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　　2022年中國(guó)風(fēng)電平價(jià)時(shí)代來(lái)臨。如何能讓風(fēng)電這艘“減碳”大船更快、更穩(wěn)地行駛，風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)也前所未有地加快了技術(shù)降本的步伐，但對(duì)于一個(gè)風(fēng)電機(jī)組上千萬(wàn)的巨額投資相比，不管技術(shù)如何進(jìn)步，“可靠、穩(wěn)定”這四個(gè)字始終是企業(yè)所追求的目標(biāo)。本文圍繞風(fēng)力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了目前變槳伺服驅(qū)動(dòng)器、偏航系統(tǒng)以及風(fēng)槳電機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用情況。

　　風(fēng)電變槳系統(tǒng)的發(fā)展

　　早在20世紀(jì)90年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)風(fēng)力發(fā)電變槳距控制技術(shù)進(jìn)行研究，主要針對(duì)其運(yùn)行特性和控制策略，生產(chǎn)出一批可靠的風(fēng)電機(jī)組，如今研究重點(diǎn)是如何把一些智能算法應(yīng)用到風(fēng)電系統(tǒng)上，使控制效果得到加強(qiáng)。2009年，在全球所安裝的風(fēng)電機(jī)組中有95%的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)采用了變槳變速方式，我國(guó)自2009年始，所安裝的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，也全部是變槳距機(jī)組。

　　國(guó)外研究人員研究變槳距智能控制器獲得很多研究成果。另外，國(guó)外一些國(guó)家開(kāi)發(fā)一種能夠評(píng)估測(cè)量風(fēng)力資源以及計(jì)算機(jī)模擬的系統(tǒng)，能夠驗(yàn)證變槳距失速控制的設(shè)計(jì)理論，它采用了新型風(fēng)機(jī)槳葉材料來(lái)研發(fā)變速恒頻控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和低速永磁發(fā)電機(jī)，使風(fēng)電的效率得到了很大程度的提高，可靠性也得到了加強(qiáng)。

　　我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對(duì)兆瓦級(jí)以上大功率機(jī)組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家要落后二十年時(shí)間。前已述及，我國(guó)風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開(kāi)始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國(guó)內(nèi)主要風(fēng)機(jī)制造廠家為了快速搶占市場(chǎng)，都致力于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，無(wú)力對(duì)控制系統(tǒng)這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國(guó)外公司采購(gòu)產(chǎn)品或引進(jìn)技術(shù)，這就導(dǎo)致裝機(jī)量高，但缺乏自有核心技術(shù)。

　　就風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)本身的要求來(lái)看，確實(shí)有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來(lái)講，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動(dòng)、大范圍的溫度變化、強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。

　　從軟件來(lái)講，風(fēng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運(yùn)行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。國(guó)內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實(shí)需要一定時(shí)間。

　　風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件，不僅算法復(fù)雜，而且其各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)，不僅僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的高度自動(dòng)化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過(guò)合適的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化。一般的自動(dòng)化企業(yè)即使能研制出樣機(jī)，也很難得到驗(yàn)證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機(jī)制造商又無(wú)力進(jìn)行這樣的開(kāi)發(fā)。

　　變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

　　變槳系統(tǒng)是大型風(fēng)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要執(zhí)行裝置，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有十分重要的作用。電動(dòng)變槳以電動(dòng)機(jī)為工作動(dòng)力，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)的輸出半軸齒輪旋轉(zhuǎn)，輸出半軸齒輪與槳葉根部回轉(zhuǎn)支承內(nèi)側(cè)的齒輪嚙合，帶動(dòng)槳葉進(jìn)行變槳。

　　電動(dòng)變槳距系統(tǒng)由變槳控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和備用電源系統(tǒng)組成，其能夠?qū)崿F(xiàn) 3個(gè)槳葉獨(dú)立變槳距，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供功率輸出和足夠的剎車(chē)制動(dòng)能力，從而避免過(guò)載對(duì)風(fēng)機(jī)的破壞。其中驅(qū)動(dòng)器是變槳系統(tǒng)最為核心的部件，其平臺(tái)化的產(chǎn)品功能，不但可以覆蓋陸上和海上所有風(fēng)機(jī)平臺(tái)的需求，也可以幫助這些平臺(tái)降低成本，以及進(jìn)一步提高變槳系統(tǒng)的可靠性和整機(jī)控制需求的適應(yīng)性。

