兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電電伺服獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閻卓,凌志斌,蔡旭

(上海交通大學(xué) 風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海 200240)

在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,變槳控制系統(tǒng)的安全、可靠與否,直接影響著整個(gè)風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率,發(fā)電質(zhì)量和可利用率,變槳控制系統(tǒng)在整個(gè)風(fēng)機(jī)中的地位舉足輕重[1]。與液壓式變槳控制系統(tǒng)相比,電伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、占用體積小,控制簡單,控制精度高,不存在液壓變槳系統(tǒng)普遍存在的漏油、卡塞問題,因此具有更高的可靠性。

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)中的槳葉長度長,槳葉面橫跨面積大,面臨的風(fēng)速變化大,眾多因素決定了其變槳系統(tǒng)載荷具有大轉(zhuǎn)矩、時(shí)變、非線性的特點(diǎn),同時(shí)整個(gè)變槳伺服控制系統(tǒng)還必須具有較低的靜態(tài)誤差,良好的動(dòng)態(tài)特性,所有這些對(duì)變槳控制系統(tǒng)中的伺服電機(jī)和伺服控制器提出很高的要求[2]。本文設(shè)計(jì)的電伺服變槳控制系統(tǒng)可以滿足上述要求。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)一般位于空間狹小的輪轂內(nèi),設(shè)計(jì)時(shí)元器件的數(shù)量和體積均受到限制,只有選擇最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),合理的走線布局,才能在保證功能的前提下,使得系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性高、故障率低。

電伺服變槳系統(tǒng)由3部分組成:變槳控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)[3]。根據(jù)這3個(gè)部分連接關(guān)系和位置的不同,整個(gè)系統(tǒng)有好幾種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。本文設(shè)計(jì)的電伺服變槳系統(tǒng)采用一種輪轂內(nèi)置多套后備電源的結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,主電源和風(fēng)機(jī)主控制器位于機(jī)艙內(nèi),變槳控制器、3套后備電源和3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器位于輪轂內(nèi)。主電源線以及機(jī)艙和輪轂之間的通訊線通過電滑環(huán)連接。上述結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是,由于后備電源位于輪轂內(nèi),且每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都有各自的后備電源,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生掉電故障時(shí),即使某一套后備電源也同時(shí)出現(xiàn)故障,其他2套后備電源也可以保證對(duì)應(yīng)的2片槳葉到達(dá)安全順槳的位置,從而保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The topological structure of the system

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 變槳伺服電機(jī)的選型

在MW級(jí)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,槳葉長度可達(dá)30多m,塔高可達(dá)百m,正常工作下槳葉的運(yùn)行速度需要達(dá)到3～5(°)/s,故障緊急順槳情況下變槳速度要求達(dá)到10(°)/s。變槳系統(tǒng)的變槳力矩要求很大,達(dá)到50kN?m以上。由于相對(duì)槳葉的速度和轉(zhuǎn)矩指標(biāo)來講,電機(jī)具有低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn),因此必須選配減速機(jī)以增加轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)和槳葉旋轉(zhuǎn)之間的匹配。

變槳電機(jī)需要在輪轂中長期運(yùn)行,這就要求變槳電機(jī)具有體積小、重量輕,維護(hù)和保養(yǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn),而且具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。在伺服控制系統(tǒng)中,永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)熱小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,能量密度大,容易實(shí)現(xiàn)高速制動(dòng),適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài),而且對(duì)環(huán)境依賴性小,特別適用于風(fēng)力發(fā)電這種惡劣復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)中[4]。因此,本設(shè)計(jì)采用永磁同步電機(jī)作為變槳系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

以某MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例,其減速機(jī)變比為1 800,槳葉在20 m/s風(fēng)速情況下,其槳距角與電機(jī)承受力矩的關(guān)系如圖2所示。

為了使風(fēng)能得到充分的利用,正常情況下,槳葉一般工作在槳距角為5°以下。由圖2可知,槳距角為5°時(shí),槳葉所受的轉(zhuǎn)矩為30 N?m,此即為電機(jī)長期工作的額定轉(zhuǎn)矩。在槳距角為40°時(shí),電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大為92 N?m。

