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随风而动——利用变桨控制系统让风力发电机运转更顺畅

作者:Sherif El-Henaoui博士, MOOG公司2009.07.15阅读 8274

  去 YouTube 网站并输入词组 “windturbine explodes”,您将会看到一大堆可作为变桨控制系统宣传广告的材料。但是除了那些设计和制造风机系统的人士以外

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,变桨控制技术并不为多数人所知。这真是一个让人遗憾的情况。事实上,变桨控制系统是最大程度利用并保护价值百万美元风力发电机的关键。
  变桨控制系统位于风力发电机轮彀内。就是这些不显眼的系统在帮助风力发电机操作人员控制风力发电机桨叶的倾角。根据欧洲风能协会的资料显示,变桨控制系统的成本仅约为整个风力发电机价格的百分之三。但就像人们购买保险一样,一旦发生意外情况,一点点额外的投资将会带来显著不同的结果。据市场咨询公司Intercedent Asia的分析员估计控制工程网版权所有,截至2007 年,已有百分之九十的新风力发电机中配备了变桨控制系统。虽然这些系统实际上已经比较普及,但是关于变桨控制的知识却相对不为人所知。

风力发电机轮毂内的机电作动器

  当风场风速为每秒25米或更高时,风力发电机需要一个故障安全装置,使其桨叶所在的角度可减小负载并使风力发电机停止运转。在这一过程中,变桨控制系统就主要负责控制桨叶的转动角度。变桨控制系统一般分为两种类型CONTROL ENGINEERING China版权所有,即机电控

制型和液压控制型。不过CONTROL ENGINEERING China版权所有,变桨控制系统不仅仅在紧急情况下提供故障安全功能。这些系统负责将桨叶设置于最佳角度以获得最大风力,比如,在风速约为每秒12或13米时控制相应桨叶转动或倾斜几度以使风力发电机达到峰值性能。在风力发电机运行过程中可靠地调节桨叶的角度是变桨控制系统的基本优势所在。
  荷兰风能协会的最近一篇文章中指出:“一款变桨控制风力发电机的设计是一个工程智慧的结晶控制工程网版权所有,它需要确保桨叶的转动角度正好满足要求。” 而除了Enercon和Vestas以外,大多数风力发电机制造商都通过第三方来制造变桨控制系统,因此设计上的微妙差别可能不被人所察觉。然而,对于一个风力发电机的购买者来说CONTROL ENGINEERING China版权所有,有一个事实非常重要,即多数制造商通常只采用液压或者电动变桨控制系统中的一种。很少有风力发电机制造商同时采用液压和电动变桨控制系统。而且,根据Intercedent Asia公司的研究发现:“最终用户仅仅将变桨控制系统及其设计的选择视为其制造商提供的一个选项参数而已”。没有人会建议购买者主要根据变桨控制系统类型来选择风力发电机,但是掌握这些系统的差异性将有助于购买者做出总体采购决定。
  即使是了解变桨控制系统的人,对哪种系统性能比较卓越及其中的原因方面仍然会有不同的看法。采用电动变桨控制系统,不会有液压油泄露的风险,因而这种系统不会造成高温液压油系统所固有的任何环境污染问题,同时其能耗或能源浪费较少。电动变桨控制系统比液压变桨控制系统更节能,因为液压变桨控制系统需要泵时刻运转,以使系统保持高油温并随时准备让桨叶开始转动。不过CONTROL ENGINEERING China版权所有,电动变桨控制系统中的故障安全电池或电容器则是它的弱点。一个变桨控制系统电池组件的使用寿命一般为两年或三年。一旦超过有效使用寿命,就必须更换。可以想象爬上一个2MW风力发电机更换轮彀中的电池是多么的麻烦。

MOOG公司电动变桨控制系统结构图

  Intercedent As i a公司的PeterBaldwin研究员表示:“液压系统和电动系统的支持者们均对各自技术的优势大力宣传。一方面

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,电动系统凭借其清洁环保及耐严寒能力强而备受青睐,而液压系统随着气温急剧下降时油液会失去粘度。但在另一方面
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,液压系统在速度和可靠性方面则显示出明显的优势。”
  Baldwin研究员补充说:“就维护和故障诊断而言,一般来说液压系统更加容易,因为所使用的技术元件更少。尽管油价不断升高控制工程网版权所有,但变桨控制系统中使用的液压油的成本并不高

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,因为在封闭的系统中可以基本上实现液压油的全部再循环使用。”
  那么到底哪种变桨控制系统更好呢?目前还没有明确的答案。而最新的开发成果显示,风力发电机制造商可能会着眼第三种选择方案:就是混合型变桨控制系统。通过混合技术,风力发电机桨叶可以电动转动,而保证桨叶不受损坏的故障安全装置则由液压驱动。混合解决方案的倡导者说,液压油泄露危险将由于变桨控制主要依靠电力完成而得到减轻。他们表示其能源成本也将降低。由于混合型变桨控制系统依靠一个液压系统提供故障安全功能所需的动力,倡导者说购买者无需再担心故障安全电池组件在几年后耗尽电力。无论购买者拥有哪种类型的系统,变桨控制系统除了能帮助有效制造风能以外,还对充分利用和保护风力发电机投资方面起着关键的作用。无论选择电动型、液压型或者混合型系统中的哪一种系统,都需要购买者,即用户自己,对这个常常被忽视的系统进行了解CONTROL ENGINEERING China版权所有,并在购买时利用所掌握的知识和技巧做出最适当的决定。

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