取不同的控制目标，变桨系统将采取不同的控制策略。如图3所示。

图3 不同风速下风机参数的变化

第一个工况:风速低于切入风速，机组处于等待状态，桨距角保持在90o，直至风速达到切入风速；

第二个工况:风速处于切入风速和额定风速之间，启动并网瞬间变桨控制系统将根据发电机的转速调整桨距角，使发电机转速达到并网同步转速，并使其转速在同步转速附近保持一段时间，以最佳时机并入电网，并确保对电网冲击最小，随后机组持续向电网送电，这一阶段通过转速调节器控制发电机的电磁转矩使风轮转速跟随风速的变化，在此区域内，设基准转速为Wref，此时β=0，即跟踪最大功率点实现最大风能的捕获；

第三个工况:风速处于额定风速和切出风速之间，这一阶段需要投入桨距角控制，采用功率反馈控制来控制风机输出功率的大小，即当实际输出功率大于额定输出功率时，增大桨距角以减小风能的捕获，当风速减小到使发电机输出功率低于额定功率时，变桨系统将减小桨距角，增大叶片上吸收的风能，从而转子转速上升来增加发电机的输出功率，即在此区域内通过调节桨距角保持风机输出功率稳定在额定功率附近；

4 变桨系统的形式

变桨系统是变桨型风电机组的关建子系统，目前全球大型风电机组的变桨系统根据动力形式主要有两种方案:液压变桨系统和电动变桨系统。液压变桨系统的执行结构具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大，无需变速机构且技术成熟等优点，Vestas、Gamesa，Siemens等公司的风机采用了液压变桨技术。随着电力电子技术的发展，电动变桨系统以适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄露、无污染和维护方便等优点近年来得到了广泛的应用，Enercon、Repower、Nordex等公司的风机都是采用的电动变桨技术。液压变桨系统和电动变桨系统在功能上没有优劣之分，但是两者由于执行机构不同，在性能上各有其特点。

4.1 液压变桨系统

液压变桨系统利用液压缸作为原动机，在传递介质液压油的作用下，液压缸的运动带动连杆机构来推动叶片旋转，节距角的变化同液压缸位移基本成正比。主控系统根据传感器反馈的发电机转速或功率，通过滑环和总线向变桨控制系统发送桨距角指令，变桨控制系统根据主控系统的指令给出相应的信号，来控制比例阀输出流量的大小和方向。液压系统的液压缸根据比例阀输出的流量和方向来驱动叶片的角度在-5o+90o之间变化。控制框图如图4所示。变桨系统是一个伺服系统，通过PI控制，D/A转换后变成电压信号来控制比例阀的流量，不同的流量使液压缸产生不同的运动，从而使叶片的桨距角发生变化，同时采用位移传感器检测液压缸的位移，将测出的值转换后输入到比较器。

图4 液压变桨桨距角控制框图

对于兆瓦级的风力发电机组，液压变桨系统应该满足如下要求:

1、驱动力大，油路的安装检修方便，有足够的强度和精度，安全可靠；

2、系统能在低温环境中正常工作；

3、系统正常开桨速度与收桨速度基本相当；

4、系统具有掉电能实现自动收桨功能。

如何解决这个问题？我觉得，要先从调结构做起。关于结构调整，首先必须改变机关化的倾向。调研中，武汉市关于新招录的人员都要到基层先干两年再回机关的做法，十分符合实际。没有基层经验的人，可以把组织关系、行政关系放在机关，那没问题，但是人你得下基层，到基层实践、接受锻炼，这样不仅会改变我们整个司法行政系统的队伍结构，也会增加基层力量。机关干部扎扎实实在基层呆两年，来了新的同志再下去呆两年。这样的做法，首先确保基层两年的力量有了保证，其次把这种做法形成一种制度，基层力量不足的情况就会不断得到改善。

