【文章內(nèi)容簡介】 比。 i和CL與CL與CD的關(guān)系由式()可得正比于，所以當(dāng)攻角增大時，風(fēng)能利用系數(shù)增大；反之當(dāng)攻角減小時，風(fēng)能利用系數(shù)減小。又由式()可知，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)負(fù)載一定時，當(dāng)攻角增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大；反之，當(dāng)攻角減小，值減小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小。再由式()，這里增大，將減小。如果減小，將增大。為了直觀起見，通常用槳矩角來說明上面的關(guān)系，即當(dāng)增大時，風(fēng)機(jī)速度下降。當(dāng)減小時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加。（1）變槳矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)兩類[18]。a) 液壓變槳矩 b) 電動變槳矩 變槳矩系統(tǒng)的輪轂照片 1）液壓伺服變槳矩系統(tǒng)。液壓伺服變槳矩系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn)。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征，甚至?xí)霈F(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，槳矩角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，槳矩角為900。而活塞桿向右移動最大位置時，槳矩角為00。液壓缸的位移由液壓比例閥進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。在負(fù)載變化不大的情況下，電液比例閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進(jìn)行精確的液壓缸位置控制，則必須引入液壓缸位置檢測和反饋控制。 液壓伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理框圖2）電動變槳矩系統(tǒng)。電動伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)可對每個槳葉采用獨(dú)立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，進(jìn)而直接對槳矩角進(jìn)行控制。[19]。 電動變槳矩結(jié)構(gòu)圖，其它兩個槳葉則與此完全相同。而每個槳葉采用一個帶位置反饋的伺服電動機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，安裝在伺服電動機(jī)輸出軸上，采集電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。伺服電機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對槳葉的槳矩角的直接控制。在輪轂內(nèi)齒圈的邊上又安了一個非接觸式位移傳感器，對內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動的角度進(jìn)行直接檢側(cè)，即槳葉槳矩角變化，當(dāng)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過一個角度，則非接觸式位移傳感器輸出一個脈沖信號。位置傳感器采集槳矩角的變化與電動機(jī)形成閉環(huán)PID負(fù)反饋控制。變槳矩控制是根據(jù)伺服電動機(jī)自帶的位置編碼器所測的位移值進(jìn)行控制的。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時，槳葉控制電動機(jī)由UPS系統(tǒng)供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，充分利用了有限的空間，實現(xiàn)了分散布置，且可以實現(xiàn)對單一槳葉進(jìn)行控制，但對于大功率風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性相對較差。 電動伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理框圖制動裝置的突出特點(diǎn)是空氣動力學(xué)制動剎車單獨(dú)由變槳矩控制，槳葉充分發(fā)揮剎車的作用。即使其中一個槳葉剎車制動失敗，其它兩個葉片也可以安全完成剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。制動系統(tǒng)還裝備了備用電源，用于故障或維修時可以快速準(zhǔn)確地控制槳葉。它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出和剎車制動提供了足夠的能力。這樣可以避免過載對風(fēng)機(jī)的破壞[20]。（2）按每個葉片是獨(dú)立調(diào)節(jié)還是同步調(diào)節(jié)可以分為兩種：1）共同驅(qū)動變槳矩系統(tǒng)。這種變槳矩系統(tǒng)在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動由同一個驅(qū)動裝置驅(qū)動，三只葉片的槳矩角調(diào)節(jié)是同步的。它的控制系統(tǒng)比較簡單、成本低，但機(jī)械裝置龐大，調(diào)整復(fù)雜，安全冗度小。