圖2 槳葉槳距角 轉(zhuǎn)矩關(guān)系示意圖Fig.2 Pitch angle-torque relation

由上述分析可知,伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為30 N?m,最大轉(zhuǎn)矩為92 N?m,考慮一定的安全裕量(1.35倍),要求所選伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需要達(dá)到125 N?m。

緊急順槳時(shí)槳葉的旋轉(zhuǎn)速度為10(°)/s,根據(jù)槳葉和電機(jī)之間齒輪變比取1 800,則電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,其對(duì)應(yīng)的角速度ω為

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率和角速度關(guān)系式可估算電機(jī)的額定功率為

本設(shè)計(jì)中選用額定速度nN=3 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩TN=30 N?m,最大轉(zhuǎn)矩Tm=187 N?m的永磁同步電機(jī)作為本系統(tǒng)的變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

在AC 400 V供電下,該電機(jī)速度轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3所示。

圖3 AC 400 V下電機(jī)速度轉(zhuǎn)矩特征曲線Fig.3 AC 400 V motor torque characteristic curves

由圖3可知,電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下可以達(dá)到3 000 r/min,換算到槳葉側(cè)為 10(°)/s。在電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩187 N?m時(shí)可以達(dá)到2 071 r/min,在槳葉轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)矩 92 N?m點(diǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)3 200 r/min,換算到槳葉側(cè)為 10.6(°)/s,因此完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器的選型

電伺服變槳控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是3臺(tái)永磁同步電機(jī),每臺(tái)永磁同步電機(jī)由1臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。

本文伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量以20 kW考慮,為電機(jī)額定功率的2倍。伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示,其輸入電壓按照三相400 V設(shè)計(jì)。

圖4 電伺服驅(qū)動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Electric servo drive hardware structure

出于對(duì)安全性的特別考慮,伺服驅(qū)動(dòng)器提供2個(gè)編碼器接口,可以分別接電機(jī)D端和輪轂,運(yùn)行時(shí)2個(gè)測量的角度相互校驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的冗余。

對(duì)于風(fēng)機(jī)而言伺服驅(qū)動(dòng)器除了必須具有較快的響應(yīng)速度,較高的控制精度外,還要求3套伺服驅(qū)動(dòng)器之間的一致性好,保證3個(gè)槳葉的位置角誤差在1.5°的范圍之內(nèi),才能保證系統(tǒng)的安全[5]。為此,本設(shè)計(jì)采用一個(gè)PLC來對(duì)3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)行統(tǒng)一管理,PLC通過PowerLink現(xiàn)場總線與3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接。

考慮到3個(gè)電機(jī)的一致性要求,驅(qū)動(dòng)器相連方式比較特殊,其硬件連接如圖5所示。

圖5 電伺服驅(qū)動(dòng)器硬件連接圖Fig.5 Electric servo drive hardware connection

圖5中,一個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過以太網(wǎng)接口與變槳PLC相連,接收位置命令,并且通過PowerLink總線將位置命令傳輸給另外兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器并與之實(shí)時(shí)通訊消除位置差,從而達(dá)到電機(jī)位置一致性要求。

2.3 備用電源系統(tǒng)

備用電源系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電故障時(shí)為伺服系統(tǒng)供電,使其能夠安全順槳停機(jī)。

考慮到安裝位置與輪轂一起轉(zhuǎn)動(dòng),所以對(duì)儲(chǔ)能元件有特殊的要求:可倒置;旋轉(zhuǎn)時(shí)無漏液;具有循環(huán)充放電功能,在低溫下需要保持良好的充放電功能?；谝陨弦笥袃煞N方案可供參考:鉛酸蓄電池和超級(jí)電容。免維護(hù)鉛酸蓄電池能夠滿足本系統(tǒng)的要求,相比于超級(jí)電容,其成本低得多。所以本設(shè)計(jì)中采用免維護(hù)的閥控式鉛酸電池作為儲(chǔ)能元件。

備用電源與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接方式如圖4虛線框所示,蓄電池經(jīng)空氣開關(guān)、二極管連接至驅(qū)動(dòng)器直流側(cè),再由逆變器接至電機(jī)。正常狀態(tài)下直流母線電壓高于蓄電池端電壓,二極管將蓄電池隔離。當(dāng)直流母線電壓跌落至蓄電池端電壓以下,蓄電池通過二極管接入提供順槳電源。