4.1.1 液压变桨系统的构成

液压变桨系统的构成简图如图5所示。该系统的主要元器件有油箱、泵、蓄能器、液压管路和三套独立的变桨装置等，在本图中仅显示了一套变桨装置，其中，20为齿轮式液压泵，M为驱动泵的电机，8，9，10分别为动力单元蓄能器、变桨系统蓄能器和变桨单元的蓄能器，15为比例电磁阀，C为液压缸，18为直线位移传感器用于间接反馈角度。

4.1.2 液压变桨系统的工作过程

图5 液压变桨系统功能简化图

为了达到将液压缸的直线运动转化成叶片的旋转运动，在实际的风电机组上将液压缸的一端固定在轮毂内，另外一端通过活塞杆连接到叶片根部的变桨轴承外圈的切线上。

正常启动时变桨过程为:电磁阀11、12、13和14上电，比例阀15的交叉线圈通电使P与B、A与T连通，液压油经过的路径为:泵20-单向阀2-旋转接头-单向阀3-电磁阀11-比例阀15的P-B端-单向阀6-液压缸的B端，从而推动活塞杆右移液压缸A端的液压油经过-电磁阀14-比例阀15的A-T，最终回到油箱。

正常收桨时的变桨过程为:电磁阀11、12、13上电，比例阀15的另外一组交叉线圈通电使P与A、T与B连通，液压油经过的路径为:泵20-单向阀2-旋转接头-单向阀3-电磁阀11-比例阀15的P-A端-电磁阀14-液压缸的A端，液压缸B端的液压油通过单向阀5-电磁阀11回到压力管内，从而使液压缸的活塞向左移动。

紧急收桨的过程为:在紧急情况下，液压变桨系统需要紧急收桨，电磁阀12,13采取完全打开或完全关闭来实现这些动作，这时电磁阀11,12,13和14 全掉电，液压油的路径为:蓄能器10-流量控制阀17-电磁阀12-单向阀7-液压缸的A端，液压缸B端的油经过电磁阀13、带控制端的泄压阀16再回到油箱。

为了使收桨速度不至于过快，在液压回路中增加了带控制端的泄压阀16，当紧急收桨时，泄压阀16的控制端的压力随着液压缸A端的压力下降而变化，其能控制回路液压油的流量，从而保证平稳收桨。紧急收桨的速度一般在10o/s左右。

图6 液压变桨系统执行机构图

液压变桨系统执行结构如图6所示。1为轮毂，2为偏心块，3为活塞杆，4为桨叶，5为回转支承，6为油缸，7为油缸座，8为阀块，9为内压板。

从图6可以看出，风电机组的每个桨叶都有一套独立的液压驱动系统，一个桨叶出现故障时，其他两个桨叶仍能正常工作，增加了系统的安全性。

液压变桨系统的优点:

1）液压驱动变桨距系统具有相应快、刚度大、扭矩大、运行平稳、可与偏航、制动等系统共用油源便于集成化布置等优点；

2）液压阻尼的存在可以吸收叶片转轴上面的冲击转矩，对叶片及风机本身起到很好的减震缓冲效果；

3）液压变桨系统采用的轴承更简单，结构更强。

液压变桨系统的缺点:

1）油液存在泄露问题，故障排查较难，泄露的油液易引起火灾；

2）由于振动的存在，密封圈及导向环很容易被磨损，

3）液压变桨系统价格昂贵，系统比较复杂，变桨速度慢于电动变桨；

4）当液压油有杂质后阀芯易发生卡涩甚至“卡死”，维修保养比较困难，停机状态不能得到及时解决；

6）液压油，过滤器需定期检测、更换；

7）旋转接头质量、油管连接要求高，夏天部件出故障概率高。

4.2 电动变桨系统

电动变桨系统是通过桨距角控制器得到的桨距角指令，把桨距角指令转换为伺服电机的控制信号，驱动伺服电机来带动变桨减速器输出小齿转动，从而带动与叶片相连的变桨轴承旋转。

