2022年中國風電平價時代來臨。如何能讓風電這艘“減碳”大船更快、更穩(wěn)地行駛，風電全產業(yè)鏈上的企業(yè)也前所未有地加快了技術降本的步伐，但對于一個風電機組上千萬的巨額投資相比，不管技術如何進步，“可靠、穩(wěn)定”這四個字始終是企業(yè)所追求的目標。本文圍繞風力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)，重點介紹了目前變槳伺服驅動器、偏航系統(tǒng)以及風槳電機的開發(fā)應用情況。

　　風電變槳系統(tǒng)的發(fā)展

　　早在20世紀90年代，國外就已經開始對風力發(fā)電變槳距控制技術進行研究，主要針對其運行特性和控制策略，生產出一批可靠的風電機組，如今研究重點是如何把一些智能算法應用到風電系統(tǒng)上，使控制效果得到加強。2009年，在全球所安裝的風電機組中有95%的風電機組已經采用了變槳變速方式，我國自2009年始，所安裝的MW級風電機組中，也全部是變槳距機組。

　　國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，國外一些國家開發(fā)一種能夠評估測量風力資源以及計算機模擬的系統(tǒng)，能夠驗證變槳距失速控制的設計理論，它采用了新型風機槳葉材料來研發(fā)變速恒頻控制系統(tǒng)的風力發(fā)電機和低速永磁發(fā)電機，使風電的效率得到了很大程度的提高，可靠性也得到了加強。

　　我國在這一技術領域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究，更是最近幾年的事情，這比風機技術先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風電制造產業(yè)是從2005年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產規(guī)模，無力對控制系統(tǒng)這樣的技術含量較高的產品進行自主開發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產品或引進技術，這就導致裝機量高，但缺乏自有核心技術。

　　就風機控制系統(tǒng)本身的要求來看，確實有它的特殊性和復雜性。從硬件來講，風機控制系統(tǒng)隨風機一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。

　　從軟件來講，風機要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。

　　風機控制系統(tǒng)是與風機特性高度結合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內的控制軟件，不僅算法復雜，而且其各項參數(shù)的設定與風機本身聯(lián)系緊密，風機控制系統(tǒng)的任務，不僅僅是實現(xiàn)對風機的高度自動化監(jiān)控以及向電網供電，而且還必須通過合適的控制，實現(xiàn)風能捕獲的最大化和載荷的最小化。一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風機制造商又無力進行這樣的開發(fā)。

　　變槳系統(tǒng)結構介紹

　　變槳系統(tǒng)是大型風電機組控制和保護的重要執(zhí)行裝置，對機組安全、穩(wěn)定、高效運行具有十分重要的作用。電動變槳以電動機為工作動力，通過伺服驅動器控制電動機帶動減速機的輸出半軸齒輪旋轉，輸出半軸齒輪與槳葉根部回轉支承內側的齒輪嚙合，帶動槳葉進行變槳。

　　電動變槳距系統(tǒng)由變槳控制器、伺服驅動器和備用電源系統(tǒng)組成，其能夠實現(xiàn) 3個槳葉獨立變槳距，給風力發(fā)電機組提供功率輸出和足夠的剎車制動能力，從而避免過載對風機的破壞。其中驅動器是變槳系統(tǒng)最為核心的部件，其平臺化的產品功能，不但可以覆蓋陸上和海上所有風機平臺的需求，也可以幫助這些平臺降低成本，以及進一步提高變槳系統(tǒng)的可靠性和整機控制需求的適應性。

　　變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術相配合，最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量，穩(wěn)定的變槳控制已成為當前大型風電機組控制和保護技術領域研究的熱點和難點之一。

　　風電變槳控制系統(tǒng)的價格僅占整個風機總價的3%左右，但這個小小的變槳控制系統(tǒng)卻是風機葉片啟停的總開關，直接影響著風機的捕風能力和安全生產，關乎著風機的生命線和效益線。老式的風電變槳控制系統(tǒng)一般要2年更換一次，維護成本大，使用壽命短。

　　風力發(fā)電屬于非常復雜的重工業(yè)行業(yè)，產業(yè)鏈很長。從塔筒、葉片、發(fā)電機、齒輪箱、軸承，到大型PLC、變槳伺服驅動、大功率變流器、SVG，再加上變壓器、變流器等，整個產品線涵蓋了重工業(yè)的多個角度和層次，從價值角度而言，工控產品占比并不高，僅為10%左右，但是伺服驅動器決定了風力發(fā)電機的可靠性和穩(wěn)定性。

