4.2 电动变桨距系统
变桨电机执行机构结构简单、扭矩大、不存在漏油问题，并且能对桨叶进行单独控制，这对于当今容量越来越大的风电机组来说是十分重要的，所以越来越受到重视并开始得到广泛应用。变桨系统分布结构如图4-4所示。
全球风电机组的大型供应商多采用电动变桨距结构作为变桨距系统的组成。例如：GE WindPower公司的3.6MW风机机组、Enercon公司的E-112型风机机组、Suzlon公司的2MW风机机组、REpower公司的5MW风机机组、Nordex公司的N90/2500kW风机机组、Siemens公司的3.6MW风机机组等都是应用了电动变桨距结构。国内对大型风力发电机组独立桨叶控制系统也有很多研究。电动变桨距结构如图4-5所示。
图4-4 变桨系统分布结构图
图4-5 电动变桨距结构图
4.2.1 统一变桨
统一变桨距是指风力机所有桨叶的节距角β均同时改变相同的角度。统一变桨距是最先发展起来的变桨距控制方法，目前应用也最为成熟。变桨距机构就是在额定风速附近（以上），依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的机械能，这样一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应），同时另一方面减少风力对风力机的冲击。在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。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。变桨系统内部结构如图4-6所示。
图4-6 变桨系统内部结构图
电动变桨距系统是三个叶片分别装有独立的电动变桨距系统，变桨系统内部结构如图所示。主要包括回转支撑，减速机装置和伺服电动机及其驱动器等。减速机装置固定在轮毂内，由于桨距角的变化速度都很慢，一般不超过15°/s，而一般的伺服电机额定转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。
伺服电机联结行星减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制。叶片安装在回转支撑的内环上，回转支撑的外环则固定在轮毂上。当电驱动变桨距系统上电后，伺服电动机带动减速机装置的输出轴小齿轮旋转，而小齿轮又与回转支撑的内环相啮合，从而带动回转支撑的内环与叶片起旋转，实现了变桨距的目的，这样我们通过RS-485通信控制驱动器驱动伺服电动机就可实现同步变桨和准确的定位。
电动变桨距系统的布局如图4-7所示。每个桨叶配有一个轴控制柜、一个电池柜、一个叶片编码器、两个限位开关、一个电机编码器和一个永磁同步电动机等，主控制柜安装在主轴与轮毂的连接处。
图4-8是电动变桨距伺服系统的构成框图，轮毂里装有一个主控制柜、三个轴控制柜、三个电池柜、三个叶片编码器以及三个电机编码器等。轮毂与主轴的连接处设置了接线端子，变桨距的所有电源和控制通信总线都是通过滑环与机舱控制柜相连。主控制柜内装有同步运动控制器以实现三个叶片的同步变桨控制，轴控制柜用来实现对电机的精确控制，电池用来提供备用电源，通讯采用RS-485总线结构，具有较强的抗干扰能力。
图4-7 电动变桨距系统布局图
内齿环侧安装有两个限位开关，位于桨距角90°和91°位置，对应顺桨位置进行冗余限位保护，在顺桨过程中，桨叶到达顺桨位置触发限位开关后，将切断电动机驱动电源。
变桨距系统必须要满足能够快速响应主控制器的命令，迅速将桨叶置于指定的位置的要求同时还要满足三个叶片的桨距角一致，以及要安全可靠运行的要求。
电动变桨距系统采用的三个桨叶分别带有独立的电动变桨距伺服系统，包括回转支撑，减速机装置和伺服电动机及其驱动器等。减速机装置固定在轮毂内，回转支撑的内环用来安装叶片，回转支撑的外环固定在轮毂上。当电动变桨距系统工作时，永磁电动机带动减速机装置的输出轴小齿轮旋转，而小齿轮又与回转支撑的内环相啮合，从而带动回转支撑的内环与叶片一起旋转，实现变桨距的目的。电动变桨距伺服系统机械传动示意图如图4-9所示。
图4-8 电动变桨距伺服系统构成框图
伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元，驱动单元采用三相全桥不可控整流，三相正弦PWM逆变器变频的AC-DC-AC结构。为避免上电时出现大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的崩升电压，设有能耗泄放电路。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块IPM，开关频率可达20kHz。
伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统的位置控制，速度控制，转矩控制。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全可靠工作。1.5MW 风力发电机组变桨系统原理如图4-10所示。
图4-9 电动变桨距伺服系统机械传动示意图
图4-10 1.5MW风力发电机组变桨系统原理图
4.2.2 独立变桨
随着机组单机容量的增大，塔架高度和叶轮直径不断扩大，2MW风力发电机组在额定风速的情况下，其桨叶在扫掠过程的最低端和最高端由于垂直高度上风速增加的影响，吸收功率相差20%以上。这使得普通叶轮整体变距控制的优点无法在大型机组上得到体现。而独立桨叶变距控制不但有普通叶轮整体变距控制的优点，而且可以很好地解决垂直高度上的风速变化对风机的影响这一问题。
