基于典型叶片负载的兆瓦级风电机组电动变桨距测试系统

基于典型叶片负载的兆瓦级风电机组电动变桨距测试系统
摘要：文中在分析兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统的基础上，搭建了电动
变桨距系统模拟加载测试平台的设计、提出了基于典型叶片负载的电动变桨距测
试方法，该测试方法的提出以及测试平台的建设为兆瓦级风电机组电动变桨距系
统的性能和可靠性提供了一个更为精确、有效的测试途径。

关键词：典型叶片负载；兆瓦级；风电机组；电动变桨距；测试
1、引言
变速恒频风力发电机组的风轮转速随风速的变化而变化，可更加有效地利用
风能，其优点已得到风力机生产厂家和研究机构的普遍认可，成为目前的主流机型。

变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核心部件之一，可有效保证风电机
组在额定风速以上安全、稳定、高效地运行。

定桨距风力发电机具有如下几个缺点:一是风力机转速不能随风速而变，从而
降低了对风能的利用率;二是当风速突变时，巨大的风能变化将通过风轮传递给主轴、齿轮箱等部件，在其上产生很大的负载波动冲击;三是并网时可能产生较大的
电流冲击。

而变桨距风力发电机可以克服上述定桨距风力发电机的缺点，在很宽
的风速范围内保持最佳叶尖速比，从而提高风力机的运行效率和系统稳定性。

变
桨距风力发电机在变桨距的同时通过配合使用双馈发电机或永磁风力发电机，可
以减轻风速突变产生的转距波动，减轻传动机构承受的扭矩波动，提高齿轮箱寿命，减少传动系统故障率。

此外，可结合对电机的励磁控制，实现无电流冲击的
软并网，使机组运行更加平稳安全。

近年来，变桨距系统已越来越多地应用于大型风电机组中。

稳定、可靠的变
桨距控制已成为当前大型风电机组控制技术研究的热点和难点之一。

国外研制的
大型风电机组已成功地将各种智能控制技术应用到变桨距系统中，且技术日趋成熟。

本文分析了风力发电机组电动变桨距系统的结构和特点，重点分析了电动变
桨距系统地面测试平台的构建，并设计了变桨电机与三相永磁同步电机(PMSM)同轴对接的电动变桨距系统测试平台、提出了基于典型叶片负载的电动变桨距测试
方法。

试验结果表明，该测试平台可有效模拟风速扰动下的电动变桨距系统的响应，该测试方法可以更真实的模拟电动变桨距系统在桨距角变化时所有到的载荷。

2、测试的作用以及重要性
变桨距控制系统作为风电机组的一个执行元件，当功率在额定功率以下时，
控制器将叶片节距角至于零度附近，不做变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。

当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值
附近；当安全链被打开时，变桨距系统作为空气动力制动装置把叶片转回到安全
位置。

电动变桨距系统的性能与风电机组的安全、发电量等密切相关，而且变桨
距系统工作于高出地面几十米的风力机轮毂内，安装到位以后进行维护的难得很大，因此电动变桨距系统的调节性能及其可靠性测试必须在风力机安装之前完成，而测试平台的构建是性能及其可靠性测试重要环节之一。

3、电动变桨距系统工作原理
风力机组主控系统根据当前风速和发电机功率的变化下达桨叶节距角位置调
整的指令，变桨距系统在受到指令后，会带动桨叶转动到合适的角度位置来保证
风电机组的稳定运行；一旦风电机组出现意外，变桨距系统会自动调节桨叶转动
至90°位置使之与风向平行，从而是风力机组停止运转，确保系统的安全运行。

按照变桨距系统执行机构动力形式的不同，大型风电机组变桨距的驱动方式
主要分为液压和电动两种。

液压执行机构的转矩大，不需要变速机构，且技术比
较成熟。

但是，液压执行机构的传动结构比较复杂，可能会发生泄漏和渗油的危险，且液压油受温度的影响比较大。

本文主要研究兆瓦级风电机组的电动变桨距
系统，其风力机组的3个桨叶分别由独立的电机驱动，且3个桨叶的执行机构的
原理完全相同，其执行机构主要包括伺服电机、电机驱动器、控制器、不间断电源、减速机构、位置传感器等。

电动变桨距系统执行机构的原理如图1所示。

图1 电动变桨距系统执行机构原理图
电动变桨距控制系统驱动电机的选择有直流电机、交流异步电机和PMSM等方案。

电机
选择的基本要求是扭矩大、结构简单、响应速度快、控制精度高、维护和保养方便。

随着电
力电子技术和交流调速驱动技术的不断发展，交流伺服系统日益成熟，同时考虑到直流电机
带有电刷和换向器，会带来维护困难及可靠性方面的问题。

采用全数字控制的交流伺服系统
为电动变桨距控制系统提供了有利的支持。

PMSM具有无电刷和换向器、工作可靠、适应高
速大扭矩工作状态等优点，是电动变桨距系统伺服电机的首选。

4、兆瓦级风电机组电动变桨距测试系统中存在的问题
目前，国内有一些测试平台采用磁粉制动器或磁滞测功机来模拟风速扰动下的桨叶载荷
变化，此方法虽能在变桨电机运动过程中施加负载扰动，但是其阻力大小随转速变化。

