摘 要：当前，世界主流风力发电机组已经完全由千瓦级机组迈进兆瓦级机组，并有飞速向更高兆瓦的单机容量进军的趋势。这就使得风剪以及湍流等因素对机组的载荷影响愈加明显。因此，采用合理的变桨控制技术显得尤为重要。本文通过对比现今世界风力发电的发展趋势及国内外变桨技术发展现状，总结了变桨研究的方向。
关键词：风电；变桨
1 概述
随着风电机组大型化的快速发展，风电机组叶片、传动装置以及发电机等大部件的尺寸也在不断增大，大部件给风电机组带来的不仅是设计和安装方面的挑战，同时也给运行和维护带来了很多无法解决和亟待解决的额问题。变桨距技术对兆瓦级大型风机输出的电能质量具有决定作用，并且装机容量越大，变桨距技术所起到的优化作用也越大。
2 国内外变桨控制系统的研究现状
2.1 国外研究现状
国外风电发展比国内要领先多年，近几年发展更加迅速，建立了多个风电相关技术研究机构，比如美国、丹麦、荷兰的风电技术发达的国家纷纷加大投入建立了针对风力发电的各类研究中心。美国国家风能研究中心在风电机组变桨控制领域建立了较为完整的理论体系，同时也积累了丰富的现场运行经验。比如：采用多坐标变换的理论设计独立变桨策略可以降低额外因素产生的载荷，同时也显著降低了风电机组在额定输出功率时的疲劳载荷[1]；在对风力发电机组进行独立变桨控制系统测试过程中，实现了独立变桨控制能够有效的控制关键机械部件的载荷验证[2]；提出了采用多变量的前馈控制策略独立变桨控制技术可以极大降低叶片在 1P、2P 频率下的载荷[3]。美国可再生能源研究室在同一台风力发电机组上比较了统一变桨距（CPC）和独立变桨距（IPC）的运行状态[4]，为之后变桨控制领域得研究提供了重要的现场测试经验。
目前，部分国外企業已经逐步在实际的产品中应用独立变桨控制技术。比如，丹麦 维斯塔斯公司以及日本三菱重工公司均应用了独立变桨控制技术，在降低部件载荷和提高机组发电量方面都取得了一定成果。
2.2 国内研究现状
与国际主要发展潮流一致，国内各风电整机制造商也趋于大型化发展，同样，风剪以及湍流等因素对机组的载荷影响愈加明显，降低疲劳载荷及稳定输出功率的问题成为了亟需解决的最为首要的问题 [5]。因此，国内各风电整机制造商和相关研究院所针对独立变桨系统的开发进行了攻坚，同时也取得了一定成果。
对于变桨系统输入输出的耦合问题，通过分析输入输出变量的解耦关系对独立变桨方案进行了设计，并建立双馈形式线性函数的独立变桨方案，最后通过对统一变桨、独立变桨进行了对比仿真，结果证明了双馈形式线性函数控制方案效果更好[6]。
针对风的不对称性引起的偏航力矩载荷问题，通过建立风电机组的空气动力学模型，采用坐标变换的方法把载荷转换成线性模型，并且建立了独立变桨控制器。仿真设计环节，将风剪切变作为被控输入量之一，设计了两个独立的比例积分微分控制器，并使用Matlab软件进行了仿真验证[7]。
采用了模糊比例积分微分参数自整定方法制定的变桨控制方案，在Matlab仿真软件中设计独立变桨控制器。得出采用模糊比例积分微分的控制方法，能够实现对风电机组功率控制的要求。同时通过比较独立变桨控制和统一变桨控制的控制方法证明了独立变桨控制要具有更好的功率输出特性[8]。
3 当今世界变桨控制技术面临的主要问题
随着全球风电技术的快速发展，风电核心技术的变桨控制技术也不断推出新的概念、思想。从早期的液压变桨技术到如今的电动变桨技术，变桨控制的发展也遇到了瓶颈，如果要变桨控制技术再上一个新的高度则需要全面研究以下内容：
（1）一般风电机组是一个包含有多个的高度非线性系统，非线性特性中以叶片非线性特性特别突出。在不能准确地建立叶片模型的情况下设计出简洁的控制逻辑，并且动态特性满足设计需求的控制器是一个难题。
（2）风速也是一个高度非线性的因素，具有随机性和波动性，导致很难建立一个与自然风况完全匹配的风速模型。因此，要从自然风况中抽象出关键因素建立适合机组的风速仿真模型，体现出各种复杂风况，也是该项研究的一项重要内容。
（3）风电机组到达额定转速前和额定转速后的控制策略的变化，会对一定程度的影响机组的发电功率、载荷波动等指标，会影响机组运行稳定性。因此需要实现两个控制策略间的平滑过渡。
（4）统一电动变桨控制能够实现机组在额定风速以上时平稳的功率输出，但对载荷的控制能力较差。因此在额定风速以上既实现功率稳定输出又能实现叶轮及整机载荷的控制也是变桨控制研究的重要方向。
4 结语
当前，世界主流风力发电机组已经飞速向更高兆瓦的单机容量进军的趋势，导致叶片长度及塔筒高度等数据激增。这就使得风剪以及湍流等因素对机组的载荷影响愈加明显。
变桨系统除了吸收风能，更为关键的是它通过不断控制桨叶角度调节机组发电机转速从而控制功率输出、安全停机等作用，通过变桨控制机组的功率输出从某种程度讲也是系统降低机组载荷的一种方式。因此近年来，随着单机容量的不断增大，变桨控制技术就显得尤为关键，因为其在降低机组载荷方面作用明显，同时也就降低了机组的不必要的损耗，使能量可利用率显著提高；并且，应用该项技术极大地提高了机组运行的安全性，从而大幅提高机组关键部件的运行寿命，更加明显地体现了整机的价值性。因此，合理的变桨技术为风力发电发展的一个重点。
参考文献
[1]T.G.Van Engelen.Design model and load reduction assessment for multi-rotational mode Individual Pitch control.Netherland， ECN，2006.
[2]E.A.Bossanyi and A.Wright.Further progress with field testing of individual pitch control.
http：//proceedings.ewea.org/ewec2010/allfiles2/305_EWEC2010presentation.pdf.
[3] Kausihan Selvam.Individual Pitch control for large scale wind turbines.Master Thesis， ECN-E-2007-053.
[4] E.A.Bossanyi and A Wright. Field testing of individual pitch control on the NREL CART-2 wind turbine. http＼＼：www.upwind.eu/pdf/09_WP5_paper.pdf.
[5]崔杨等.风电功率波动的时空分布特性[J].电网技术，2011（02）.
[6]陈雷，孙宏利与邢作霞.减小塔影效应载荷波动的独立变桨距控制研究[J].电气技术，2012（1）.
[7]姚兴佳等.基于坐标变换的独立桨距调节技术[J].可再生能源，2010（5）.
[8]邢钢，郭威.风力发电机组变桨距控制方法研究[J].农业工程学报，2008（5）.
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