DQZHAN技術(shù)訊：風(fēng)電變槳中的伺服有什么特別

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用伺服技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片的槳距角，也就是我們常聽到的“伺服變槳”，已經(jīng)是目前行業(yè)內(nèi)一種非常普遍的做法了。

那么，在風(fēng)電變槳應(yīng)用中的伺服會(huì)有怎樣的特別之處呢？本期，就和大伙簡(jiǎn)單聊聊這個(gè)話題。

首先，既然風(fēng)電變槳是在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片的槳距角，那么，伺服在變槳應(yīng)用中所起到的作用，就和它在很多其他行業(yè)一樣，也是為動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)的位置控制提供有效的動(dòng)力輸出。相應(yīng)的，其在系統(tǒng)架構(gòu)中所處的位置，自然也就是屬于面向應(yīng)用對(duì)象實(shí)體的傳動(dòng)設(shè)備層級(jí)，上位與控制器相聯(lián)，輸入側(cè)接動(dòng)力電源，輸出側(cè)通過交流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)槳葉的旋轉(zhuǎn)。

?? 槳距角：Pitch Angle，指風(fēng)機(jī)槳葉與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角

不過，考慮到變槳系統(tǒng)自身所處的嚴(yán)苛、惡劣的應(yīng)用環(huán)境，及其復(fù)雜、特殊的運(yùn)行工況，它所使用的伺服與一般自動(dòng)化系統(tǒng)中的伺服產(chǎn)品相比，還是有諸多方面的不同之處的。

先說應(yīng)用環(huán)境。

我們知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常都是運(yùn)行在偏遠(yuǎn)開闊的平原、高原、沿海和近海大陸架上的，這些地方極為復(fù)雜嚴(yán)苛的地**候條件，如：高海拔、多風(fēng)沙、高溫、低溫、高濕度、鹽霧、腐蝕…等等，都是風(fēng)電變槳系統(tǒng)中的伺服產(chǎn)品必須先要克服和適應(yīng)的。尤其是較大的環(huán)境濕度和晝夜溫差，可能使槳葉在表面上產(chǎn)生凝露，它們會(huì)隨著風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)倒灌到葉根和輪轂里面，再加上輪轂內(nèi)電氣柜上凝結(jié)的露水，和輪轂旋轉(zhuǎn)需要使用的潤(rùn)滑油劑，這些都會(huì)對(duì)其中的伺服產(chǎn)品造成侵蝕和污染。

PicSource：KEBA+LTI｜ DriveStar

因此，風(fēng)電變槳系統(tǒng)中使用的伺服，無論是驅(qū)動(dòng)還是電機(jī)，它們都需要具備適應(yīng)極端惡劣工作環(huán)境的能力，例如：

運(yùn)行環(huán)境溫度可低至 -30°C、高溫至 +60°C 甚至更高；

能夠在海拔高達(dá) 3000 甚至 4000 米的工作環(huán)境中運(yùn)行（需適當(dāng)降容使用）；

可抵御鹽、霧、清潔劑、液壓油、潤(rùn)滑劑…等污染物的侵蝕；

伺服電機(jī)應(yīng)具備 IP65 以上的防護(hù)等級(jí)，并標(biāo)配油封，使用防護(hù)等級(jí)較高的線纜連接器；

防護(hù)等級(jí)較低（ IP20 ）的伺服驅(qū)動(dòng)器可采用冷板穿墻的方式進(jìn)行安裝，以便在對(duì)其進(jìn)行密閉（無風(fēng)扇）封裝保護(hù)時(shí)，兼顧冷卻散熱特性；

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變槳應(yīng)用另一個(gè)重要的環(huán)境特點(diǎn)，就是其各類機(jī)電組件都是安裝在幾十米高的輪轂內(nèi)的，且在工作時(shí)需要和風(fēng)輪一同旋轉(zhuǎn)。一般來說，輪轂會(huì)以每分鐘十幾轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，加上風(fēng)機(jī)塔筒受到的風(fēng)力氣流影響產(chǎn)生的震動(dòng)，這要求變槳系統(tǒng)能夠在一個(gè)持續(xù)振動(dòng)的工作環(huán)境中長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。因此，應(yīng)用于風(fēng)電變槳的伺服產(chǎn)品，包括：驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、線纜、連接器…等等，都需要具備較一般自動(dòng)化產(chǎn)品更強(qiáng)的耐振抗沖擊性能。目前應(yīng)用于風(fēng)電變槳領(lǐng)域的伺服電機(jī)，普遍都集成重載連接器，并且大部分都還在使用分辨率較低的旋變 Resolver作為反饋，也就是因?yàn)檫@個(gè)道理。