4.2.1 电动变桨系统的构成

电动变桨距系统一般包括变桨控制系统、伺服驱动系统、电动机、减速器、备用电源、传感器和变桨轴承等。这些部件均安装在轮毂内或轮毂上。

变桨控制系统是整个伺服系统的核心，把来自主控系统的桨距角命令值发送到各变桨伺服驱动系统，并通过滑环连接通讯总线把桨距角实际值和运行状况反馈到主控系统，从而实现位置控制、速度控制、转矩控制。伺服驱动系统采用三相全桥不可控整流，三相正弦PWM逆变器变频的AC-DC-AC机构。为避免通电时出现大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵生电压，设有能耗泄放电路。电动机可采用直流电机、交流电机或永磁电动机作为驱动动力源。减速器通过输出端的法兰固定在轮毂内，其用于将电机输出较高的速度减速为能够驱动变桨轴承合适的速度，带动桨叶进行转动，实现了改变桨距角的目的。备用电源可以为蓄电池或超级电容，其作用是在电网掉电或用于驱动的电源出现故障时，安全链断开，紧急启动备用电源来紧急收桨达到安全停机的目的。传感器包括旋转编码器、角度编码器和限位开关。旋转编码器安装在电动机输出轴上，采集电动机转动角度。角度编码器安装在轮毂边上，与变桨轴承的内齿圈相啮合，直接检测内齿圈转过的角度，也就是叶片桨距角变化的角度。限位开关也安装在轮毂靠近变桨轴承的边上，起限位作用，确保叶片不超过安全位置。变桨轴承外环固定在轮毂上，内环与叶片根部相连，减速器的输出小齿与轴承的内圈相啮合。电动变桨系统构成图和实物图分别如图7，8所示。

图7 电动变桨系统构成图

图8 电动变桨实物图

4.2.2 电动变桨系统工作过程

正常变桨时，变桨控制系统通过总线接收主控系统的变桨指令，同时发给驱动系统来驱动电动机转动，电动机通过减速器减速后带动变桨轴承内圈转动，从而实现了叶片的转动来改变桨距角。驱动系统通过改变变频器输出电压的相序，就能够改变伺服电动机的转向，通过电动机的正、反转使桨叶向90o或0o方向连续变桨。

紧急收桨时，变桨控制系统通过总线接收主控制系统的紧急收桨指令，同时将指令发给驱动系统，驱动系统的变频器输出较高频率使电动机高速转动，通过减速器的输出小齿带动变桨轴承内圈快速旋转，从而达到快速收桨的目的。一般紧急收桨的速度达到10o-12o/s。

在实际应用中，由于叶片具有较大的惯性，为了防止变桨速度过快，一般在伺服电机驱动系统中的直流母线上加装制动电阻，来消耗电动机转速超过同步速度后产生的多余能量，从而达到制动的目的。在电机轴的末端还有一组电磁制动器，其作用是为到达目标位置的叶片提供刹车。

电动变桨系统的优点:

1）电动驱动变桨距系统技术成熟、结构简单、无泄露、控制精度高、响应快；

2）维护方便，轮毂内干净；

3）故障容易排查。

电动变桨系统的缺点:

1）随着机组容量的增大，电机惯量也增大，使动态响应特性变坏，而且频繁的调节桨叶，容易使电机因过热而损坏，元器件也易的烧损；

2）驱动系统和动力系统都在轮毂内，增加了风轮重量和减小了轮毂内作业的空间；

3）动力电缆、控制电缆和信号电缆较多，增加轮毂内部布线的难度；

4）当多次频繁断网会耗尽备用电池，可能会出现不能顺桨的问题；

5）变桨系统采用带齿的轴承，易磨损。

5 结论

液压变桨系统和电动变桨系统从技术和性能上各有优缺点，在目前全球的风电市场上均有应用，且均达到了较好的应用效果，在未来很长一段时间内，两种方案也还将同时存在。虽然目前对于我国来讲，液压变桨系统的应用受到我国液压行业整体水平的制约，但是从长远来看，风机整机商至于采用哪种变桨形式应该对该形式的掌握程度、供应链的成熟度和持续性来考虑。

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