异步变桨及其控制技术研究现状

    统一变桨距系统是风电机组控制系统的核心部分之一，主要任务是完成功率平稳控制和载荷减少控制，其性能及质量的优劣直接影响整台风力发电机组的性能。在风电技术发展方面，兆瓦级风力发电机组普遍都采用统一变桨距技术。随着海上风电市场的启动，风力发电机组功率将比陆上风力发电机组的功率要大，华锐风电、金风科技、联合电力等中国整机领跑者纷纷瞄准 5MW这一世界级水平的风力机。这表明，作为风力发电机组组关键部件的变桨系统产业，将迎来新的商机和挑战。2010  年上半年，全球风电变桨系统市场竞争激烈，市场占有率排名前三位的分别是：Moog、SSB  和Mita-Teknik，其市场份额分别为 25.6%、22.4%和 13.2%，其他品牌的市场占有率都在 7%以下。

    在中国，国外的变桨品牌几乎占有中国市场份额的 90%左右，其中排名前三位的是Moog  、SSB Wind System、Atech。国内风电变桨系统品牌星辰科技、瑞能电气和科诺伟业的市场份额分别为：4.24%、3.72%和 3.21%。总体来说国内对风力发电的变桨技术研究还十分薄弱，关键问题还未得到根本解决，致使我国变桨产品依赖国外进口[38]，因此深入研究大型风机的变桨技术对于实现先进风电机组国产化具有极其重要的意义。
    统一变桨距风力机设计的假定前提是整个风轮扫掠面内风速分布是均匀的。在实际中，由于风剪切、塔影效应和湍流等影响，桨叶在风轮旋转平面内的不同位置受到的风速各不相同，因此在桨叶旋转运行过程中，桨叶在风轮扫掠面内的不同位置所受的升力不同，即风轮在旋转过程中存在额外阻力，从而产生的风轮力矩处于持续变化过程中，影响风力机的输出功率以及电能质量，另外还同时造成桨叶上的载荷不平衡，引起桨叶的拍打振动和扭矩波动。这些扭矩的波动将引起作用在风轮主轴、传动链、轮毂、偏航轴承和塔架上的扭矩负载波动，带来风机机械强度、振动、疲劳寿命和电能质量等方面的问题。随着风轮直径不断增大，风剪切、塔影效应和湍流等引起的风轮旋转力波动、桨叶和机舱的不平衡载荷也随之增大，引起的上述问题更加突出。其中风轮转矩的持续波动会引起传动链的振荡，导致风力机输出功率波动，尤其对于较为薄弱的电网或孤网，将导致突然的瞬间电网电压波动（如闪变）以及风力发电机组频繁掉线，从而造成更大的电压波动和电量损失。 针对电压波动，文献[45,  46]提出了在风力发电机出口处并联静止无功补偿器快速补偿无功功率，维持风力发电机组接入点电压的稳定，但不能抑制风电场输出的有功率的波动。另外采用通过控制储能系统（超导储能、超级电容、双层电容器、钒氧化还原液流电池与风力发电的协调运行平抑注入电网的功率波动，使风力发电机组注入到电网的功率能够根据电力系统的运行要求而灵活控制，提高风力发电机组并网运行可靠性和稳定性。虽然储能系统不仅可以控制风力发电输出的有功功率，还可以为风电机组提供无功支持，但是由于超导储能、超级电容器及燃料电池等在蓄电容量和价格等方面的限制使其不适用于大规模的风蓄互补发电系统。

    针对传动链的振荡，文献[58]针对直驱永磁发电机组的传动链扭颤和风轮、塔架的振动，提出了一种通过变流器的直流电压进行相位补偿的转矩阻尼控制方法。结果表明该转矩阻尼控制能够明显消除系统的谐振，减少传动链的扭矩波动以及机组的振动，该法仅适用于全功率变流器的风力发电机组。文献[59]通过在转速控制中加入转矩控制减少传动链扭矩波动。文献[60]利用线性二次型控制器实现传动链载荷减小与风机最大功率之间的平衡控制。文献[61,  62]对风力发电机组各模态之间的耦合开展研究，提出了通过阻尼滤波器改善机组传动链和塔架振动的方法。
针对桨叶和机舱的不平衡载荷，目前比较有效且可行的方法是异步变桨技术的使用，该技术最早应用在直升机的螺旋桨控制上。

    目前，变桨技术的研究主要侧重于统一变桨控制策略的研究和变桨执行机构的实现等。变桨系统按照变桨执行机构不同分为：液压变桨和电伺服变桨；按照变桨机构执行方式不同分为：独立变桨和集中变桨；按照桨距角控制策略分为：统一变桨和异步变桨。统一变桨指每个桨叶按照同一个目标桨距角给定同步调节，它有两种形式：集中统一变桨和独立统一变桨。异步变桨指每个桨叶按照不同的目标桨距角给定调节，它只有一种形式并且只能独立变桨。以上描述的各种变桨系统，它们互相独立又互相包含，具体地来说，能实现统一变桨的不一定能实现独立统一变桨，但能实现独立统一变桨的肯定可以实现统一变桨；能实现异步变桨的肯定可以实现独立变桨和统一变桨，但能实现独立变桨或统一变桨不一定能实现异步变桨。电伺服变桨系统带有3 个独立伺服变桨执行机构，结构本身能够实现独立变桨。异步变桨的控制技术是建立在统一变桨控制技术基础之上，其实现必须依靠独立变桨执行机构实现。下面对变桨执行机构、统一变桨控制策略和异步变桨控制策略进行详细的阐述和分析。