风力发电机组电动变桨距系统的研究

0、引言

由于风能是一种清洁而安全的能源,在自然界中可以不断生成并有规律得到补充,所以风能资源的特点十分明显,其开发利用的潜力巨大。大型的兆瓦级风力发电机近几年在国内外得到了不断的发展。

变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起。变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化,可以更有效地利用风能,并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。变速恒频机组的显著优点已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认,将成为未来的主流机型[1]。但变速恒频风力机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的,因为自然界中风速瞬息万变,特别是在额定风速以上工况,风力机有可能受到很大的静态或动态冲击[2]。变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性,使桨叶和整机的受力状况大为改善[3]。最近，电动变桨距系统越来越多的应用到风力发电机组当中。

根据最新的资料显示，全球风电机组几个大的供应商均采用了电动变桨距结构作为变桨距系统的组成。例如：GE WindPower公司的3.6MW风机机组，Enercon公司的E-112型风机机组，Suzlon公司的2MW风机机组，REpower公司的5MW风机机组，Nordex公司的N90/2500KW风机机组，Siemens公司的3.6MW风机机组等都是应用了电动变桨距结构。我国浙江大学等单位也对大型风力发电机组独立桨叶控制系统作了研究。 本篇文章主要分析风力发电机组电动变桨距系统的结构和特点，并且分两个部分研究了风力发电机组电动变桨距系统，其中重点分析了电动变桨距的伺服驱动部分，设计出三相永磁同步电动机伺服驱动系统作为电动变桨距系统的驱动控制部分。

1．电动变桨距系统概述

变桨距机构就是在额定风速附近(以上),依据风速的变化随时调节桨距角,控制吸收的机械能,一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应),同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中,变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力。这样可以避免过载对风机的破坏。

图1和图2分别是电动变桨距系统的布局图和电动变桨距系统的概念设计图。三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机放置于轮毂处，每支桨叶一套，一个总电气开关盒放置在轮毂和机舱连接处，整个系统的通讯总线和电缆靠滑环与机舱的主控制器连接。

图3为电动变桨距系统的构成框图，主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通讯，达到控制三个独立的变桨距装置的目的。主控制器根据风速，发电机功率和转速等，把命令值发送到电动变桨距控制系统，并且电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈到主控制器。

电动变桨距系统必须满足能够快速响应主控制的命令，有独立工作的变桨距系统，高性能的同步机制，安全可靠等的要求。下面就分别从机械和伺服驱动两个部分介绍一下电动变桨距系统。

2．机械部分

不同于液压驱动变桨距系统，电动变桨距系统采用三个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统，机械部分包括回转支承，减速机和传动等。减速机固定在轮毂上，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承的外环固定在轮毂上。当电驱动变桨距系统上电后，电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而且小齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的。图4就是机械传动示意图。

电动变桨距一般包括变桨距伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，蓄电池，减速箱，齿盘，传感器部分等组成。其中传感器部分包括位置传感器和两个限位开关(0度和90度)，如图5所示。

制动装置的特点是空气动力学制动刹车单独由变桨距控制，桨叶获得充分的刹车作用。即使一个桨叶刹车制动失败, 其它二个叶片也可以安全结束刹车的过程，提高了整个系统的安全性。制动系统还装备了备用电源，提供给故障或者维修时候可以快速准确地收回桨叶。

3．伺服驱动部分

矢量控制技术解决了交流电动机在伺服驱动中的动态控制问题，使交流伺服驱动系统的性能可与直流系统相媲美，在某些情况下，甚至超过了直流系统的性能。特别在20KW以下的功率范围内，精度有特殊要求的情况下，交流越来越要取代直流[4]。 在这种情况下，感应电动机，无刷直流电动机和三相永磁同步电动机各有特色。

3.1 三种伺服电动机的比较

我们都知道，交流伺服驱动系统由以下三个部分组成：伺服电动机，驱动装置，控制系统。下面就从成本，功率密度，转矩/惯量，速度范围，转矩/电流，损耗，制动，转子位置传感器这几个方面进行比较[5]。 表1:三种伺服电动机的比较

以上就是对三种伺服电动机的比较，基于风力发电机组电动变桨距系统的特点和安全要求，综合三种伺服电动机的特点考虑，拟采用三相永磁同步电动机作为电动变桨距系统的伺服电动机。 3.2 电动变桨距伺服系统

虽然三相永磁同步电动机在一些方面不尽如人意，但是它的电机结构简单，维护方便，只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动。特别对于风机而言，周围环境恶劣复杂，这样特别适用于三相永磁同步电动机。

三相永磁同步电动机交流伺服系统大致有四部分组成：三相永磁同步电动机，速度和位置传感器，变频器，控制器[6]。

三相永磁同步电动机主要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料形状的永磁体，用以产生恒定磁场，没有励磁绕组。定子上有三相电枢绕组，接可控的变频电源。

对于三相永磁同步电动机来说，实际上，检测电动机的转子旋转速度，磁极位置和系统的定位控制三个功能要采用绝对式光电编码器。

逆变器输出频率可调的交流电，输入到电枢绕组中。PWM回路以一定的频率产生出触发功率器件的控制信号，使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系，并使流入电枢绕组中的交流电流保持严格正弦性。另外，电动变桨距的三个伺服驱动器必须在其内部实现精确的同步功能，要求之间的通讯必然要达到系统的整体精度要求。

在控制回路中一共有三个控制环：位置环，速度环，转矩环。一般情况下，位置环采用比例控制规律，速度环采用比例积分控制规律，转矩环采用空间矢量控制。

当然，位置控制主要是达到精确的位置控制，速度环要实现快速的跟踪，电流环实现快速的动态响应。在电动变桨距伺服控制中，主控制器给出位置命令值，与位置反馈进行比较，位置调节器的输出就是速度调节器的输入，进行比例积分，速度调节器输出转矩命令值，与反馈值比较后，差值送到转矩调节器中，输出就是转矩电流给定值，并且把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，达到转矩控制。

在图中，定子电流检测值iA，iB，iC，经过ABC轴系到dq旋转轴系得适量变换后，得到检测值iq和id。

由三相静止坐标系ABC到任意转速ω旋转两相坐标系dq的变换阵。

是永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，对于三相永磁同步电动机是恒定值，通过面装式PWSM的电磁转矩公式 可以得到转矩反馈值。Pn是极对数。

当电动机速度超过基值时，要进行弱磁控制，需要加入id，所以id*要根据弱磁运行的具体情况而确定。

由iq*和id*和转子位置，通过dq旋转轴到ABC轴系的变换，得到三相定子电流命令值。由任意转速ω旋转两相坐标系d、q到相静止坐标系ABC的变换阵。

4．结论

本文对电动变桨距的结构和特点进行了介绍，着重对伺服驱动控制部分进行了设计和分析，可以作为工程设计的初步参考，在具体的伺服控制部分的研究工作需要进一步深入。

参考文献

[1] E. A. Bossanyi. Adaptive pitch control for a 250kW Wind Turbine, Proc. British Wind Energy Conference.1986,pp.85-92

[2] Iqbal, M. T. Coonick, A. and Ereris, L. L. Dynamic control options for variable speed wind turbines. Wind Engineering. 1994, 18 (1), pp.1-12

[3] Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control. PhD thesis. Technical University of Denmark．1997

[4] 吴安顺．最新实用交流调速系统．机械工业出版社．1998 [5] 陈伯时．交流调速系统机械工业出版社．1997

[6] 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计．北京：机械工业出版社，1990