2）獨(dú)立驅(qū)動變槳矩系統(tǒng)。這種變槳矩系統(tǒng)在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動由同三個相同的驅(qū)動裝置驅(qū)動，三只葉片的槳矩角調(diào)節(jié)是相互獨(dú)立的。它需要三套控制系統(tǒng)、成本較高，但結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、控制靈活，安全余度大。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩驅(qū)動裝置比較和選擇 液壓變槳與電動變槳技術(shù)比較由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多安裝在環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)和保養(yǎng)增加了許多困難，這就要求風(fēng)力機(jī)組具有高度的可靠性，因此要求風(fēng)機(jī)的各個部件要有穩(wěn)定且可靠的質(zhì)量。變槳系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成部分中是非常重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺風(fēng)機(jī)的性能。液壓變槳系統(tǒng)與電動變槳系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能比較[21]見表 。 液壓變槳系統(tǒng)與電動變槳系統(tǒng)的比較項目液壓變槳矩系統(tǒng)電動變槳矩系統(tǒng)槳矩調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度快緊急情況下的保護(hù)儲存能量小儲存能量較大使用壽命蓄能器的使用壽命大約6年蓄電池的使用壽命大約3年外部配套需求占用空間小占用空間相對較大環(huán)境清潔容易漏油，造成機(jī)艙及輪轂內(nèi)部油污機(jī)艙及輪轂內(nèi)部清潔維護(hù)液壓油、濾清器進(jìn)行更換，維護(hù)困難蓄電池的更換，易維護(hù) 液壓變槳與電動變槳供應(yīng)鏈分析在軟件方面，國內(nèi)的變槳控制技術(shù)基本上被國外廠商壟斷，國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)開始對變槳軟件系統(tǒng)進(jìn)行研究，但由于缺乏經(jīng)驗，與國外的變槳控制策略還相比差矩很大[22]。在硬件方面，我們的分析從變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的供應(yīng)鏈的情況來進(jìn)行。（1）液壓變槳矩系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要求變槳系統(tǒng)具有較高的可靠性，而我國液壓行業(yè)水平與發(fā)達(dá)國家還存在差矩，因此，液壓變槳實現(xiàn)國產(chǎn)化的難度非常高[23]。1）液壓泵站： 液壓柱塞泵是泵站的核心，國外品牌的液壓柱塞泵質(zhì)量大多比較可靠，國內(nèi)品牌中，北京華德品質(zhì)較好。2）控制閥摸塊： 控制閥塊的制造難度較低，但基本上是國外設(shè)計在國內(nèi)生產(chǎn)。問題是大尺寸的擠壓鋁及其相應(yīng)的熱處理在國內(nèi)很難找到合適渠道。3）液壓油缸： 中高端的伺服油缸在國內(nèi)基本都是進(jìn)口產(chǎn)品，其中還包括安置在活塞桿中的位移傳感器，國內(nèi)的油缸廠商提供的產(chǎn)品主要用于在工程機(jī)械、冶金等行業(yè)的中低端油缸。國內(nèi)液壓油缸的整體水平還是與發(fā)達(dá)國家有著相當(dāng)大的差矩的。4）蓄能器： 蓄能器分皮囊式蓄能器與活塞式蓄能器。皮囊式蓄能器在國內(nèi)應(yīng)用較多，但皮囊是影響其壽命的關(guān)鍵部件，中高端產(chǎn)品還多為進(jìn)口。活塞式蓄能器具有更長的使用壽命，但其在國內(nèi)遇到與液壓油缸相似問題。5）管路： 標(biāo)準(zhǔn)接頭在國內(nèi)有很多優(yōu)秀的廠商，如伊頓永華的系列產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定，性價比高。所以標(biāo)準(zhǔn)接頭在國內(nèi)容易很找到合適的渠道，國產(chǎn)化率較高。液壓管系統(tǒng)中常用的管路種類是液壓鋼制彎管。通常是無縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序后制成的，技術(shù)含量較低，國內(nèi)廠商即可滿足要求。液壓膠管是另一種常用的管路，中高端膠管總成中的軟管部分基本上是進(jìn)口軟管。液壓旋轉(zhuǎn)接頭是風(fēng)機(jī)管路中較為關(guān)鍵的連接部件，市場基本上也是進(jìn)口產(chǎn)品壟斷著?？梢钥闯?，我國的液壓行業(yè)普遍服務(wù)于普通工程機(jī)械領(lǐng)域，高精度、高穩(wěn)定性的液壓產(chǎn)品在國內(nèi)的發(fā)展還比較落后。國內(nèi)液壓行業(yè)的生產(chǎn)商相比國外的帕克、伊頓、薩奧、力士樂等知名廠家，無論是從產(chǎn)品的系列化的廣度上，還是從做工質(zhì)量的深度上來講，都有相當(dāng)大的差矩。風(fēng)機(jī)中液壓變槳系統(tǒng)的實質(zhì)國產(chǎn)化率按價值算不超過10%，高精度核心部件基本全部是進(jìn)口產(chǎn)品，技術(shù)含量較低的如緊固件、泵站油箱等可在國內(nèi)找到合適渠道[24]。