兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统

喀札与粒制应田２００７，３４（１１）　发电机组及控制　Ｅ辨ｃＡ　兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统　惠　晶　，　顾　鑫　，　杨元侃　（１．江南大学电气自动化研究所，江苏无锡２１４１　２２；　２．无锡宝南机器制造有限公司风能研发部，江苏无锡２１４１　１　１）　摘要：介绍了兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统的工作原理，选择永磁同步电机作为电动变桨距系　统的执行电机。在分析伺服变桨距系统控制原理的基础上，设计了以伺服驱动器为核心的电动变桨距伺服控制　系统。试验结果验证了理论分析和系统设计的正确性，为工程设计和实际应用提供了参考依据。　关键词：风力发电机；电动变桨距；伺服控制；永磁同步电机　中图分类号：ＴＭ３０１．２：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００７）１１－００５１－０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｉｔｃｈ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｅｇａｗａｔｔ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｊｉｎｇ　，ＧＵ　Ｘｉｎ　，＿．ＹＡＮＧ　Ｙｕａｎ．ｋａｎ　＇　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｗｕｘｉ　Ｂａｏｎａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｘｉ　２１４１　１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｉｔｃｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｅｇａｗａｔｔ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ·ｐｈａｓｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔｉｓｍ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ　ｍｏｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｉｔｃｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｓｅｒｖｏ·ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ·　ｔｅｍ，ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｉｔｃｈ　ｓｅｒｖｏ·ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａ　ＰＭＳＭ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｅｒＶｏ·ｄｒｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｌｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｆｕｌ　ｆｏｒ　ｒｅｆ－　ｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｅｓｉｎｇｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｉｔｃｈ；ｓｅｒｖｏ－ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔｉｓｍ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　０　引　言　角，叶轮开始起动。发电机并网后，机组运行过　程分如下两种工况　。　国外大型风力发电机组尤其是兆瓦级以上的　（１）风速低于额定风速。在此过程中，机组　风力机组一般采用电动变桨距控制技术。我国风　不作变桨控制，利用变速恒频技术根据风速相应　力发电事业处于起步阶段，兆瓦级以上风电机组　控制转子转速，使发电机工作在最佳功率状态。　