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在風力發(fā)電系統(tǒng)中，使用伺服技術(shù)調(diào)節(jié)風機葉片的槳距角，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，在風電變槳應(yīng)用中的伺服會有怎樣的特別之處呢？本期，就和大伙簡單聊聊這個話題。
首先，既然風電變槳是在調(diào)節(jié)風機葉片的槳距角，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，也是為動態(tài)、精準的位置控制提供有效的動力輸出。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)用對象實體的傳動設(shè)備層級，上位與控制器相聯(lián)，輸入側(cè)接動力電源，輸出側(cè)通過交流伺服電機來驅(qū)動槳葉的旋轉(zhuǎn)。
?? 槳距角：Pitch Angle，指風機槳葉與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角
不過，考慮到變槳系統(tǒng)自身所處的嚴苛、惡劣的應(yīng)用環(huán)境，及其復(fù)雜、特殊的運行工況，它所使用的伺服與一般自動化系統(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，風力發(fā)電機組通常都是運行在偏遠開闊的平原、高原、沿海和近海大陸架上的，這些地方極為復(fù)雜嚴苛的地理氣候條件，如：高海拔、多風沙、高溫、低溫、高濕度、鹽霧、腐蝕…等等，都是風電變槳系統(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，它們會隨著風輪的轉(zhuǎn)動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)需要使用的潤滑油劑，這些都會對其中的伺服產(chǎn)品造成侵蝕和污染。
PicSource：KEBA+LTI｜ DriveStar
因此，風電變槳系統(tǒng)中使用的伺服，無論是驅(qū)動還是電機，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 3000 甚至 4000 米的工作環(huán)境中運行（需適當降容使用）；
可抵御鹽、霧、清潔劑、液壓油、潤滑劑…等污染物的侵蝕；
伺服電機應(yīng)具備 IP65 以上的防護等級，并標配油封，使用防護等級較高的線纜連接器；
防護等級較低（ IP20 ）的伺服驅(qū)動器可采用冷板穿墻的方式進行安裝，以便在對其進行密閉（無風扇）封裝保護時，兼顧冷卻散熱特性；
...
變槳應(yīng)用另一個重要的環(huán)境特點，就是其各類機電組件都是安裝在幾十米高的輪轂內(nèi)的，且在工作時需要和風輪一同旋轉(zhuǎn)。一般來說，輪轂會以每分鐘十幾轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動，加上風機塔筒受到的風力氣流影響產(chǎn)生的震動，這要求變槳系統(tǒng)能夠在一個持續(xù)振動的工作環(huán)境中長期保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。因此，應(yīng)用于風電變槳的伺服產(chǎn)品，包括：驅(qū)動器、電機、線纜、連接器…等等，都需要具備較一般自動化產(chǎn)品更強的耐振抗沖擊性能。目前應(yīng)用于風電變槳領(lǐng)域的伺服電機，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，也就是因為這個道理。
再來看運行工況。
風電變槳的目的，是為了根據(jù)風速的變化調(diào)節(jié)風力氣流對槳葉的攻角，從而讓風輪能夠持續(xù)獲得穩(wěn)定的氣動轉(zhuǎn)矩和功率；而在風力較大時，它需要起到限制葉片力矩、減少發(fā)電機出力乃至制動剎車的作用。從某種意義上說，變槳機構(gòu)其實是風電系統(tǒng)的一個安全裝置。因此，變槳應(yīng)用中使用的伺服系統(tǒng)必須具備實時、安全、可靠…等這幾個方面的特性。
所謂實時，是指伺服系統(tǒng)驅(qū)動風機葉片旋轉(zhuǎn)的變槳動作，必須基于每次風速的改變而立即作出的，并且是動態(tài)連續(xù)不停頓的，這與一般自動化設(shè)備中有規(guī)律的周期性運動是不同的。風機運轉(zhuǎn)時，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阻大小的差異，伺服系統(tǒng)需根據(jù)從主機接收到的槳距角目標指令，結(jié)合當前所在的位置，計算出變槳動作所需的速度曲線，并以此為依據(jù)完成對風葉角度的調(diào)節(jié)。
