淺析編碼器在風電行業(yè)中的應用原理

一、引言

隨著煤炭、石油等常規(guī)能源的逐漸枯竭，人類越來越重視對新能源(非常規(guī)能源)的開發(fā)利用。新能源是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。其中風能以其獨特優(yōu)勢而備受青睞。相對其他新能源相比，風能具有三大優(yōu)勢：第一，儲量大、分布廣;第二，可利用性強，成本相對較低;第三，綠色能源，不污染環(huán)境。

作為一種利用風能的清潔能源，風電在環(huán)境保護日益重要的今天，發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來，全球風能市場每年以超過40%的速度快速發(fā)展，而中國也憑借豐富的風場資源和政府對新能源開發(fā)的大力支持，成為繼歐美之后全球最重要的風能市場，這給中國風能裝備制造業(yè)帶來了發(fā)展機遇。我國風能資源豐富，理論儲量為16億千瓦，實際可利用量達 2.5億千瓦，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r在國家的新能源發(fā)展規(guī)劃中，將風力發(fā)電作為重點扶持行業(yè)，使我國風電行業(yè)擁有了更廣闊的發(fā)展前景。

因此風電這幾年一直保持著成倍增長，2008年風電機組增長率受到GDP影響，但也超過了80%，國產(chǎn)化的比率已經(jīng)超過70%。風能產(chǎn)業(yè)要想健康持續(xù)的增長，就要完成產(chǎn)業(yè)體系的建設，產(chǎn)業(yè)鏈的建設。宜科公司抓住了機遇，適時開發(fā)出了順應需求的產(chǎn)品路線和解決方案，并被成功應用于多個風電場中。

二、水平軸風力渦輪機組成

基于對風能的更高效率采集及利用，目前風電行業(yè)主要采用水平軸風力渦輪機，其組成如下示：

轉子葉片：捕獲風能并將其轉換為轉軸的轉動能;

轉軸：將轉動能轉化為發(fā)電機的動能;

變速箱：用于增加轉子中心和發(fā)電機之間的轉軸速度;

發(fā)電機：利用轉軸的轉動能，通過電磁原理發(fā)電;

偏航控制器(未顯示)：移動轉子使其與風向保持一致;

制動裝置：在出現(xiàn)電力超載或系統(tǒng)故障時停止轉軸旋轉;

塔架：支撐轉子和發(fā)動機箱，并將整個裝置位置提升;

三、風力發(fā)電的控制系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)作為風能發(fā)電領域的核心環(huán)節(jié)，其技術革新至關重要。目前主要采用恒速恒頻和變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速(也即發(fā)電機的轉速)不變，從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。

由于風能與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ(槳葉尖速度與風速之比)下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然 CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，可以通過適當?shù)目刂?，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。因此變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)以其風能利用系數(shù)高，能吸收由風速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等突出優(yōu)勢，在風力發(fā)電行業(yè)越來越受歡迎。

變速恒頻控制的功能是保證上網(wǎng)電能的質量，因此必須對發(fā)電機的轉速進行測量并反饋到控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。目前對發(fā)電機轉速的檢測主要采用旋轉編碼器。同時由于發(fā)電機的功率大，會產(chǎn)生軸電流，如果編碼器與發(fā)電機不絕緣，則軸電流會被引入編碼器，進而損壞編碼器。宜科公司的EV88P系列編碼器采用獨特的機械設計理念，確保產(chǎn)品的抗振動抗沖擊性能，采用歐洲先進的電氣設計技術，確保產(chǎn)品在-40~85℃的溫度條件下可靠輸出，同時采用先進的絕緣處理技術，有效防止軸電流對編碼器的損壞。 EV88P系列編碼器，以其優(yōu)異的性能特點及穩(wěn)定運行，已在華北地區(qū)某風電設備制造廠取得成功應用，在風場的穩(wěn)定運行得到客戶的認可。

四、風力發(fā)電的變槳距控制系統(tǒng)

在風電技術發(fā)展方面，風力發(fā)電機單機容量朝著大型化發(fā)展，兆瓦級風力機已經(jīng)成為風力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品。目前大型風力發(fā)電機組普遍采用變槳距控制技術。變槳距控制是通過沿槳葉的縱軸控制葉片旋轉，依據(jù)風速的變化隨時調(diào)節(jié)槳距角，控制風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。變槳距控制的優(yōu)點是能夠確保高風速段的額定功率，額定功率點以上輸出平穩(wěn)、在額定點具有較高的風能利用系數(shù)、提高風力機組起動性能與制動性能、提高風機的整體柔性度、減小整機和槳葉的受力狀況。在并網(wǎng)過程中，變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。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。

變槳距控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要有兩種，液壓變槳距執(zhí)行機構和電動變槳距執(zhí)行機構。其中，電機變槳執(zhí)行機構是利用電機對槳葉進行控制，結構緊湊、控制靈活、動作可靠，不存在液壓執(zhí)行機構中的非線性、漏油、卡塞等現(xiàn)象。電機變槳距控制機構可對每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調(diào)節(jié)。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，直接對槳葉的槳距角進行控制。旋轉編碼器將槳距角的變化反饋給控制器，進而對電機進行閉環(huán)PID負反饋控制。

五、結束語

風力發(fā)電技術已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風力發(fā)電可為當?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應緊張的局面。

以往投資商和運營商更多關注的是購買產(chǎn)品的價格，而在整個壽命周期里邊，維護成本占40%到70%，主要取決于產(chǎn)品質量。越來越多的風電用戶將關注的重心轉移到如何提高產(chǎn)品質量，增強可靠性，同時降低維護成本。宜科這樣擁有濃厚的技術積淀和優(yōu)秀產(chǎn)品質量的公司，能夠使得中國的風電產(chǎn)業(yè)鏈更加充實和完善，幫助風電設備制造廠商們提升產(chǎn)品質量，并將維護成本減到最少。