的电动变桨距控制系统尚处于研发阶段。本文结　（２）风速高于额定风速。风速增加使得发电　合国外兆瓦级风力发电机组的发展现状，对风力　机的输出功率也随之增加，超过额定功率时，风力　发电机组电动变桨距系统的结构和控制原理进行　发电机组的机械和电气极限要求转速和输出功率　分析。在此基础上，应用三相永磁同步电机　维持在限定值以下。此时，变桨距系统根据风速　（ＰＭＳＭ）和矢量控制原理，设计电动变桨距伺服　变化调整风轮的桨距角，控制吸收的机械能，减少　控制系统，并运用Ｒｅｘｒｏｔｈ伺服系统进行验证。　风力机所受的冲击。　１　电动变桨距系统工作原理　目前，大型风电机组普遍采用独立变桨距的　三桨叶结构。电动变桨距系统一般包括变桨距伺　风力机在起动前，桨叶节距角约为９０。，即　服电机、控制器、电机驱动器、不问断电源（ＵＰＳ）、　桨叶在顺桨位置。当风速达到切人风速时，桨叶　减速箱、传感器等。图１为其电机执行机构原理　向０。方向转动，直到气流对桨叶产生一定的功　图，图中只画出了一个桨叶的变桨距执行机构，其　Ｓ１～　维普资讯 http://www.cqvip.com

发电机组及控制ｌ　Ｅ№Ａ　迫弗乙再控制应用２００７，３４（１１）　它两个桨叶与此完全相同。每个桨叶分别采用一　个带位移反馈的伺服电机进行单独调节。位移传　感器采用光电编码器，安装在电动机输出轴上，采　的选择。ＰＭＳＭ的转子上装有特殊材料和形状的　永磁体，用以产生恒定的磁场，无励磁绕组；其定　子上有三相电枢绕组，接可控的变频电源。它具　集电机转动角度。由于桨距角的变化速度都很　慢，一般不超过每秒１５。，而一般的伺服电机额定　转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。　伺服电机连接行星减速箱，通过主动齿轮与桨叶　轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶　有以下优点：①电动机无电刷和换向器，工作可　靠，维护和保养简单；②定子绕组散热快；③惯　量小，易于提高系统的快速性；④适用于高速大　力矩状态；⑤相同功率下，体积和重量较小。因　此，根据风力发电机组电动变桨距系统的特点和　节距角的直接控制。在轮毂内齿圈的边上又安装　了一个非接触式位移传感器，直接检测内齿圈转　动的角度，即桨叶节距角变化。当内齿圈转过一　个齿，非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。　变桨距控制依据光电编码器所测的位移值进行控　制。非接触传感器作为冗余控制的参考值，它直　接反映桨叶节距角的变化。当发电机输出轴、联　轴器或光电编码器出现故障时，即光电编码器与　非接触位移传感器所测数字不一致时，控制器便　可知道系统出现故障。在轮毂内齿圈边上还装有　个接近开关，起限位作用（０。和９０。）。控制器　安放在电气板上，便于散热。如果系统出现故障，　控制电源断电时，电机由ＵＰＳ供电，６０　Ｓ内将桨　叶调节为顺桨位置。在ＵＰＳ电量耗尽时，继电器　断路，原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出，制动桨　叶，保持桨叶处于顺桨位置。在风力机正常工作　时，继电器得电，电磁铁吸合制动齿轮，不起制动　作用。　图１　电动变桨距系统电机执行机构原理图　１．支撑外圈２．位移传感器３．内齿圈４，主动齿轮５，支撑　板６．电气板７，制动齿轮８．接近开关９．传感器放大器　１Ｏ．伺服电机　２　电动变桨距伺服系统分析　２．１执行电机的选择　电动变桨距系统中最为关键的就是执行机构　５２一　安全要求，选择ＰＭＳＭ作为电动变桨距系统的执　行电机。　２．２　电动变桨距伺服驱动原理　ＰＭＳＭ在ｄ、ｑ坐标系下的定子电压平衡方程　为　Ｉ／Ｚｄ＝矾＋ｐ　＋　ｅ（１）　ＬｕｑＲｉｑ＋ｐ　＋　　其中转子磁链为　ｆＬ　＝　　＝Ｌ＋　（２）　ｑｉ　式中：ｕ，ｉ，Ｒ，　——分别为定子电压、电流、绕组电　阻、电感，下标ｄ，ｑ表示其ｄ，ｑ轴分量；　转子旋转电角速度；　永磁体对应的转子磁链；　ｐ——微分算子。　将（２）式代入（１）式得　ＩＩＺｄ　矾＋　Ｐ　ｄ—ｏ）￣Ｌｑｉｑ　Ｌｕｑｑ＋　ｑｐ　ｑ＋　（　ｄ　ｄ＋　）　（３）　由式（３）可得输入电机的电功率　Ｐ　＝＿÷（ＩＺｄｉｄ＋ｌＺｑｉ　）　Ｊ（Ｒｉ２＋Ｒｉ；＋ｉｊＬｄｓｉｄ＋ｉｑＬｑｓｉｇ）＋　÷　（　一　ｉ　）　（４）　忽略电机定子电阻损耗和磁场储能，由式　（４）可得电机输出转矩为　＿÷ｎ　（　一　ｉ　）　＿Ｊｎ　［　＋（　一　）ｉｄｉ　］　（５）　式中，ｎ　为电机极对数。　为简化设计，以定子电流ｑ轴分量做磁场定　向，　＝０，Ｔ　＝３ｎ　。