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作者簡介：尚國光，畢業(yè)于天津大學自動化專業(yè)，學士學位，現就職于宜科（天津）電子有限公司市場技術部。
摘 要：風力發(fā)電系統(tǒng)為了更充分更有效的利用風能，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)提供主電機速度反饋，實現閉環(huán)控制獲得優(yōu)質入網電能。變槳系統(tǒng)中伺服電機的運行狀況反饋及槳葉角度的反饋均通過旋轉編碼器提供。
關鍵詞：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、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。其中風能以其獨特優(yōu)勢而備受青睞。相對其他新能源相比，風能具有三大優(yōu)勢：第一，儲量大、分布廣；第二，可利用性強，成本相對較低；第三，綠色能源，不污染環(huán)境。
作為一種利用風能的清潔能源，風電在環(huán)境保護日益重要的今天，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能市場，這給中國風能裝備制造業(yè)帶來了發(fā)展機遇。我國風能資源豐富，理論儲量為16億千瓦，實際可利用量達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，將風力發(fā)電作為重點扶持行業(yè)，使我國風電行業(yè)擁有了更廣闊的發(fā)展前景。
因此風電這幾年一直保持著成倍增長，2008年風電機組增長率受到GDP影響，但也超過了80%，國產化的比率已經超過70%。風能產業(yè)要想健康持續(xù)的增長，就要完成產業(yè)體系的建設，產業(yè)鏈的建設。宜科公司抓住了機遇，適時開發(fā)出了順應需求的產品路線和解決方案，并被成功應用于多個風電場中。
2 水平軸風力渦輪機組成
基于對風能的更高效率采集及利用，目前風電行業(yè)主要采用水平軸風力渦輪機，其組成如圖1所示。
圖1 水平軸風力渦輪機結構
·轉子葉片：捕獲風能并將其轉換為轉軸的轉動能；
·轉軸：將轉動能轉化為發(fā)電機的動能；
·變速箱：用于增加轉子中心和發(fā)電機之間的轉軸速度；
·發(fā)電機：利用轉軸的轉動能，通過電磁原理發(fā)電；
·偏航控制器（未顯示）：移動轉子使其與風向保持一致；
·制動裝置：在出現電力超載或系統(tǒng)故障時停止轉軸旋轉；
·塔架：支撐轉子和發(fā)動機箱，并將整個裝置位置提升。
3 風力發(fā)電的控制系統(tǒng)
風力發(fā)電系統(tǒng)作為風能發(fā)電領域的核心環(huán)節(jié)，其技術革新至關重要。目前主要采用恒速恒頻和變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網并網時，要求風電的頻率與電網的頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速（也即發(fā)電機的轉速）不變，從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，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。
由于風能與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ（槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，可以通過適當的控制，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。因此變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)以其風能利用系數高，能吸收由風速突變所產生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數等突出優(yōu)勢，在風力發(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電能的質量，因此必須對發(fā)電機的轉速進行測量并反饋到控制器，實現閉環(huán)控制。目前對發(fā)電機轉速的檢測主要采用旋轉編碼器。同時由于發(fā)電機的功率大，會產生軸電流，如果編碼器與發(fā)電機不絕緣，則軸電流會被引入編碼器，進而損壞編碼器。宜科公司的EV88P系列編碼器采用獨特的機械設計理念，確保產品的抗振動抗沖擊性能，采用歐洲先進的電氣設計技術，確保產品在-40～85℃的溫度條件下可靠輸出，同時采用先進的絕緣處理技術，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)某風電設備制造廠取得成功應用，在風場的穩(wěn)定運行得到客戶的認可。
4 風力發(fā)電的變槳距控制系統(tǒng)
在風電技術發(fā)展方面，風力發(fā)電機單機容量朝著大型化發(fā)展，兆瓦級風力機已經成為風力發(fā)電市場的主流產品。目前大型風力發(fā)電機組普遍采用變槳距控制技術。變槳距控制是通過沿槳葉的縱軸控制葉片旋轉，依據風速的變化隨時調節(jié)槳距角，控制風輪的能量吸收，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能利用系數、提高風力機組起動性能與制動性能、提高風機的整體柔性度、減小整機和槳葉的受力狀況。在并網過程中，變槳距控制還可實現快速無沖擊并網。變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術相配合，最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量。
變槳距控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要有兩種，液壓變槳距執(zhí)行機構和電動變槳距執(zhí)行機構。其中，電機變槳執(zhí)行機構是利用電機對槳葉進行控制，結構緊湊、控制靈活、動作可靠，不存在液壓執(zhí)行機構中的非線性、漏油、卡塞等現象。電機變槳距控制機構可對每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調節(jié)。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內齒圈相嚙合，直接對槳葉的槳距角進行控制。旋轉編碼器將槳距角的變化反饋給控制器，進而對電機進行閉環(huán)PID負反饋控制。
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)中伺服電機信號反饋，控制槳葉角度控制，同時應用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電設備制造廠得到成功應用，并得到客戶極大的認可。
5 結束語
風力發(fā)電技術已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風力發(fā)電可為當地居民的生活和生產提供潔凈的能源，緩解能源供應緊張的局面。
以往投資商和運營商更多關注的是購買產品的價格，而在整個壽命周期里邊，維護成本占40%～70%，主要取決于產品質量。越來越多的風電用戶將關注的重心轉移到如何提高產品質量，增強可靠性，同時降低維護成本。宜科這樣擁有濃厚的技術積淀和優(yōu)秀產品質量的公司，能夠使得中國的風電產業(yè)鏈更加充實和完善，幫助風電設備制造廠商們提升產品質量，并將維護成本減到最少。
參 考 文 獻
［1］徐甫榮.大型風電場及風電機組的控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動自動化，2003，25（6）：5～11.
［2］馬宏飛，徐殿國，苗立杰.幾種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對比分析［J］.電工技術雜志，2000，（10）.
［3］劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（20）：62～67.
——轉自《自動化博覽》
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