（2）電動變槳系統(tǒng)相對于液壓驅(qū)動變槳系統(tǒng)而言，電動變槳系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較多，國內(nèi)渠道培養(yǎng)以及發(fā)展的時間也較長，可選擇度也較大。由于電動行業(yè)在國內(nèi)發(fā)展的較好，各部件的國產(chǎn)化率較高，但在高可靠性、高穩(wěn)定性的部件上某些進(jìn)口產(chǎn)品仍居主導(dǎo)地位[25]。1）伺服電機(jī)及減速器： 伺服電機(jī)是整個電動槳系統(tǒng)的動力源，減速機(jī)是調(diào)速傳動裝置，二者都要求具有很高的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前生產(chǎn)風(fēng)機(jī)的原件還是以進(jìn)口產(chǎn)品或跨國公司在華所設(shè)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品為主。但這方面基本上可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，且國內(nèi)供應(yīng)廠商較多，渠道明朗，價格也較透明。2）控制器等電子設(shè)備： 控制器相當(dāng)于整個電動變槳系統(tǒng)的大腦，技術(shù)含量較高，基本被國外公司壟斷，成為發(fā)展電動變槳系統(tǒng)主要的瓶頸之一。3）蓄電池： 由于鉛酸蓄電池構(gòu)成UPS電源，國產(chǎn)渠道也較多，國產(chǎn)化比率高。4）位移傳感器和接近開關(guān)： 位移傳感器和接近開關(guān)是安裝在軸承內(nèi)齒輪部位的主要檢測裝置，要求可靠性高、精準(zhǔn)度好，也都是進(jìn)口產(chǎn)品。5）電路： 電路的國內(nèi)渠道很多，質(zhì)量也很好，其他的電器元件國內(nèi)都有很成熟的渠道。然而值得一提的是電滑環(huán)，由于變槳矩系統(tǒng)對電滑環(huán)的要求比較高，因此，高性能的電滑環(huán)還值得關(guān)注的。總體來說，電動變槳系統(tǒng)的國內(nèi)渠道較多，進(jìn)行國產(chǎn)化的可能性也較大，廠商掌握起來也較容易，預(yù)計得到的推廣也較快。相比較液壓變槳系統(tǒng)國內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)勢也比較明顯。而且電動變槳矩系統(tǒng)與液壓變槳系統(tǒng)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，不僅可實現(xiàn)獨(dú)立變槳，還具有定位精度高的優(yōu)勢，且無溫漂、調(diào)速范圍大、無零漂、承載范圍大、控制方便、動作滯后小、適應(yīng)性強(qiáng)、配套簡單，為大載荷變槳提供高精度的控制[26]。因此，本文選擇的研究對象是基于獨(dú)立驅(qū)動的電動變槳系統(tǒng)。本章首先對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成進(jìn)行介紹，然后對變槳矩風(fēng)電機(jī)組的空氣動力學(xué)原理以及風(fēng)切變、塔影效應(yīng)等風(fēng)速特性進(jìn)行分析，得出結(jié)論:對于某一確定的槳矩角，存在唯一的CPmax；對于任意的情況，槳矩角為00時CP相對最大。隨著槳矩角的增加，風(fēng)輪受力明顯減小，由此得出變槳矩風(fēng)力發(fā)電電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)原理：當(dāng)風(fēng)速低于額定值時，槳矩角在00附近，通過變速恒頻技術(shù)實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；當(dāng)風(fēng)速高于額定值時，調(diào)節(jié)槳矩角實現(xiàn)機(jī)組輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。此外，本章對于變槳矩控制原理和系統(tǒng)的類型進(jìn)行介紹，對比分析液壓變槳和電動變槳的工作原理，得出結(jié)論：電動變槳矩伺服可以實現(xiàn)對單一槳葉進(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，充分利用有限的空間，實現(xiàn)分散布置，對于迅速發(fā)展的大型風(fēng)電機(jī)組來說，更容易實施獨(dú)立變槳矩調(diào)節(jié)方式，具有更好的應(yīng)用前景。第三章 變槳系統(tǒng)設(shè)備選型與硬件電路設(shè)計設(shè)備選型對任何一個系統(tǒng)來說都顯得非常重要，因為它既決定了本系統(tǒng)的控制效果的優(yōu)劣，又與經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。由于本人還對風(fēng)電的具體情況不是特別了解，在此，僅對變槳系統(tǒng)的伺服電機(jī)、控制器和控制算法進(jìn)行了選擇。還對變槳控制的兩項技術(shù)和四類工況進(jìn)行了論述，從而，設(shè)計了變槳矩控制系統(tǒng)的硬件電路。風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)伺服電機(jī)屬于控制電機(jī)，常見的有感應(yīng)電動機(jī)，無刷直流電動機(jī)，三相永磁同步電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)四種，其各自特點(diǎn)[27]： 伺服電機(jī)的種類和特點(diǎn)電機(jī)種類主要特點(diǎn)DC伺服電機(jī)高響應(yīng)特性；高功率密度（體積小，重量輕）；可實現(xiàn)高精度數(shù)字控制；接觸換相器件，需要維護(hù)。