／２；即当　恒定时，定子电　维普资讯 http://www.cqvip.com 电毋乙再柱制应用２００７，３４（１１）　发电机组及控制　ＥＭＣＡ　流的ｑ轴分量ｉ　代表了电磁转矩　。可见，通过　分别控制ｉ　和ｉ　，可实现对电机转矩、转速和位置　的有效控制Ｅ　８］。电动变桨距伺服系统的控制原　制系统。根据伺服系统的控制要求，各环均设计　了调节器：电流环和速度环采用ＰＩ调节器，位置　环采用Ｐ调节器。这样的三环结构使伺服系统　理如图２所示。这是一个由电流、速度和位置调　具有较好的动态跟随性能和抗干扰性能。　节器（ＡＣＲ、ＡＳＲ和ＡＰＲ）组成的典型三环伺服控　图２　电动变桨距伺服控制系统原理图　３　电动变桨距伺服系统设计和实现　动变桨距伺服驱动与控制系统，他们之间　通过光缆通信，系统内部可以实现精确的同步功　风力发电机组电动变桨距伺服系统与一般伺　服系统最大的区别在于，它对系统的响应时间、精　度和安全性要求更高。在分析比较各类伺服系统　的基础上，选用Ｒｅｘｒｏｔｈ伺服系统作为电动变桨　距的伺服系统。该系统以ＩｎｄｒａＤｒｉｖｅ驱动器为核　心构成，位置控制精度和可靠性高，完全可以满足　风力发电机组对桨叶节距角的控制要求。　３．１系统硬件设计　电动变桨距伺服系统一般包括永磁同步电　机、伺服驱动器、控制器、位置和速度传感器等。　图３是电动变桨距伺服系统硬件连接图。图中只　画出了一个桨叶的电动变桨距伺服系统，其他两　个桨叶与此完全相同。机舱内的风机主控制器与　轮毂内的桨距控制器通过现场总线通信，总线通　过滑环连接。主控制器根据风速、发电机转速和　图３　电动变桨距伺服系统硬件连接图　电功率等发出桨距角参数命令，经连接模块后送　能，确保系统整体的精度要求。　至桨距控制器，并通过执行电机实现桨距角的调　采用的ＰＭＳＭ型号为ＭＫＤ１１２Ｃ－０５８，其额定　整；此外，桨距控制器还将运行情况反馈给主控制　转速为３　５００　ｒ／ｍｉｎ，额定转矩为１６．９　Ｎ·ｎｌ，额定　器。轮毂内的传感器包括速度传感器、温度传感　电流为１７．９　Ａ，额定功率为８　ｋＷ，额定电压为　器、位移传感器等。传感器信号通过连接模块反　２６０　Ｖ，电机轴转动惯量为０．０２７　３　ｋｇ·ｍ　，电枢　馈给主控制器。机舱内的３８０　Ｖ电源经滑环连接　绕组电阻为０．１２　Ｑ，电感为１．５　ｍＨ。　到ＵＰＳ上。ＵＰＳ把３８０　Ｖ交流电转换为２４　Ｖ直流　３．２系统软件功能实现　电，作为桨距控制器的电源和驱动器的控制电源，　系统控制算法全部以ＩｎｄｒａＬｏｇｉｃ软件实现。　同时对电池充电。图３中桨距控制器由Ｒｅｘｒｏｔｈ　该软件按照ＩＥＣ　６１１３１－３标准编写，运用简便、灵　的运动逻辑控制器（ＰＰＣ）和可编程逻辑控制器　活。其主程序结构框图如图４所示。系统初始化　（ＰＬＣ）组成，ＰＰＣ、ＰＬＣ与驱动器三者共同组成电　时，激活同步模式变量和设定虚拟主轴速度，三个　维普资讯 http://www.cqvip.com

发电机组及控制ｌ　Ｅ肼ｃＡ　迫毋乙与粒制应田２００７，３４（１１）　电机通过跟随虚拟主轴达到相位、速度同步的目　度高达０．０００　０１。；可提供低速（低至０　ｒ／ｍｉｎ）大　的。在系统调试阶段，选择同步模式类型和设置　力矩（小于０．５％的力矩波动）；桨叶节距角调速　三个电机的零位，设定机械齿轮比为１：１　８００，电　范围为０．１～１５（。）／ｓ；额定输出力矩和电流的响　子齿轮比为１：２。电动变桨距伺服驱动系统采用　应时间小于２０　ｍｓ；电流控制器带宽大于２　０００　三环（位置环、速度环、电流环）ＰＩＤ调节控制技　Ｈｚ。　术。因此，需要分别对三个调节器（ＡＰＲ、ＡＳＲ、　ＡＣＲ）的参数（比例、积分、微分系数）设计校正和　４　结　语　现场调整　］，才能够有效提高伺服系统的动态稳　本文在介绍风力发电机组电动变桨距系统工　定性、快速性以及稳态系统精度。本文利用Ｓｙｎ—　作原理的基础上，对ＰＭＳＭ伺服电机驱动的桨距　Ｔｏｐ调试软件对位置、速度、电流３个伺服控制环　角位置控制系统进行了理论分析；并运用Ｒｅｘｒｏｔｈ　参数进行在线调整。系统参数调整界面如图５所　伺服驱动和控制系统，进行了地面模拟装置的系　示。　统设计和试验。模拟试验结果验证了理论分析和　系统设计的正确性，对于进一步的工程设计和实　：　塑　际应用提供了参考依据。　启动准备　【参考文献】　调用子程序０进行初始化　［１］ＨＡＮＳＥＮ　Ａ　Ｄ，ＳＯＲＥＮＳＥＮ　Ｐ，ＩＯＶ　Ｆ．Ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　调用子程序１进行Ｉ／Ｏ处理　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｗｉｔｈ　ｄｏｕｂｌｙ　ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　调用子程序２检查系统　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００６（３１）：９３５—　９５１．　