　　可以說控制和驅動產品是風力發(fā)電機的大腦和心臟，是非常核心的部分。風電進入全面平價時代，無論是陸上風電還是海上風電，降低度電成本成為風電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。風電機組單機容量的大型化，是目前降低海上風電成本最有效的途徑之一，關鍵電控系統(tǒng)器件等核心技術上的創(chuàng)新和突破，將成為下一個風電時代搶占的制高點。

　　眾城卓越變槳伺服驅動器

　　產品的“可靠性+穩(wěn)定性”，對于風電機組主控制系統(tǒng)而言是核心要求，也是眾城卓越團隊的堅定目標。

　　眾城卓越專注的產品方向是風電機組中最核心的部分——變槳系統(tǒng)，從價值角度而言，工控產品占比并不高，僅為10%左右，但是伺服驅動器決定了風力發(fā)電機的可靠性和穩(wěn)定性，可以說控制和驅動產品是風力發(fā)電機的“心臟”，是非常核心的部分，說它關系著這一個風電機組的生死毫不夸張。如果變槳邏輯沒有設計好，輕則會導致無法運行，重則會導致飛槳、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、閉槳時機及方向，換言說，沒有抓住風就是它的失職。

　　為適配各種環(huán)境下的風機系統(tǒng)，風槳專用伺服驅動器對于溫差的要求也很嚴苛，一般需要滿足-40℃-70℃。另外因槳葉轉動產生的長時間振動等各種因素，也對產品的安全及穩(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年的風電行業(yè)跋涉中，充分了解風機制造商及運營商在變槳控制領域的需求和面臨的問題，并一直致力于提供運行可靠、性能優(yōu)良且免于維護的系統(tǒng)，以便客戶的陸上和海上風機達到最長運行時間。

　　眾城卓越定制化開發(fā)的高性能伺服驅動器，不論是專門為實現(xiàn)客戶二次開發(fā)而設計的PD-C650，還是為標準變槳系統(tǒng)設計的PD-C620，都具可靠性高、防護等級高等特性，集成了充電器、24V 電源、抱閘、溫度采集等模塊，使變槳系統(tǒng)更加容易設計和更加可靠。其中PD-C650同時開放了ARM芯片二次開發(fā)的平臺，用戶可非常靈活定制開發(fā)所需功能，并可更好的保護核心技術知識產權。

　　眾城卓越目前的變槳驅動產品已進入第3代，2019年推出的PD-C650伺服驅動器屬其中的“明星產品”。這款驅動器是一款真正與客戶共同研究開發(fā)的產品，此項目前期花費了一年時間，雙方成立聯(lián)合團隊進行研發(fā)攻關，深入探討在實際應用中可能會出現(xiàn)的問題，并逐條進行討論解決，產品經過實驗室測試，工廠測試，在風場現(xiàn)場又經過了長期的實際運行批量測試，最后才進入量產。目前已銷售上萬臺，由產品自身產生的故障率近達到業(yè)界最低水平。

　　眾城卓越不僅與高校進行緊密的產學研結合，自身的研發(fā)團隊還在不斷進行更多的自主研發(fā)，隨著風電機組塔筒建得越來越高，槳葉越來越長，對驅動器的要求也會更高，做到高可靠性、高穩(wěn)定性，方能不辜負各方努力。

　　眾城卓越并沒有因為幾款“明星”產品而放慢腳步，公司還在不斷進行技術更新迭代。針對海上風電要求推出了海陸雙用的80A伺服驅動器，是目前業(yè)內功率密度最高的伺服驅動器。與其他同類產品相比，這款產品雖然電流輸出一樣，但體積卻小了很多，單單此項設計會使客戶機組減小不少空間，節(jié)約成本。

圖1 PD-C650全集成式變槳驅動器

　　眾城卓越偏航系統(tǒng)

　　偏航系統(tǒng)又稱對風裝置，是風力發(fā)電機機艙的一部分。其作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。

　　因為風不是以恒定方向吹動的， 所以風力發(fā)電機需要不斷調整葉輪朝向，使其朝向風吹來的方向。偏航系統(tǒng)所實現(xiàn)的這一作用，使得風力發(fā)電機可以高效及時跟蹤風向的變化，機組可實現(xiàn)最大功率的輸出，產生盡可能多的電能，發(fā)揮設備的潛在能力。所以偏航系統(tǒng)的設計顯得尤為重要，它主要由偏航測量、偏航驅動傳動、紐纜保護裝置三大部分組成，目的是實現(xiàn)兩個功能：一是使機艙跟蹤變化無常的風向;二是當受偏航作用的影響，導致機艙內部電纜發(fā)生纏繞時，可自動解除纏繞。