變槳動作時，三個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 CAN 總線是現(xiàn)在風電變槳行業(yè)的一大主流；
而在槳距角位置測量上，考慮到伺服電機與輪轂內(nèi)齒之間幾百甚至上千的減速比，光依賴電機內(nèi)部的伺服反饋往往是不夠準確的，伺服廠家通常會為用戶配備第二編碼器輸入端口，用于直接讀取風葉的槳距角反饋。
不過，風電機組的運轉(zhuǎn)并不總是一帆風順的，它有可能會受到來自風力過大、發(fā)電機異常、備用電源故障… 等各類意外狀況的威脅。在這種情況下，為了確保機組設(shè)備的安全，系統(tǒng)須先啟動收槳動作使風機減速停轉(zhuǎn)，然后讓葉片的槳距角回到安全位置，消除葉片對輪轂產(chǎn)生的氣動轉(zhuǎn)矩，才能斷電停機，這個過程通常為幾十秒。
值得注意的是，上述這樣的安全功能通常是集成在驅(qū)動器內(nèi)部的，其目的在于讓“收槳”動作可以不借助上位控制器由伺服驅(qū)動自主完成；不僅如此，為了讓風機即使在供電異常的情況下也能夠?qū)~收回到安全位置，變槳用伺服產(chǎn)品一般都會配有備用（直流）電源輸入端口；另外，上面提到的使用輔助編碼器準確的測量風葉槳距角，對于安全停機也是至關(guān)重要的。
這其實還是可靠性的意思。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 的安全等級。
從應(yīng)對嚴苛的氣候地理條件和持續(xù)振動的工作環(huán)境，到處理實時同步操作、測量角度位置反饋、實施安全控制策略...等，我們不難看出，在全生命周期都具備極度嚴格的可靠性，是風電變槳伺服區(qū)別于通用型伺服產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。它不僅應(yīng)確保風機在日常發(fā)電過程中長期穩(wěn)定的無故障運行，還必須能在遇到緊急狀況時妥善的將槳葉收回到安全位置，從而幫助系統(tǒng)做到安全停機。
畢竟，風場往往處在偏遠的內(nèi)陸、沿海地區(qū)或海上，而變槳伺服又總是運行在幾十甚至上百米高的風機輪轂中，運營維護的難度和成本都相當之高，且任何小小的意外都有可能會帶來不可估量的損失。
那么，在風電變槳應(yīng)用中的伺服會有怎樣的特別之處呢？本期，就和大伙簡單聊聊這個話題。
首先，既然風電變槳是在調(diào)節(jié)風機葉片的槳距角，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，也是為動態(tài)、精準的位置控制提供有效的動力輸出。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)用對象實體的傳動設(shè)備層級，上位與控制器相聯(lián)，輸入側(cè)接動力電源，輸出側(cè)通過交流伺服電機來驅(qū)動槳葉的旋轉(zhuǎn)。
?? 槳距角：Pitch Angle，指風機槳葉與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角
不過，考慮到變槳系統(tǒng)自身所處的嚴苛、惡劣的應(yīng)用環(huán)境，及其復(fù)雜、特殊的運行工況，它所使用的伺服與一般自動化系統(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，風力發(fā)電機組通常都是運行在偏遠開闊的平原、高原、沿海和近海大陸架上的，這些地方極為復(fù)雜嚴苛的地理氣候條件，如：高海拔、多風沙、高溫、低溫、高濕度、鹽霧、腐蝕…等等，都是風電變槳系統(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，它們會隨著風輪的轉(zhuǎn)動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)需要使用的潤滑油劑，這些都會對其中的伺服產(chǎn)品造成侵蝕和污染。
PicSource：KEBA+LTI｜ DriveStar
因此，風電變槳系統(tǒng)中使用的伺服，無論是驅(qū)動還是電機，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 3000 甚至 4000 米的工作環(huán)境中運行（需適當降容使用）；
可抵御鹽、霧、清潔劑、液壓油、潤滑劑…等污染物的侵蝕；
伺服電機應(yīng)具備 IP65 以上的防護等級，并標配油封，使用防護等級較高的線纜連接器；
防護等級較低（ IP20 ）的伺服驅(qū)動器可采用冷板穿墻的方式進行安裝，以便在對其進行密閉（無風扇）封裝保護時，兼顧冷卻散熱特性；
...