［２］　ＣＨＥＮ　Ｗ　Ｌ，ＨＳＵ　Ｙ　Ｙ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａｎ　ｉｎ·　ｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｄｒｉ－－ｖｅｎ　ｂＹ　ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ－－ｓｐｅｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒ－－　ｂｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｙｇ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００６，２１　（３）：６２５－６３５．　调用子程序３比较命令值与实际值　［３］ＳＣＨＩＮＡＳ　Ｎ　Ａ，ＶＯＶＯＳ　Ｎ　Ａ，ＧＩＡＮＮＡＫＯＰＯＵＬＯＳ　Ｇ　Ｂ．Ａｎ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｓｙ—ｓｔｅｍ　ｓｕｐｐｌｉｅｄ　ｏｎｌｙ　ｂｙ　ａ　ｐｉｔｃｈ—　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ．ｓｐｅｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉＢｅ『Ｊ　１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｙｇ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００７，２２（２）：３２５·３３１．　调用子程序４计算桨叶实际桨距角　［４］ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｙａｎ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉｑｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｙｅ，ｅｔ　ａ１．　（堕壅）　Ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ［Ｃ］∥　ＩＥＥＥ，Ｔｈｅ　６ｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｉｈｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　图４主程序结构框图　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００６：３８７２·３８７６．　［５］ＬＩＵ　Ｈｏｎｇｗｅｉ，ＬＩＮ　Ｙｏｎｇｇａｎｇ，ＬＩ　Ｗｅｉ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃｏｎ·　ｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｂｌａｄｅ　ｐｉｔｃｈ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ，Ｔｈｅ　６ｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　０ｎ　Ｉｈｔｅｌ—　ｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００６：６４８９－６４９２．　［６］林勇刚，李伟，陈晓波，等．大型风力发电机组独立　桨叶控制系统［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（６）：７８０—　７８６．　［７］夏斌，黄晋，刘桥．基于遗传算法的交流伺服系统设　计［Ｊ］．研究与方法，２００６，６３（７）：３４—３６．　图５控制环参数在线调整　［８］　陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工　３．３试验结果　业出版社，２００１．　试验结果表明，系统对桨距角的位置控制精　收稿日期：２００７－０４—１８　５４一