风力发电机液压变桨系统与电动变桨系统对比分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇风力发电机液压变桨系统与电动变桨系统对比分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：风力发电机组变桨系统通过对叶片桨距角的控制调节发电机输出的扭矩和功率，使其能够控制发电机转速使其跟踪风速变化。文章针对目前流行的两种变桨系统进行研究，并指出液压变桨系统和电动变桨系统在使用维护中存在的优缺点。
关键词：风力发电机组 叶片桨距角控制 扭矩和功率控制
并网型风力发电机组是将风的动能转换成机械能，再把机械能转换成电能并入电网。由于风速随时发生变化，因此长期运行在野外的风力发电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷。所以风力发电机组各个部件的疲劳强度、材料结构和控制策略是影响风力发电机组寿命的主要因素。
叶轮是扑捉风能的关键部件，叶轮是由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流的作用下产生力矩驱动叶轮转动，通过轮毂和主轴将扭矩传递到齿轮箱增速来驱动发电机，再经过变流器把电压转换成和电网电压频率，幅值和相位完全一致后经箱变并入电网，由此完成能量的变换。变桨控制系统通过控制对叶片的迎风角度能够获取更多的风能，并减小因阵风引起的载荷，因此取得了广泛应用。
变桨系统能够控制发电机转速使其跟踪风速变化，时刻跟踪风能利用系数Cp，通过对变桨系统的控制可以对输出扭矩和功率进行控制，保持最佳功率曲线。变桨距控制系统通过控制连接在轮毂轴承机构转动叶片来控制叶片桨距角，由此来减小翼型的升力来控制叶轮的转速达到控制输出扭矩和功率的目的。变桨距系统可根据风速连续调节叶片的桨距角，以便达到在额定风速以上能够保持输出功率恒定的的目的。一般在额定风速以下，叶片的启动桨距角是87度左右，当风力发电机在启动的过程中桨距角逐渐向0度方向转动，此时气流在轮毂上产生的提升力逐渐增加，叶轮越转越快，当达到额定转速时风机并网运行，所以控制叶片的桨距角是变桨控制系统的关键。
1 液压变桨系统的原理与结构
液压变桨距的控制原理就是控制系统通过检测信号驱动液压系统，使液压系统变桨缸直接运行，从而通过一个运动装置将直线运动变为圆周运动，来推动带有轴承的叶片转动，实现调节桨距角的目的。对于小功率的风力发电机一般采用统一变桨控制，也就是说利用一个液压执行机构控制整个风机的所有叶片变桨，但对于大功率风力发电机采用独立变桨机构，每个液压执行机构去单独控制每个叶片的桨距角达到控制的准确性和一致性。机组一旦发生故障，这种设计可以有效地使风力发电机从满载过渡到安全状态，实现叶片的顺桨停机，从而保护了机组的安全。
风力发电机组上安装有检测风速的风速仪、检测风向的风向标的侧风传感单元（windspeed sensor），在正常检测过程中，它测量外界风速后后将风速信号转换成4-20A电流传送给中央控制系统（PLC system），控制单元根据风速信号经过和内部设定好的程序对比，将对比后的执行数据以电压信号的形式传递到液压系统中的比例电磁换向阀（Proportional valve）两端执行换向功能，这个电压的峰值为-10v/+10v，比例换向阀根据给定电压的大小，决定其阀芯开口度的大小来决定变桨过程中液体压力的大小，从而推动液压缸动作来执行变桨角度的变化，在整个的变桨过程中还有另外一个检测信号和反馈元件起到作用，它就是变桨油缸中的安装的位置位移传感器（Stroke sensor），它可以检测油缸行程的准确位置，这种微脉冲位置传感器通过定位磁环移动行成有效的磁场，进行对液压缸活塞位移的有效距离检测，并将检测的信号传递到PLC控制系统进行相应的对比，从而准确的决定和验证叶片角度与当时风速是否在设定的最佳状态下。当外界风速接近风机的极限生存风速时，PLC控制系统对风速进行对比，进入停机状态，以达到保护风机的作用。
2 电动变桨的原理及应用
电动变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定状态。下面以金风GW-1500兆瓦机组电动变桨系统分析为例，变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7°/s的速率，从0°顺桨到87°。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。
电动变桨执行机构就是利用电动机驱动固定在轴承上叶片来达到对桨距角调节的目的。这种变桨系统结构紧凑、控制灵活、动作可靠，不存在液压执行过程中的非线性、漏油、卡塞等现象。电动机变桨距控制机构可对每个叶片上伺服电机进行单独调节，直接对叶片的桨距角进行控制。旋转编码器将桨距角的变化反馈给控制系统单元，针对vensys变桨系统主要部件的介绍：
控制柜内部电源及控制检测部分：
1）开关电源（NG5）：将来自滑环传递的50HZ线电压400V（三相）交流电输入转换为60V直流电输出。
2）变桨变频器（AC2）：将60V直流电转换成三相频率可变的29V 交流电，驱动变桨电机。
3）超级电容：变桨系统的备电系统。
4）BC3150及beckoff模块：PLC控制单元，接收外部数字量、模拟量信号，对执行部件发送指令。
3 液压变桨系统和电动变桨系统的对比分析
下面列出电动变桨系统和液压变桨系统在实际应用过程中出现的问题：
桨距调节：在桨距调节方面电动变桨系统调浆速度反应更快，液压变桨系统启动扭矩大。
结构性能方面比较：液压变桨系统的液压系统在低温情况下，蓄能器储存能量减小蓄能器储存的能量通过压力容易实现检测。电动变桨系统在低温下蓄电池储存能量降低快，对蓄电池反复的充放电池寿命会受影响。
使用寿命：液压系统主要损耗件蓄能器的使用寿命大约6年，电动变桨系统的背电系统的使用寿命大约5年。
外部配套需求：液压系统占用空间较小，轮毂及轴承相对较小。无需对齿轮进行，减少了集中点。电动变桨系统占用空间大，需要对轴承进行。
环境清洁：轮毂容易漏油，造成轮毂和机舱内部油污。电动变桨轮毂内部清洁。
4 小结
从目前两种变桨系统的应用来看，除了国外风电巨头VESTAS和GAMESA使用液压变桨系统，其他风机制造商几乎都采用电动变桨方式。虽然液压变桨系统的结构简单，但一旦发生故障处理十分困难，而且油污非常严重。电动变桨虽然结构复杂，但故障处理较简单也不需要更换大部件，所以电动变桨系统在风电领域得到了广泛应用。
参考文献：
[1]宫靖远，贺德馨，孙如林，吴运东.《风电场工程技术手册》.机械工业出版社，2004： 41～42.
[2]2010-2015年风电变桨系统行业技术发展趋势及市场潜力专项研究报告，2009：75～80
[3]金风GW-1500兆瓦机组的有关技术资料