選擇蓄電池電壓等級(jí)時(shí)需考慮直流供電下伺服電機(jī)特性。本系統(tǒng)所選伺服電機(jī)在兩相AC 220 V供電,即驅(qū)動(dòng)器直流側(cè)DC 325 V供電時(shí)的速度轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6所示。

圖6 DC 311 V下電機(jī)速度轉(zhuǎn)矩特征曲線Fig.6 DC 311 V motor torque characteristic curves

由圖6可知,電機(jī)在AC 220 V供電時(shí)在最大轉(zhuǎn)矩92 N?m點(diǎn),轉(zhuǎn)速可達(dá)1800 r/min,即變槳速度達(dá)6(°)/s,可以在15 s內(nèi)完成順槳。所以備用電源的電壓等級(jí)選擇相應(yīng)的DC 311 V即可。

系統(tǒng)在由備用電源供電時(shí)順槳一次需要60 s?？紤]系統(tǒng)的安全性,備用電源的容量設(shè)計(jì)需要完成3次順槳?jiǎng)幼?。按電機(jī)最大功率計(jì)算消耗總能量為

目前市場上常用單體容量為7.2 Ah,端電壓12 V的鉛酸蓄電池單體,26節(jié)單體串聯(lián)構(gòu)成的備用電源端電壓達(dá)到312 V,可以滿足系統(tǒng)備用電源電壓等級(jí)的要求。根據(jù)所選蓄電池最大放電電流23.04 A,放電3 min后單體電壓降至11.5 V,按此最小電壓計(jì)算其容量為

由式(4)可得,所選電池容量可以滿足順槳3次的要求。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

變槳控制系統(tǒng)的工作模式有3種:正常工作模式、故障模式、調(diào)試模式。正常工作模式下,變槳控制器發(fā)送槳距角位置命令給3個(gè)變槳驅(qū)動(dòng)器,同時(shí)檢測驅(qū)動(dòng)器反饋信息,流程圖如圖7所示。

圖7 正常運(yùn)行模式Fig.7 Normal operating mode flow diagram

故障模式下,變槳控制器發(fā)出順槳指令給伺服驅(qū)動(dòng)器,使槳葉到達(dá)順槳位置后急停,流程圖如圖8a所示。調(diào)試模式下,調(diào)試人員分別調(diào)試各個(gè)槳葉,目的是校準(zhǔn)各槳葉根部的編碼器和電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)編碼器,以保證3個(gè)槳葉同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度,偏差最小,流程圖如圖8b所示。

圖8 流程圖Fig.8 Flow diag ram

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)采用某公司的軟硬件設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。應(yīng)用此公司的自動(dòng)化產(chǎn)品編程軟件Automation Studio進(jìn)行驗(yàn)證。

跟蹤單獨(dú)槳葉位置、速度隨時(shí)間的波形,見圖9。由圖9可見,0°～ 90°緊急順槳時(shí),槳葉旋轉(zhuǎn)速度可在0.7 s內(nèi)由 0上升至9.7(°)/s,10 s后完成順槳。

圖9 單槳葉位置、速度隨時(shí)間波形Fig.9 Single-blade position,velocity-time waves

對(duì)3個(gè)槳葉同時(shí)下達(dá)順槳命令后,跟蹤3個(gè)槳葉位置隨時(shí)間的波形如圖10所示。

圖10 3個(gè)槳葉位置隨時(shí)間波形Fig.10 3 blade position-time waves

如圖10所示,下達(dá)順槳命令后,3個(gè)槳葉同時(shí)在10 s后完成順槳,可以達(dá)到良好的一致性。

5 結(jié)論

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,變槳控制系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接決定著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能否正常可靠運(yùn)行,電伺服變槳控制系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異以及較高的可靠性,逐漸取代傳統(tǒng)的液壓式變槳控制系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)2 MW級(jí)電伺服變槳控制系統(tǒng)提出的輪轂內(nèi)置多套后備電源的設(shè)計(jì)方案,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性、安全性高,系統(tǒng)各部分都符合整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,對(duì)運(yùn)行環(huán)境的耐受能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和控制精度,可在極短的時(shí)間內(nèi)完成變槳?jiǎng)幼?且可靠安全,完全滿足兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于槳葉控制的要求。本系統(tǒng)擁有光明的應(yīng)用前景。

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