电动变桨距系统还可以实现三个叶片独立控制。因为在风轮旋转过程中处于高处的叶片受到空气动力和处于低处的叶片受到的空气动力是不一样的，也就是说风速随着高度有所变化，这样就要求3个叶片具有不同的桨距角，分别对它们进行独立控制。当停机时，可以先将桨距角调整到90°的位置，以提供足够的刹车制动能力，提高了机组的可靠性和安全性，可以有效防止风轮超速造成灾难性的后果。影响风速的主要因素有以下方面：
（1）垂直高度。由于风与地表面摩擦的结果，所以风速是随着垂直高度的增加而增强，只有离地面300m以上的高空才不受其影响。
（2）地形地貌。风速受地形地貌的影响。例如山口的风速比平地大得多。
（3）地理位置。海面上的风比海岸上的风大，而沿海的风要比内陆大得多。
（4）障碍物。风流经障碍物时，会在其后面产生不规则的涡流，致使流速降低，这种涡流随着远离障碍物而逐渐消失。当距离大于障碍物高度10倍以上时，涡流可完全消失。
当风电场选址完成并安装好风力发电机组后，这些主要因素实际就都已确定。因此在安装风电机组之前，必须要对这四个因素综合考虑，期望机组实际位置的风速稳定而高速。这四个因素中，独立桨叶变桨距控制方法可以很好解决垂直高度对风力机的影响。据计算，即使地表摩擦系数按0.14（长满短草的未耕土地）计算，一台1MW的变桨距风力机桨叶如果采用统一变距控制方法，桨叶在额定风速条件下的不同位置输出力矩之差可达20%。如果地表摩擦系数按0.10（平坦坚硬的地面，湖面或海面）计算，即风力发电机组安装在近海风电场，一台5MW的变桨距风力机桨叶如果采用统一变距控制方法，桨叶在额定风速条件下的不同位置输出力矩之差也可达19.8%。这种输出力矩脉动是统一变距控制方法无法解决的问题。因此，在大型和超大型风力发电机组中，采用独立桨叶变桨距控制方法可以减轻输出力矩脉动，减少传动系统的故障率，提高机组运行寿命，提高系统运行的可靠性和稳定性。
变桨系统使用一对一的电动变桨距，实现了每支叶片0～90°的变桨距控制。每个桨叶都有独立的变频控制器、电池柜。变桨系统电源及通讯都由机舱柜通过接在低速轴端的滑环供给。电动变桨距系统结构简单、控制精度高，响应快。独立变桨距电机执行机构原理图如图4-11所示。
图4-11 独立变桨距电机执行机构原理图
图4-11是以一个叶片的变桨距系统为例，其他两个叶片与此完全相同。每个桨叶采用一个带位置反馈的伺服电动机进行单独调节，绝对编码器采用光电编码器，安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机的转动角度。伺服电机连接于减速机装置输出的主动齿轮与回转支撑的内环齿圈相啮合处，带动叶片进行变桨距，实现对叶片节距角的直接控制。在轮毂内齿圈的边上安装了一个非接触式位移传感器，直接检测内齿圈转动的角度，即直接反应桨距角的变化，当内齿圈转过一个角度，非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。
变桨距控制根据安装在发电机后方输出轴上的光电编码器所测的位移值进行控制，非接触传感器作为冗余控制的参考值，它直接反映的是桨叶节距角的变化，当发电机输出轴、联轴器或光电编码器出现故障时，即光电编码器与非接触式位移传感器所测数字不一致时，控制器便可知道系统出现故障。如果系统出现故障，控制电源断电时，电机由蓄电池供电，60s内将叶片调整到顺桨位置。虽然独立变桨距控制与统一变桨距控制结构方式不一样，但是控制目标都是相同的，即稳定发电机的功率输出。因此独立变桨距控制同样也分两个阶段：当风速低于额定风速时，桨叶节距角保持最优捕获风能的位置，一般为零度左右，控制发电机转子转速，使风能利用系数保持最大值，使发电机尽可能地输出最大的功率；当风速高于额定风速时，调节桨叶节距角，使发电机输出稳定在额定功率左右。在整个变桨距过程中，独立桨叶控制方式对应着三个控制量，即分别对每个桨叶进行单独控制；一个输出量，就是发电机的输出功率。
如何实现三个桨叶合理的控制，相互协调从而达到稳定发电机输出功率的目的是独立变桨距控制的研究重点。目前，我国设计了独立变桨距风力机，采用类似电液比例控制方法，对三个桨叶进行统一控制，通过简单算法，控制发电机的输出功率。此方案虽然最终能达到控制目标，但是失去了三个桨叶能单独控制的优点，电液比例变桨距统一控制方式由于风速在空间分布并不是均匀的，每个桨叶受力不同，而且风轮在不断的运转，桨叶受力处于持续波动过程，因此桨叶的拍打震动是不可避免的。另外还可知桨叶受力除了受风速大小制约外，还随桨叶的节距角变化而变化。在统一变桨距控制中，桨叶节距角由功率调节一一确定，无法兼顾到桨叶受力拍打震动，而三个桨叶独立控制，每个桨叶的节距角可以根据桨叶受力不同单独变化，从而有可能实现减小桨叶拍打震动，同时稳定发电机输出功率的目的。
4.2.3 联合变桨
目前，有学者提出联合变桨控制技术，它是一种统一变桨和独立变桨混合控制方法，即发电机转速偏差较大时，采用统一变桨控制方式，转速偏差较小时，采用独立变桨控制方式，驱动电气伺服变桨机构带动桨叶完成变桨动作。统一变桨控制时风机主控发出的变桨命令即为每个桨叶的变桨给定命令；独立变桨控制时则对风机主控发出的变桨命令进行模型转换得到对应的平均风速，并结合每个桨叶各自的空间位置，通过摆振载荷和挥舞载荷模型计算和控制，得到每个桨叶各自的变桨命令。统一变桨控制器和独立变桨控制器都是以风机主控发出的变桨命令作为控制器的输入值，既保证了与风机整机有很好的兼容性和通用性，又综合了统一变桨控制响应快和独立变桨控制精度高的优点，达到输出稳定和最优功率，减小和平衡桨叶载荷，降低主轴振动，提高风力机动力稳定性和使用寿命的目的。