风电中的变桨控制的原理与要求

风电中的变桨控制的原理与要求

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风电,将风能转化为电能,正是新能源应用的一个重要领域。经过近百年的发展,现代风力发电机系统,从塔筒高度,叶轮直径,输出功率,控制复杂度都在不断创造新的记录,仅国内最新型风力发电机的输出功率可达10MW,塔筒高度可达115米,叶轮直径可达185米。

风力发电机的所处环境,也在不断的扩展。在陆上的风电场,国内最高的海拔到了5000米,而海上的风电场,国内最远的风电场,离岸的直线距离为48千米。

风机的功率和尺寸不断增大,应用场景不断扩展,对于风机在风速变化下的适应性,以及极端条件下风机的安全性,提出了更高的要求。而这正是风机变桨控制的拿手好戏。变桨控制,即采用机械液压或者电动伺服的方式,控制风机桨叶的旋转,来调节桨叶的节距角,改变气流对桨叶的攻角,进而控制风机桨叶捕获的气动转矩和气动功率。

1、变桨控制原理

以叶片的旋转面为参考面,当叶片与该面的角度及桨距角为0时,叶片捕获的风能最大,此时的风力发电机发出的功率也最大,当叶片与该面的角度及桨距角为90时,叶片的阻力最大,使得风机停机,这在一些极端天气里,对整个风机的安全运行至关重要。

电动变桨因为运行维护方便,成本低,控制响应高,在风电中采用的越来越多。电动变桨采用电动伺服控制器驱动变桨电机,变桨电机驱动小齿轮,小齿轮再驱动桨叶的变桨轴承,从而实现叶片的转动。

电动变桨示意图

电动变桨示意图,来自众城卓越官网

2、变桨控制的要求

变桨驱动器是变桨系统最为核心的部件,其平台化的产品功能不但可以覆盖陆上和海上所有风机平台的需求,也可以帮助这些平台降低成本,以及进一步提高变桨系统的可靠性和整机控制需求的适应性。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。由于风电场一般建在自然环境恶劣的地区,变桨控制的驱动器可靠性,环境适应性的要求很高,因为一个变桨驱动器出现故障,轻则造成风机停机,重则危及整个塔筒的安全,即使最小的维修,其停机的发电损失,以及巨额的维修费用也会对风电场造成巨大的经济损失。从下表可以看出变桨驱动器的极高的可靠性,环境适应性,安全性的要求。例如,典型工业伺服驱动器的工作环境温度只到45°C,45°C以上需要降额,而变桨控制驱动器的工作温度最高可达70°C,另外对于振动要求,典型工业伺服驱动器的振动依据频率范围在0.5g到1g之间,低频20HZ以下1g,20Hz~50Hz之间0.5g或者0.6g,而变桨控制驱动器可达2g,另外变桨控制驱动器会需要通过低电压穿越测试,高电压穿越测试,以及考虑设计/制造失效模式影响分析等等。

变桨控制驱动器与工业伺服驱动器对比表

变桨控制驱动器与工业伺服驱动器可靠性比较表

众城卓越作为国内专注于风电领域深耕的厂商,具有较强的自主研发能力,经过多年发展,具备了一整套集变桨伺服驱动、变桨电机、偏航系统、变桨储能于一体的、成熟的、可靠的风电专用解决方案。风电变桨系统是其产品线中的主要产品,与全球变桨产品的厂商都有相应的合作,其推出的PD系列变桨驱动器,已经累计发货超过20000台,服务于全国各地200多个风场,以其高安全性,高可靠性,高集成度获得了风电主机厂和系统集成商的肯定。