　　變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合，最終提高了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量，穩(wěn)定的變槳控制已成為當(dāng)前大型風(fēng)電機(jī)組控制和保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

　　風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)的價(jià)格僅占整個(gè)風(fēng)機(jī)總價(jià)的3%左右，但這個(gè)小小的變槳控制系統(tǒng)卻是風(fēng)機(jī)葉片啟停的總開(kāi)關(guān)，直接影響著風(fēng)機(jī)的捕風(fēng)能力和安全生產(chǎn)，關(guān)乎著風(fēng)機(jī)的生命線和效益線。老式的風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)一般要2年更換一次，維護(hù)成本大，使用壽命短。

　　風(fēng)力發(fā)電屬于非常復(fù)雜的重工業(yè)行業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)。從塔筒、葉片、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸承，到大型PLC、變槳伺服驅(qū)動(dòng)、大功率變流器、SVG，再加上變壓器、變流器等，整個(gè)產(chǎn)品線涵蓋了重工業(yè)的多個(gè)角度和層次，從價(jià)值角度而言，工控產(chǎn)品占比并不高，僅為10%左右，但是伺服驅(qū)動(dòng)器決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　可以說(shuō)控制和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大腦和心臟，是非常核心的部分。風(fēng)電進(jìn)入全面平價(jià)時(shí)代，無(wú)論是陸上風(fēng)電還是海上風(fēng)電，降低度電成本成為風(fēng)電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的大型化，是目前降低海上風(fēng)電成本最有效的途徑之一，關(guān)鍵電控系統(tǒng)器件等核心技術(shù)上的創(chuàng)新和突破，將成為下一個(gè)風(fēng)電時(shí)代搶占的制高點(diǎn)。

　　眾城卓越變槳伺服驅(qū)動(dòng)器

　　產(chǎn)品的“可靠性+穩(wěn)定性”，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組主控制系統(tǒng)而言是核心要求，也是眾城卓越團(tuán)隊(duì)的堅(jiān)定目標(biāo)。

　　眾城卓越專(zhuān)注的產(chǎn)品方向是風(fēng)電機(jī)組中最核心的部分——變槳系統(tǒng)，從價(jià)值角度而言，工控產(chǎn)品占比并不高，僅為10%左右，但是伺服驅(qū)動(dòng)器決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，可以說(shuō)控制和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的“心臟”，是非常核心的部分，說(shuō)它關(guān)系著這一個(gè)風(fēng)電機(jī)組的生死毫不夸張。如果變槳邏輯沒(méi)有設(shè)計(jì)好，輕則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行，重則會(huì)導(dǎo)致飛槳、傷及塔架以及倒塔這樣的大事故發(fā)生。變槳系統(tǒng)控制著開(kāi)、閉槳時(shí)機(jī)及方向，換言說(shuō)，沒(méi)有抓住風(fēng)就是它的失職。

　　為適配各種環(huán)境下的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)槳專(zhuān)用伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)于溫差的要求也很?chē)?yán)苛，一般需要滿(mǎn)足-40℃-70℃。另外因槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)等各種因素，也對(duì)產(chǎn)品的安全及穩(wěn)定性要求更高。這樣一條難走的路，眾城卓越走了近10年。

　　眾城卓越在近7年的風(fēng)電行業(yè)跋涉中，充分了解風(fēng)機(jī)制造商及運(yùn)營(yíng)商在變槳控制領(lǐng)域的需求和面臨的問(wèn)題，并一直致力于提供運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良且免于維護(hù)的系統(tǒng)，以便客戶(hù)的陸上和海上風(fēng)機(jī)達(dá)到最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。