再來看運(yùn)行工況。

風(fēng)電變槳的目的，是為了根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)風(fēng)力氣流對(duì)槳葉的攻角，從而讓風(fēng)輪能夠持續(xù)獲得穩(wěn)定的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和功率；而在風(fēng)力較大時(shí)，它需要起到限制葉片力矩、減少發(fā)電機(jī)出力乃至制動(dòng)剎車的作用。從某種意義上說，變槳機(jī)構(gòu)其實(shí)是風(fēng)電系統(tǒng)的一個(gè)**裝置。因此，變槳應(yīng)用中使用的伺服系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)、**、可靠…等這幾個(gè)方面的特性。

所謂實(shí)時(shí)，是指伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的變槳?jiǎng)幼?，必須基于每次風(fēng)速的改變而立即作出的，并且是動(dòng)態(tài)連續(xù)不停頓的，這與一般自動(dòng)化設(shè)備中有規(guī)律的周期性運(yùn)動(dòng)是不同的。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其葉片槳距角的范圍一般在 0 ~ 90°，考慮到葉片在各角度位置所受到的風(fēng)阻大小的差異，伺服系統(tǒng)需根據(jù)從主機(jī)接收到的槳距角目標(biāo)指令，結(jié)合當(dāng)前所在的位置，計(jì)算出變槳?jiǎng)幼魉璧乃俣惹€，并以此為依據(jù)完成對(duì)風(fēng)葉角度的調(diào)節(jié)。

變槳?jiǎng)幼鲿r(shí)，三個(gè)葉片須始終保持同步，之間的角度誤差一般應(yīng)在 2° 以內(nèi)，這通常是由變槳控制器與驅(qū)動(dòng)器之間的通訊總線和位置反饋編碼器來提供保障的。

通訊方面，目測(cè) CAN 總線是現(xiàn)在風(fēng)電變槳行業(yè)的一大主流；

而在槳距角位置測(cè)量上，考慮到伺服電機(jī)與輪轂內(nèi)齒之間幾百甚至上千的減速比，光依賴電機(jī)內(nèi)部的伺服反饋往往是不夠準(zhǔn)確的，伺服廠家通常會(huì)為用戶配備**編碼器輸入端口，用于直接讀取風(fēng)葉的槳距角反饋。

不過，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)并不總是一帆風(fēng)順的，它有可能會(huì)受到來自風(fēng)力過大、發(fā)電機(jī)異常、備用電源故障… 等各類意外狀況的威脅。在這種情況下，為了確保機(jī)組設(shè)備的**，系統(tǒng)須先啟動(dòng)收槳?jiǎng)幼魇癸L(fēng)機(jī)減速停轉(zhuǎn)，然后讓葉片的槳距角回到**位置，消除葉片對(duì)輪轂產(chǎn)生的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，才能斷電停機(jī)，這個(gè)過程通常為幾十秒。

值得注意的是，上述這樣的**功能通常是集成在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的，其目的在于讓“收槳”動(dòng)作可以不借助上位控制器由伺服驅(qū)動(dòng)自主完成；不僅如此，為了讓風(fēng)機(jī)即使在供電異常的情況下也能夠?qū)~收回到**位置，變槳用伺服產(chǎn)品一般都會(huì)配有備用（直流）電源輸入端口；另外，上面提到的使用輔助編碼器準(zhǔn)確的測(cè)量風(fēng)葉槳距角，對(duì)于**停機(jī)也是至關(guān)重要的。

這其實(shí)還是可靠性的意思。目前主流廠家的產(chǎn)品，如：KEBA+LTI 的 PITCHmaster II+和新款 PitchOne，在這方面都已經(jīng)具備了 2oo3 的冗余性能和 PL D 甚至 PL E 的**等級(jí)。

從應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的氣候地理?xiàng)l件和持續(xù)振動(dòng)的工作環(huán)境，到處理實(shí)時(shí)同步操作、測(cè)量角度位置反饋、實(shí)施**控制策略...等，我們不難看出，在全生命周期都具備極度嚴(yán)格的可靠性，是風(fēng)電變槳伺服區(qū)別于通用型伺服產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。它不僅應(yīng)確保風(fēng)機(jī)在日常發(fā)電過程中長(zhǎng)期穩(wěn)定的無故障運(yùn)行，還必須能在遇到緊急狀況時(shí)妥善的將槳葉收回到**位置，從而幫助系統(tǒng)做到**停機(jī)。

畢竟，風(fēng)場(chǎng)往往處在偏遠(yuǎn)的內(nèi)陸、沿海地區(qū)或海上，而變槳伺服又總是運(yùn)行在幾十甚至上百米高的風(fēng)機(jī)輪轂中，運(yùn)營維護(hù)的難度和成本都相當(dāng)之高，且任何小小的意外都有可能會(huì)帶來不可估量的損失。