AC永磁同步伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)；無接觸換相器件；需要磁極位置檢測器AC感應(yīng)伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)；對定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成正比，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；有定位轉(zhuǎn)矩；可構(gòu)成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)。變槳伺服電機(jī)要求:根據(jù)驅(qū)動器指令運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)帶動槳葉回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)槳葉的轉(zhuǎn)矩角；通過編碼器將電機(jī)的位置信號反饋至驅(qū)動器。額定轉(zhuǎn)速:和減速機(jī)配合能夠以較快的速度轉(zhuǎn)動槳葉，在迅速順槳時使槳葉以7度每秒的速度順槳，以確保風(fēng)機(jī)安全。轉(zhuǎn)矩:和減速機(jī)配合之后足以驅(qū)動槳葉轉(zhuǎn)動。慣量:和減速機(jī)配合在風(fēng)機(jī)起動和停止時能夠滿足慣量要求。額定功率:要和伺服驅(qū)動器相匹配。通常驅(qū)動器的功率略大于電機(jī)功率。帶制動器。伺服電機(jī)內(nèi)部自帶有相應(yīng)的變槳位置編碼器。由于輪轂內(nèi)空間限制，安裝法蘭至軸端尺寸應(yīng)滿足空間要求。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對變槳電機(jī)的要求，結(jié)合電機(jī)自身的特點(diǎn)，選擇交流永磁同步電動機(jī)(PMSM)作為變槳系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。PLC作為一種通用的工業(yè)控制器有它的特點(diǎn)：可靠性高，必須能夠在各種不同的工業(yè)環(huán)境中正常工作，抗干擾能力強(qiáng)，平均無故障工作時間長，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。使用方便靈活，主要體現(xiàn)在硬件使用和軟件使用上。PLC按照程序的要求，通過對來自設(shè)備外圍的按鈕、行程開關(guān)、接觸器點(diǎn)等開關(guān)量信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，并控制外圍指示燈、電磁閥、接觸器線圈通斷等功能。PLC能適應(yīng)風(fēng)電的惡劣環(huán)境，對于風(fēng)電的穩(wěn)定、安全運(yùn)行有了保障。S7200 PLC是家族中 I/O點(diǎn)數(shù)最少、功能最精簡的微型PLC產(chǎn)品，主要有以下特點(diǎn)：采用整體式I/O型與基本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，CPU、電源、輸入輸出安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單；編程指令、元件豐富，性價比高。算速度快， 毫秒能執(zhí)行一條基本邏輯控制指令，可實現(xiàn)高速控制。均帶有固定點(diǎn)數(shù)的高速計數(shù)輸入和高速脈沖輸出，輸入/輸出頻率可以達(dá)到20100kHz。S7200PLC的CPU 模塊共有五種基本規(guī)格：CPU22CPU22CPU22CPU22CPU224XP。S7200 PLC可以使用 56 條基本邏輯處理指令、11 條定時器/計數(shù)器指令、4條實時鐘指令、27條數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、84 條其他指令，總計可達(dá)182條。CPU模塊有 46 個高速計數(shù)指定輸入端，用于轉(zhuǎn)速、位置、速度等計數(shù)。CPU模塊均集成1到2個串行通信接口，用于連接外部設(shè)備或組成PLC網(wǎng)絡(luò)體系。： CPU226 PLC 外形圖最新S7200 PLC除（CPU221）可由25中不同的擴(kuò)展模塊，來增加PLC的I/O點(diǎn)數(shù)以及功能，模擬量模塊會增加PLC的溫度、轉(zhuǎn)速、位置等的測量與顯示調(diào)節(jié)功能。通過與模塊CP2431 來連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，能通過遠(yuǎn)程編輯器，對 PLC進(jìn)行程序編輯、傳送、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)交換、存儲、讀取數(shù)據(jù)等?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，和功能的實現(xiàn)故選用S7200 PLC CPU226作為本系統(tǒng)的控制器。對應(yīng)風(fēng)速的兩個運(yùn)行范圍，設(shè)計兩個不同的控制器，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由PLC發(fā)出驅(qū)動信號，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得葉尖速比維持在最佳值不變，同時保持葉片槳矩角為00,