　　眾城卓越定制化開(kāi)發(fā)的高性能伺服驅(qū)動(dòng)器，不論是專(zhuān)門(mén)為實(shí)現(xiàn)客戶(hù)二次開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的PD-C650，還是為標(biāo)準(zhǔn)變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PD-C620，都具可靠性高、防護(hù)等級(jí)高等特性，集成了充電器、24V 電源、抱閘、溫度采集等模塊，使變槳系統(tǒng)更加容易設(shè)計(jì)和更加可靠。其中PD-C650同時(shí)開(kāi)放了ARM芯片二次開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，用戶(hù)可非常靈活定制開(kāi)發(fā)所需功能，并可更好的保護(hù)核心技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　眾城卓越目前的變槳驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已進(jìn)入第3代，2019年推出的PD-C650伺服驅(qū)動(dòng)器屬其中的“明星產(chǎn)品”。這款驅(qū)動(dòng)器是一款真正與客戶(hù)共同研究開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，此項(xiàng)目前期花費(fèi)了一年時(shí)間，雙方成立聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)，深入探討在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，并逐條進(jìn)行討論解決，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，工廠測(cè)試，在風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)又經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行批量測(cè)試，最后才進(jìn)入量產(chǎn)。目前已銷(xiāo)售上萬(wàn)臺(tái)，由產(chǎn)品自身產(chǎn)生的故障率近達(dá)到業(yè)界最低水平。

　　眾城卓越不僅與高校進(jìn)行緊密的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，自身的研發(fā)團(tuán)隊(duì)還在不斷進(jìn)行更多的自主研發(fā)，隨著風(fēng)電機(jī)組塔筒建得越來(lái)越高，槳葉越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也會(huì)更高，做到高可靠性、高穩(wěn)定性，方能不辜負(fù)各方努力。

　　眾城卓越并沒(méi)有因?yàn)閹卓睢懊餍恰碑a(chǎn)品而放慢腳步，公司還在不斷進(jìn)行技術(shù)更新迭代。針對(duì)海上風(fēng)電要求推出了海陸雙用的80A伺服驅(qū)動(dòng)器，是目前業(yè)內(nèi)功率密度最高的伺服驅(qū)動(dòng)器。與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，這款產(chǎn)品雖然電流輸出一樣，但體積卻小了很多，單單此項(xiàng)設(shè)計(jì)會(huì)使客戶(hù)機(jī)組減小不少空間，節(jié)約成本。

圖1 PD-C650全集成式變槳驅(qū)動(dòng)器

　　眾城卓越偏航系統(tǒng)

　　偏航系統(tǒng)又稱(chēng)對(duì)風(fēng)裝置，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的一部分。其作用在于當(dāng)風(fēng)速矢量的方向變化時(shí)，能夠快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。

　　因?yàn)轱L(fēng)不是以恒定方向吹動(dòng)的， 所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要不斷調(diào)整葉輪朝向，使其朝向風(fēng)吹來(lái)的方向。偏航系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的這一作用，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以高效及時(shí)跟蹤風(fēng)向的變化，機(jī)組可實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出，產(chǎn)生盡可能多的電能，發(fā)揮設(shè)備的潛在能力。所以偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，它主要由偏航測(cè)量、偏航驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、紐纜保護(hù)裝置三大部分組成，目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是使機(jī)艙跟蹤變化無(wú)常的風(fēng)向;二是當(dāng)受偏航作用的影響，導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞時(shí)，可自動(dòng)解除纏繞。

　　眾城卓越開(kāi)發(fā)的偏航SMC600多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器一拖一方案是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。風(fēng)向儀將采集的信號(hào)傳送給機(jī)艙柜PLC的I/O板，計(jì)算10分鐘平均風(fēng)向，與偏航角度絕對(duì)值編碼器比較，輸出指令驅(qū)動(dòng)5臺(tái)偏航電機(jī)(帶失電制動(dòng))，將機(jī)頭朝正對(duì)風(fēng)的方向調(diào)整，并記錄當(dāng)前調(diào)整的角度，調(diào)整完畢電機(jī)停轉(zhuǎn)并啟動(dòng)偏航制動(dòng)。此變槳+偏航的解決方案覆蓋了陸上和海上的所有機(jī)型，多項(xiàng)產(chǎn)品及技術(shù)都已通過(guò)客戶(hù)驗(yàn)證并獲得多項(xiàng)專(zhuān)利，而眾城卓越為國(guó)內(nèi)首家提供此解決方案的廠商。

　　SMC600多傳驅(qū)動(dòng)器偏航系統(tǒng)采用機(jī)艙位置閉環(huán)方式控制。通過(guò)安裝在機(jī)艙尾部的風(fēng)向標(biāo)測(cè)量風(fēng)向，計(jì)算其與風(fēng)機(jī)位置編碼器檢測(cè)的機(jī)艙位置間的角度差。當(dāng)角度差超過(guò)規(guī)定值時(shí)，風(fēng)機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)制調(diào)整機(jī)艙方向，直到偏差為設(shè)定值范圍內(nèi)，達(dá)到對(duì)風(fēng)控制的效果。