變槳應(yīng)用另一個重要的環(huán)境特點，就是其各類機電組件都是安裝在幾十米高的輪轂內(nèi)的，且在工作時需要和風輪一同旋轉(zhuǎn)。一般來說，輪轂會以每分鐘十幾轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動，加上風機塔筒受到的風力氣流影響產(chǎn)生的震動，這要求變槳系統(tǒng)能夠在一個持續(xù)振動的工作環(huán)境中長期保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。因此，應(yīng)用于風電變槳的伺服產(chǎn)品，包括：驅(qū)動器、電機、線纜、連接器…等等，都需要具備較一般自動化產(chǎn)品更強的耐振抗沖擊性能。目前應(yīng)用于風電變槳領(lǐng)域的伺服電機，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，也就是因為這個道理。
再來看運行工況。
風電變槳的目的，是為了根據(jù)風速的變化調(diào)節(jié)風力氣流對槳葉的攻角，從而讓風輪能夠持續(xù)獲得穩(wěn)定的氣動轉(zhuǎn)矩和功率；而在風力較大時，它需要起到限制葉片力矩、減少發(fā)電機出力乃至制動剎車的作用。從某種意義上說，變槳機構(gòu)其實是風電系統(tǒng)的一個安全裝置。因此，變槳應(yīng)用中使用的伺服系統(tǒng)必須具備實時、安全、可靠…等這幾個方面的特性。
所謂實時，是指伺服系統(tǒng)驅(qū)動風機葉片旋轉(zhuǎn)的變槳動作，必須基于每次風速的改變而立即作出的，并且是動態(tài)連續(xù)不停頓的，這與一般自動化設(shè)備中有規(guī)律的周期性運動是不同的。風機運轉(zhuǎn)時，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阻大小的差異，伺服系統(tǒng)需根據(jù)從主機接收到的槳距角目標指令，結(jié)合當前所在的位置，計算出變槳動作所需的速度曲線，并以此為依據(jù)完成對風葉角度的調(diào)節(jié)。
變槳動作時，三個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 CAN 總線是現(xiàn)在風電變槳行業(yè)的一大主流；
而在槳距角位置測量上，考慮到伺服電機與輪轂內(nèi)齒之間幾百甚至上千的減速比，光依賴電機內(nèi)部的伺服反饋往往是不夠準確的，伺服廠家通常會為用戶配備第二編碼器輸入端口，用于直接讀取風葉的槳距角反饋。
不過，風電機組的運轉(zhuǎn)并不總是一帆風順的，它有可能會受到來自風力過大、發(fā)電機異常、備用電源故障… 等各類意外狀況的威脅。在這種情況下，為了確保機組設(shè)備的安全，系統(tǒng)須先啟動收槳動作使風機減速停轉(zhuǎn)，然后讓葉片的槳距角回到安全位置，消除葉片對輪轂產(chǎn)生的氣動轉(zhuǎn)矩，才能斷電停機，這個過程通常為幾十秒。
值得注意的是，上述這樣的安全功能通常是集成在驅(qū)動器內(nèi)部的，其目的在于讓“收槳”動作可以不借助上位控制器由伺服驅(qū)動自主完成；不僅如此，為了讓風機即使在供電異常的情況下也能夠?qū)~收回到安全位置，變槳用伺服產(chǎn)品一般都會配有備用（直流）電源輸入端口；另外，上面提到的使用輔助編碼器準確的測量風葉槳距角，對于安全停機也是至關(guān)重要的。
這其實還是可靠性的意思。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 的安全等級。
從應(yīng)對嚴苛的氣候地理條件和持續(xù)振動的工作環(huán)境，到處理實時同步操作、測量角度位置反饋、實施安全控制策略...等，我們不難看出，在全生命周期都具備極度嚴格的可靠性，是風電變槳伺服區(qū)別于通用型伺服產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。它不僅應(yīng)確保風機在日常發(fā)電過程中長期穩(wěn)定的無故障運行，還必須能在遇到緊急狀況時妥善的將槳葉收回到安全位置，從而幫助系統(tǒng)做到安全停機。
畢竟，風場往往處在偏遠的內(nèi)陸、沿海地區(qū)或海上，而變槳伺服又總是運行在幾十甚至上百米高的風機輪轂中，運營維護的難度和成本都相當之高，且任何小小的意外都有可能會帶來不可估量的損失。
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