　　眾城卓越開發(fā)的偏航SMC600多傳動驅動器一拖一方案是一個隨動系統(tǒng)。風向儀將采集的信號傳送給機艙柜PLC的I/O板，計算10分鐘平均風向，與偏航角度絕對值編碼器比較，輸出指令驅動5臺偏航電機(帶失電制動)，將機頭朝正對風的方向調整，并記錄當前調整的角度，調整完畢電機停轉并啟動偏航制動。此變槳+偏航的解決方案覆蓋了陸上和海上的所有機型，多項產品及技術都已通過客戶驗證并獲得多項專利，而眾城卓越為國內首家提供此解決方案的廠商。

　　SMC600多傳驅動器偏航系統(tǒng)采用機艙位置閉環(huán)方式控制。通過安裝在機艙尾部的風向標測量風向，計算其與風機位置編碼器檢測的機艙位置間的角度差。當角度差超過規(guī)定值時，風機控制器控制驅動器啟動偏航驅動機制調整機艙方向，直到偏差為設定值范圍內，達到對風控制的效果。

圖2 偏航SMC600多傳動驅動器一拖一方案

　　眾城卓越風槳電機

　　風電機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——風槳電機、伺服驅動器、備用電源，在風電變槳系統(tǒng)中，變槳電機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)行機構中的變槳電機在收到它的上級單位——變槳驅動器的命令后，如何能讓葉輪直徑200多米、長度100多米的葉片在近200米的高空完美“追風”，這就要看它的能力了。

　　由于變槳電機所處環(huán)境耐受度要求很高，風電機組所處環(huán)境均在條件惡劣的深山、荒漠、海洋，電機需要適應不同地區(qū)的要求;另外安裝電機的輪轂所處環(huán)境溫度最高達70℃，最低達-40℃，溫差可達110℃左右，這些都對眾城卓越的產品設計提出了很大的挑戰(zhàn)，產品的防護能力要更高，防護等級要達到IP65，這些在選材、裝配、功差等方面都要做到全面的考量。

　　目前，風槳電機根據電機轉子結構的不同大致被分為兩大分支：一是表貼式轉子，一是內嵌式轉子，到底孰優(yōu)孰劣，哪一種結構方式更適合風電主機，還有待市場驗證。在風電平價上網的背景下，風機的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：大型化——高塔筒、大功率、大葉片;而風機大型化就需要更大功率的變槳驅動和電機。

　　圍繞著風槳系統(tǒng)開發(fā)的變槳電機，眾城卓越在研發(fā)時采取了一種不同的思路，在與重點高校研究人員進行充分的市場了解與分析后，經過論證后，他們將二者相融合，獨家推出了一款表嵌式轉子結構的電機，它的優(yōu)點是既保持了表貼式轉子結構電機的低速穩(wěn)態(tài)性，又采納了內嵌式轉子結構電機在高速運轉時優(yōu)質動態(tài)性能，能更好地優(yōu)化綜合成本。2019年，眾城卓越變槳電機進行量產后，迄今還沒有收到一例因電機自身原因導致的故障反饋?？蛻艋仞伿亲阋宰寚a企業(yè)驕傲的“零故障率”，按眾城卓越的專業(yè)描述是“平均無故障時間無限大”。

　　眾城卓越開發(fā)的這款高品質交流同步伺服電機，旨在滿足變槳系統(tǒng)的特殊需求。該產品符合行業(yè)內電磁干擾、震動沖擊、鹽霧、防腐等形式試驗要求，適用于酷熱、嚴寒氣候及海上地區(qū)，在這些苛刻的環(huán)境條件下仍能夠長期可靠運行。它與眾城卓越變槳系統(tǒng)中的伺服驅動器配合使用，可以實現(xiàn)更高的效能和安全性，

　　且可靠性高、維護成本低。

表1 眾城卓越變槳電機技術特點與應用效果

圖3 高品質變槳電機

　　結語

　　當前，風力發(fā)電在新能源發(fā)電中的比例逐年上升，除國家政策支持外，眾多企業(yè)在其中發(fā)揮了巨大的作用。特別是國內本土企業(yè)，從整機進口到零部件、材料逐漸實現(xiàn)國產化，他們的努力也彰顯出中國力量。眾城卓越作為這支隊伍中的一名精兵，隨著2022年風電平價時代來臨，也正緊追不舍地加快技術降本的步伐，“可靠、穩(wěn)定”是眾城卓越一直所秉持的“王者之道”。