风力机电动变桨伺服系统的控制

风力机电动变桨伺服系统的控制容旭巍,汪至中,荆　龙(北京交通大学电气工程学院,北京100044)The Control of Pitch Servo Drive System in Wind TurbineR ONG X u 2w ei ,WANG Zhi 2zhong ,JINGLong(School of Electrical Engineering ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China ) 摘要:分析了目前兆瓦级变桨风力发电机主流的电动变桨控制方式,并设计了一套以三相异步电动机为伺服电机的电动变桨距系统,使得在调试过程中变桨距机构工作正常、稳定,达到了预期设计的目标。

关键词:电动变桨距;伺服控制;三相异步电机中图分类号:TM921.54文献标识码:A文章编号:100122257(2008)0320029203收稿日期:2007211228Abstract :The paper analysis t he mainst ream way of pitch 2cont rolled system in t he MW wind t urbine group ,which is pitch servo drive cont rol system.Then design a combination of pitch 2con 2t rolledsystem ,whichuset hree 2p haseasyn 2chronous motor as t he servo motor.Thus make t he cont rol system steady ,t hen reach to t he require 2ment of system design.K ey w ords :elect ric pitch ;servo cont rol ;t hree 2p hase asynchrono us motor0　引言大型的兆瓦级风力发电机组按桨叶调节方式分类,分为定桨距失速型风力发电机和变桨距变速恒频的风力发电机。

相对于定桨距的失速型风机,变桨距风机具有在额定功率点以上输出功率平稳恒定的优点[1]。

这样可以有效地减少风力对风力机的冲击,并相当于延伸了最大风能的利用率。

在并网发电过程中,变桨距控制可实现快速无冲击并网。

风机的变桨距控制系统采用变速恒频技术,可提高整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

1　变桨距风力机空气学原理首先需要了解变桨风力机所涉及的基本空气动力学的知识,从而理解变桨风力的工作原理和系统控制的对象[2]。

1.1　风力机的叶尖速比和攻角的概念为了表示风轮在不同风速中的状态,用叶片的叶尖圆周速度与风速之比,表示叶尖速比λ,即λ=2πR n v=ωRv(1)按照同步变桨式风力机的经典叶素理论,分析风力机叶片在工作时的状态如图1所示。

图1　叶片工作状态图中β为安装角或节距角,是半径r 处回转平面与桨叶截面翼弦的夹角;I 为倾角,是长度为d r 的叶素所受气流方向与回转平面的夹角;对于每个r 值的风力机叶片的倾角可以由下式计算:cot I =32λ=32λ0r R(2)1.2　变桨距风力机运行中叶片的受力分析对于长度为d r 的叶素进行分析如下:F =12ρC V S V 2(3)F 由平行于空气速度的阻力F d 和垂直于空气速度的升力F l 合成,如图2所示。

它们只与叶片的攻角有关,属于叶片翼型的物理特性,随着攻角的变化而变化。

对于已经安装好的风力机,按给定尖速比以及叶片翼型的最佳升阻比的攻角计算出叶片的安装角,即变桨时各叶片同步速变化。

・92・《机械与电子》2008(3)图2　旋转的桨叶在风中的受力2　风力发电机电动变桨控制系统结构兆瓦级风力发电机组都为高速的风力发电机,所以大多采用3个桨叶来捕捉风能。

兆瓦级风力机的桨叶都为二三十米,风速存在高度上的切变,整个风轮扫掠面积上的风速不平均,特别是叶片处在最顶端和最底端风速是不同的,风力机各风轮叶片在实际运行中的上、下位置时所得到的升力是不同的,即叶轮运行中存在额外阻力,影响风力机的输出功率和减少风力机的使用寿命。

要解决这个问题需要改变风力机变桨距控制系统对叶片的同步控制现状,实现风力机对叶片的异步控制[3]。

因此需要3套单桨叶的控制系统,以尽可能地捕捉到最大的风能,同时减缓了风对机舱上设备的振动,并采用了3套独立的变桨控制系统,如图3所示。

图3　电动变桨距系统的构成当风速超过额定的最大风速时,风速仪将信号传送到机舱内部的状态采集PL C 系统,通过Profi 2bus 2DP 总线传给主控机。

当主控制机确保风速信号确实超过额定风速后且满足风力机运行的条件时,由主控制机发出调桨叶的命令,主控机计算每个三相伺服交流电动机需要调节的节距角,转换到该桨叶的位置驱动伺服电机运行,伺服交流电动机连接减速机,通过主动齿轮与风机轮毂上的皮带齿轮相啮合,直接对该桨叶的节距角进行控制。

同时安装了一个非接触位移传感器,检测桨叶节距角的变化。

变桨距控制的供电电源是由塔下的主控制室向上提供三相的供电电源,机舱内部将交流电整流成60V 的直流电源向蓄电池充放电管理模块供电。

管理模块来监控蓄电池的电量是否满充,此部分是变桨系统稳定运行的关键。

采用超级电容器和蓄电池作为U PS 备用电源是最佳的设计方案,能够确保当风力机突然出现故障的时候,60s 内靠风速和电磁阀的配合,桨叶的节距角逐渐增大到最大,调节到顺桨位置,实现风力机的故障状态下的停车。