当变
桨电机静止时，磁滞测功机的转矩也就消失了。

磁粉制动器或磁滞测功机在使用中需要考虑
自身的散热问题，不适宜长时间的工作。

而在对电动变桨距系统进行加载项目测试，如模拟
变桨动作、顺桨时间、后备电池顺桨次数等的时候，加载在电机上的负载扭矩往往是一个固
定值后者与转速成正比，而风电机组在实际运行中，桨叶上受到的风阻力总是随着节距角和
风速变化而不断变化的，也就是说，变桨电机在调整节距角时需要克服的负载扭矩是一个不
定值。

因为上述原因，用一个固定值作为负载扭矩对电机进行加载测试无法测试变桨电机在
桨距角变化是真实的电压、电流、温度的变化值，尤其是在后备电池顺桨次数项目测试中，
由于该方法无法模拟在真实环境下顺桨时的工况，所测得的数据，例如后备电池需要对电机
提供三次紧急顺桨的电量，不具有参考性，而此项测试与风电机组的安全性有着紧密的联系，一旦风电机组在第三次紧急顺桨过程中后备电池无法提供电量，导致桨叶无法收回，而此时
发电机已经拖网，风电机组极易发生飞车现象，对机组造成永久性伤害，甚至风机倒塌。

5、兆瓦级风电机组电动变桨距测试系统问题的解决方案
为更真实模拟风速扰动时桨叶载荷变化对电动变桨距系统的影响，构建了如图2所示的
变桨距系统测试平台；并提出一种基于叶片典型载荷的变桨距测试方法。

5.1、试验平台
整个测试平台由变桨电机驱动系统、负载电机驱动系统、电机对拖系统以及备电池4个
部分组成：负载模拟控制器向变桨系统控制器发送位置、速度给定指令，同时向负载电机发
送转矩给定指令；变桨系统控制器向负载模拟控制器反馈变桨电机的位置、速度以及输出转
矩大小。

变桨电机M1与负载电机M2通过联轴器相互连接，蜗轮蜗杆W的低速轴可以放置编码器以及2个限位开关，模拟实际桨叶端部的91°与96°限位开关。

后备电池在外部电源断
电的情况下为模拟风电机组紧急顺桨提供电力。

图2 变桨距系统测试平台结构
图3为其中一套变桨电机驱动系统与负载电机驱动系统连接的具体拓扑结构，2个驱动
系统均由三相滤波器(三相脉宽调制PMW)整流模块、三相逆变器模块、驱动控制器组成。

其中，整流模块具有四象限运行能力。

由于变桨电机与负载电机同轴连接，变桨电机工作于电
动状态，负载电机工作于发电状态，负载电机回馈的能量通过PMW整流模块和再生扼流线
圈实现向三相电网的注入。

图3 变桨电机驱动系统与负载电机驱动系统的连接拓扑
变桨电机驱动系统工作在位置闭环状态，用来控制整个测试平台的转速，实现位置跟踪；负载电机驱动系统工作于转矩闭环状态，通过控制负载电机的电流给定来改变负载电机的转
矩大小，进而模拟变桨电机的负载变化。

采用上述方案的变桨距系统测试平台可以长时间工作，在变桨电机驱动器长期带载工作，变桨电机的温升试验，变桨距系统的可靠性等方面具
有较好的试验价值。

在本文构建的测试平台中，无论变桨电机处于运动状态还是静止于某一位置，均能通过
调节负载电机给定转矩的大小，让变桨电机响应其变化，以实现电动变桨距系统的响应
5.2、测试方法
当叶片在紧急顺桨时，叶片的载荷与桨距角的对应关系如下图所示（顺桨速度7°/s）：图4 某机组紧急顺桨时叶片扭矩与时间的关系
本文提出了典型叶片负载的兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试方法，在对电动变桨距
系统进行加载项目测试时，将上图中的载荷曲线输入数据库，测试中，加载电机根据当前的
桨距角调用数据库中的叶片载荷并施加到测试电机上，变桨系统即可根据实际的载荷进行响应，这种测试方法更加符合现场的真实的环境，测试结果更加准确。

6、结语
在环境日益恶化的今天，世界各国都在大力发展清洁型能源，其中，风能是一种清洁型
可再生资源，利用风力发电可以做到零污染。

变桨距系统是大型风电机组控制系统的核心部件，做好变桨距的测试工作，是保证风力机组正常运行的前提，本文通过对电动变桨距工作
原理以及对其测试的作用和重要性进行论述，分析其测试系统平台中存在的问，并针对这些
问题提出基于典型叶片负载的兆瓦级风电机组电动变桨距的测试系统和测试方法。

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