異步變槳及其控制技術研究現狀

    統一變槳距系統是風電機組控制系統的核心部分之一，主要任務是完成功率平穩控制和載荷減少控制，其性能及質量的優劣直接影響整臺風力發電機組的性能。在風電技術發展方面，兆瓦級風力發電機組普遍都采用統一變槳距技術。隨著海上風電市場的啟動，風力發電機組功率將比陸上風力發電機組的功率要大，華銳風電、金風科技、聯合電力等中國整機領跑者紛紛瞄準 5MW這一世界級水平的風力機。這表明，作為風力發電機組組關鍵部件的變槳系統產業，將迎來新的商機和挑戰。2010  年上半年，全球風電變槳系統市場競爭激烈，市場占有率排名前三位的分別是：Moog、SSB  和Mita-Teknik，其市場份額分別為 25.6%、22.4%和 13.2%，其他品牌的市場占有率都在 7%以下。

    在中國，國外的變槳品牌幾乎占有中國市場份額的 90%左右，其中排名前三位的是Moog  、SSB Wind System、Atech。國內風電變槳系統品牌星辰科技、瑞能電氣和科諾偉業的市場份額分別為：4.24%、3.72%和 3.21%?？傮w來說國內對風力發電的變槳技術研究還十分薄弱，關鍵問題還未得到根本解決，致使我國變槳產品依賴國外進口[38]，因此深入研究大型風機的變槳技術對于實現先進風電機組國產化具有極其重要的意義。
    統一變槳距風力機設計的假定前提是整個風輪掃掠面內風速分布是均勻的。在實際中，由于風剪切、塔影效應和湍流等影響，槳葉在風輪旋轉平面內的不同位置受到的風速各不相同，因此在槳葉旋轉運行過程中，槳葉在風輪掃掠面內的不同位置所受的升力不同，即風輪在旋轉過程中存在額外阻力，從而產生的風輪力矩處于持續變化過程中，影響風力機的輸出功率以及電能質量，另外還同時造成槳葉上的載荷不平衡，引起槳葉的拍打振動和扭矩波動。這些扭矩的波動將引起作用在風輪主軸、傳動鏈、輪轂、偏航軸承和塔架上的扭矩負載波動，帶來風機機械強度、振動、疲勞壽命和電能質量等方面的問題。隨著風輪直徑不斷增大，風剪切、塔影效應和湍流等引起的風輪旋轉力波動、槳葉和機艙的不平衡載荷也隨之增大，引起的上述問題更加突出。其中風輪轉矩的持續波動會引起傳動鏈的振蕩，導致風力機輸出功率波動，尤其對于較為薄弱的電網或孤網，將導致突然的瞬間電網電壓波動（如閃變）以及風力發電機組頻繁掉線，從而造成更大的電壓波動和電量損失。 針對電壓波動，文獻[45,  46]提出了在風力發電機出口處并聯靜止無功補償器快速補償無功功率，維持風力發電機組接入點電壓的穩定，但不能抑制風電場輸出的有功率的波動。另外采用通過控制儲能系統（超導儲能、超級電容、雙層電容器、釩氧化還原液流電池與風力發電的協調運行平抑注入電網的功率波動，使風力發電機組注入到電網的功率能夠根據電力系統的運行要求而靈活控制，提高風力發電機組并網運行可靠性和穩定性。雖然儲能系統不僅可以控制風力發電輸出的有功功率，還可以為風電機組提供無功支持，但是由于超導儲能、超級電容器及燃料電池等在蓄電容量和價格等方面的限制使其不適用于大規模的風蓄互補發電系統。

    針對傳動鏈的振蕩，文獻[58]針對直驅永磁發電機組的傳動鏈扭顫和風輪、塔架的振動，提出了一種通過變流器的直流電壓進行相位補償的轉矩阻尼控制方法。結果表明該轉矩阻尼控制能夠明顯消除系統的諧振，減少傳動鏈的扭矩波動以及機組的振動，該法僅適用于全功率變流器的風力發電機組。文獻[59]通過在轉速控制中加入轉矩控制減少傳動鏈扭矩波動。文獻[60]利用線性二次型控制器實現傳動鏈載荷減小與風機最大功率之間的平衡控制。文獻[61,  62]對風力發電機組各模態之間的耦合開展研究，提出了通過阻尼濾波器改善機組傳動鏈和塔架振動的方法。
針對槳葉和機艙的不平衡載荷，目前比較有效且可行的方法是異步變槳技術的使用，該技術最早應用在直升機的螺旋槳控制上。

    目前，變槳技術的研究主要側重于統一變槳控制策略的研究和變槳執行機構的實現等。變槳系統按照變槳執行機構不同分為：液壓變槳和電伺服變槳；按照變槳機構執行方式不同分為：獨立變槳和集中變槳；按照槳距角控制策略分為：統一變槳和異步變槳。統一變槳指每個槳葉按照同一個目標槳距角給定同步調節，它有兩種形式：集中統一變槳和獨立統一變槳。異步變槳指每個槳葉按照不同的目標槳距角給定調節，它只有一種形式并且只能獨立變槳。以上描述的各種變槳系統，它們互相獨立又互相包含，具體地來說，能實現統一變槳的不一定能實現獨立統一變槳，但能實現獨立統一變槳的肯定可以實現統一變槳；能實現異步變槳的肯定可以實現獨立變槳和統一變槳，但能實現獨立變槳或統一變槳不一定能實現異步變槳。電伺服變槳系統帶有3 個獨立伺服變槳執行機構，結構本身能夠實現獨立變槳。異步變槳的控制技術是建立在統一變槳控制技術基礎之上，其實現必須依靠獨立變槳執行機構實現。下面對變槳執行機構、統一變槳控制策略和異步變槳控制策略進行詳細的闡述和分析。