3　电动变桨系统运行过程分析3.1　启动过程变桨距的风力发电机在无风停车的情况下,桨叶的节距角约为90°,此时低风速空气气流对风机的桨叶不产生力矩,整个桨叶实际是一块阻尼板。

当机舱上的风速传感器检测到10分钟内的平均风速达到切入风速并且满足并网发电的要求时,控制桨叶向0°方向转动,直到气流对桨叶产生一定的攻角,叶轮开始起动。

直到风速达到切入风速后,开始并网发电。

3.2　欠功率状态风速低于额定风速工况,风力机在额定功率以下的低功率状态运行,即欠功率状态。

变桨距技术的初期对欠功率状态不加控制,即相当于定桨风力发电机组。

采用Optitip 技术的变桨距风机改善低风速时桨叶的气动性能。

本设计为了集中研究变桨控制问题,暂时简化了本部分的设计。

风力机运行在最大风能利用系数C p max 处,风机的转速控制在λopt =ωR/V 所确定的最佳转速点处。

3.3　恒功率状态当风速达到额定风速工况的条件,风力发电机组进入额定功率状态。

在风速达到切出风速之前,通过改变节距角,降低风能利用率,保证机组输出的转速不变,输出功率恒定。

变桨距风力机采用功率调节的模式,将功率反馈信号与给定值进行比较,按照风力机翼型的特性来设计,通过查表方式确定要调节的节距角,来保持恒功率区的功率恒定。

4　电动变桨距伺服系统变桨距控制系统是一个典型的随动控制系统,滞后于平均风速和风力发电机输出功率的变化。

由于桨叶的质量比较重,电机为低压大转矩异步电动机。

设计采用转差频率矢量控制技术解决了交流电・03・《机械与电子》2008(3)机在伺服驱动中的动态控制问题。

转差矢量控制双闭环控制系统,外环为转子的转速环,内环是定子电流环。

转差频率矢量控制通过检测定子电流和转子角速度,经过数学模型的运算就可以实现磁场定向控制[4]。

变桨距伺服控制中,节距给定值由风力发电机的输出功率和叶尖速比的曲线来确定,通过计算得到待调节的位置。

整个调速系统通过霍尔电流传感器获得电机定子三相电流i a ,i b ,i c ,经过信号调制,进行3s/2r 矢量变换,得到定子电流转矩分量和励磁分量作为定子电流的反馈量。

反馈量经过2个PI 电流调节器,电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上,从而达到对转矩的控制,经过矢量旋转反变换器和2r/3s 反变换形成三相PWM 控制算法,来控制PWM 逆变器[1]。

DSP 的Q EP 单元读取增量型光电编码器单元,通过计算得到转子的转速反馈量。

非接触磁电式传感器作为桨叶节距角的精确测量设备和冗余保护单元。

测量齿轮安装在被测旋转体上,每转动1个齿,传感器的磁阻变化1次,线圈产生脉冲信号。

单位时间的齿轮转动的角度和齿轮齿数成反比。

由于变桨距速度都比较慢,需要减速机构。

行星减速箱为三级传动,减速比可以跟生产厂家定制。

在此,电机额定转速设定为3000r/min ,减速比为1800。

非接触位置传感器采集桨叶的节距角变化,与电机形成闭环PID 负反馈控制系统。

另外在桨叶的轮毂上加以行程开关以保证调桨系统的可靠性。

变桨距伺服系统的控制流程如图4所示。

图4　变桨控制系统的程序流程5　系统仿真结果系统的模型是基于S70型变桨距风机的运行特点来仿真,额定风速为15m/s ,额定功率为1500kW 。

伺服电机为低压大转矩三相交流异步电机,额定转速在3000r/min 。

仿真结果如图5所示。

在额定的风速以下,节距角约为3°,伺服电机保持停止的状态,输出功率和定桨风力机的输出特性一样,随着平均风速的变化而变化。

在额定风速以上的时候,节距角按照风力机的输出功率来进行调节,按照设计控制表根据高风速的功率曲线来确定角度。

图5　变桨控制系统的仿真6　结束语异步伺服电机的启动和制动性能相对于永磁同步电机要差一些,控制的精度不太精准,所以采用模糊控制和自适应等理论,成为下一步要改进的工作。

异步变桨距由于要考虑桨叶风速的不同,设计结构复杂,需要对各桨叶的攻角计算控制算法继续研究。

在恒功率区运行时,由于瞬时风速的影响,采用功率控制不能保持设计的精准,应采用低频风速分量和转子转速控制,来使功率曲线到达理想状态。

参考文献:[1]　Bose B K.现代电力电子学与交流传动[M ].王　聪,等译.北京:机械工业出版社,2005.[2]　叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M ].北京:机械工业出版社,2002.[3]　吴永忠,苏志勇,张丽娜.风力机异步变桨的初步研究[J ].节能,2007,(5):23-25.[4]　刘光德,等.风力发电机组电动变桨距系统的研究[J ].电机与控制应用,2006,33(10):31-34.作者简介:容旭巍　(1982-),男,河北石家庄人,硕士研究生,研究方向为风力发电机组的电气控制;汪至中　(1942-),男,上海人,教授,研究方向为电力电子传动、风力发电机组的电磁兼容。

・13・《机械与电子》2008(3)。