圖2 偏航SMC600多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器一拖一方案

　　眾城卓越風(fēng)槳電機(jī)

　　風(fēng)電機(jī)組中最核心的部分是變槳系統(tǒng)，而變槳系統(tǒng)的“三劍客”是——風(fēng)槳電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、備用電源，在風(fēng)電變槳系統(tǒng)中，變槳電機(jī)是其中必不可少的組成部分。作為變槳系統(tǒng)的核心部件之一，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的變槳電機(jī)在收到它的上級(jí)單位——變槳驅(qū)動(dòng)器的命令后，如何能讓葉輪直徑200多米、長(zhǎng)度100多米的葉片在近200米的高空完美“追風(fēng)”，這就要看它的能力了。

　　由于變槳電機(jī)所處環(huán)境耐受度要求很高，風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境均在條件惡劣的深山、荒漠、海洋，電機(jī)需要適應(yīng)不同地區(qū)的要求;另外安裝電機(jī)的輪轂所處環(huán)境溫度最高達(dá)70℃，最低達(dá)-40℃，溫差可達(dá)110℃左右，這些都對(duì)眾城卓越的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品的防護(hù)能力要更高，防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP65，這些在選材、裝配、功差等方面都要做到全面的考量。

　　目前，風(fēng)槳電機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同大致被分為兩大分支：一是表貼式轉(zhuǎn)子，一是內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子，到底孰優(yōu)孰劣，哪一種結(jié)構(gòu)方式更適合風(fēng)電主機(jī)，還有待市場(chǎng)驗(yàn)證。在風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)的背景下，風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為：大型化——高塔筒、大功率、大葉片;而風(fēng)機(jī)大型化就需要更大功率的變槳驅(qū)動(dòng)和電機(jī)。

　　圍繞著風(fēng)槳系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的變槳電機(jī)，眾城卓越在研發(fā)時(shí)采取了一種不同的思路，在與重點(diǎn)高校研究人員進(jìn)行充分的市場(chǎng)了解與分析后，經(jīng)過(guò)論證后，他們將二者相融合，獨(dú)家推出了一款表嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是既保持了表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的低速穩(wěn)態(tài)性，又采納了內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)優(yōu)質(zhì)動(dòng)態(tài)性能，能更好地優(yōu)化綜合成本。2019年，眾城卓越變槳電機(jī)進(jìn)行量產(chǎn)后，迄今還沒(méi)有收到一例因電機(jī)自身原因?qū)е碌墓收戏答仭？蛻?hù)回饋是足以讓國(guó)產(chǎn)企業(yè)驕傲的“零故障率”，按眾城卓越的專(zhuān)業(yè)描述是“平均無(wú)故障時(shí)間無(wú)限大”。

　　眾城卓越開(kāi)發(fā)的這款高品質(zhì)交流同步伺服電機(jī)，旨在滿(mǎn)足變槳系統(tǒng)的特殊需求。該產(chǎn)品符合行業(yè)內(nèi)電磁干擾、震動(dòng)沖擊、鹽霧、防腐等形式試驗(yàn)要求，適用于酷熱、嚴(yán)寒氣候及海上地區(qū)，在這些苛刻的環(huán)境條件下仍能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。它與眾城卓越變槳系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用，可以實(shí)現(xiàn)更高的效能和安全性，

　　且可靠性高、維護(hù)成本低。

表1 眾城卓越變槳電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用效果

圖3 高品質(zhì)變槳電機(jī)

　　結(jié)語(yǔ)

　　當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中的比例逐年上升，除國(guó)家政策支持外，眾多企業(yè)在其中發(fā)揮了巨大的作用。特別是國(guó)內(nèi)本土企業(yè)，從整機(jī)進(jìn)口到零部件、材料逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，他們的努力也彰顯出中國(guó)力量。眾城卓越作為這支隊(duì)伍中的一名精兵，隨著2022年風(fēng)電平價(jià)時(shí)代來(lái)臨，也正緊追不舍地加快技術(shù)降本的步伐，“可靠、穩(wěn)定”是眾城卓越一直所秉持的“王者之道”。