基于交流異步伺服技術(shù)的風電機組變槳系統(tǒng)

趙迎春， 余 康， 郝魁紅

(1.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300;

2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100085)

0 引言

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)主要包括主控制器、變槳距控制、并網(wǎng)控制、功率控制、無功補償控制和偏航控制等。其中風力發(fā)電機組變槳控制系統(tǒng)(風電機組變槳系統(tǒng))是風電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分，至今尚無較成熟的國產(chǎn)化產(chǎn)品，目前國內(nèi)市場幾乎被國外產(chǎn)品所壟斷。

風電機組變槳系統(tǒng)承擔著風電機組的控制和保護雙重任務(wù)。在機組起動時，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到合適的角度，使葉輪擁有合適的起動力矩;并網(wǎng)過程中，變槳系統(tǒng)控制葉輪速度，實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng);在額定風速以下時，變槳系統(tǒng)控制槳葉槳距角到0°，使機組達到最大出力;在額定風速附近(以上)時，變槳系統(tǒng)依據(jù)風速的變化隨時調(diào)節(jié)槳距角，控制吸收的機械能，一方面保證獲取最大的能量(與額定功率對應(yīng))，同時減少風力對風力發(fā)電機的沖擊;在停機時，變槳系統(tǒng)將風機槳葉調(diào)整到順槳位置，實現(xiàn)空氣動力學制動剎車，使風電機組安全停運。變槳距控制與變速恒頻技術(shù)相配合，最終提高了整個風力發(fā)電機組的發(fā)電效率和電能質(zhì)量［1］。

風電機組變槳系統(tǒng)主要采用電動變槳技術(shù)，其核心是伺服控制系統(tǒng)，目前國內(nèi)風電機組變槳系統(tǒng)主流產(chǎn)品采用的是直流伺服控制系統(tǒng)。本文對風電機組變槳系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和特點進行了介紹，對目前流行的伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點進行了分析，進而提出了一套基于交流異步伺服技術(shù)的風電機組變槳系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)設(shè)計中需重點考慮的問題進行了說明。

1 風電機組變槳系統(tǒng)組成和總體結(jié)構(gòu)

風電機組變槳系統(tǒng)主要包括變槳主控制器、伺服系統(tǒng)(包括伺服驅(qū)動器、伺服電機及其傳感器)、備用電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、減速箱和傳感器等。風電變槳系統(tǒng)采用三套伺服控制系統(tǒng)分別對每個槳葉的槳距角進行控制，槳距角的變化速度一般不超過每秒10°，槳距角控制范圍為0～92°，電機軸至槳葉驅(qū)動軸的減速比約為1 800(某1.5 MW機組數(shù)據(jù))，每個槳葉分別采用一個帶轉(zhuǎn)角反饋的伺服電機進行單獨調(diào)節(jié)，電機轉(zhuǎn)角反饋采用編碼器，安裝在電動機軸上，由伺服驅(qū)動器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制。伺服電機連接減速箱，通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對槳葉節(jié)距角的直接控制。在輪轂內(nèi)齒圈上安裝位置編碼器或位置開關(guān)，用于比對電機編碼器。在輪轂內(nèi)齒圈邊上還裝有2個限位開關(guān)(91°和96°)。變槳系統(tǒng)的供電來自機艙柜提供的三相380 V(帶零線)交流電源(3×400 V+N+PE)，該電源通過滑環(huán)引入輪轂中的變槳系統(tǒng)。如果交流供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或緊急狀態(tài)下，由備用電源系統(tǒng)向伺服驅(qū)動器供電，快速將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置。備用電源主要由儲能機構(gòu)(蓄電池或超級電容等)和充放電管理模塊構(gòu)成。

目前風電機組變槳系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要有3柜、4柜、6柜和7柜，3柜結(jié)構(gòu)采用3個軸控制箱(后備電源及電源管理模塊放在軸控制箱內(nèi)，主控制器放在其中一個軸控制箱內(nèi)或每個軸控制箱內(nèi)配置1套控制器)，4柜采用1個主控制箱和3個軸控制箱(后備電源及電源管理模塊放在軸控制箱內(nèi))，6柜結(jié)構(gòu)采用3個軸控制箱(變槳主控制器放在其中一個軸控制箱內(nèi))和3個后備電源箱，7柜結(jié)構(gòu)采用1個主控制箱、3個軸控制箱和3個后備電源箱。采用何種結(jié)構(gòu)，與風電機組輪轂尺寸大小、后備電源類型及電壓等級、配電系統(tǒng)的規(guī)模等諸多因素相關(guān)。圖1為典型的7柜變槳系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 風電機組變槳系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)

風電機組變槳系統(tǒng)的核心是3套伺服控制系統(tǒng)，分別用于控制3個槳葉的槳距角，伺服控制技術(shù)是風電變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)選用電機的不同，伺服控制系統(tǒng)可以分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類型，交流伺服系統(tǒng)又可分為異步電動機伺服系統(tǒng)和永磁同步電動機伺服系統(tǒng)。三種伺服系統(tǒng)比較如表1所示［1，3］。

表1 3種伺服系統(tǒng)比較

目前國內(nèi)風電機組變槳系統(tǒng)主流產(chǎn)品如LUST、SSB等采用的都是直流伺服系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是后備直流電源接入方便且能直接驅(qū)動直流電機，串勵直流電機起動轉(zhuǎn)矩大，但有電機碳刷維修困難、成本高等缺點。采用矢量控制的交流伺服控制系統(tǒng)代表著伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，其控制性能已達到或接近直流伺服控制系統(tǒng)，交流電機有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護方便等諸多優(yōu)勢，因此在風電變槳系統(tǒng)中采用交流伺服系統(tǒng)正成為發(fā)展方向，近年來從國外新引進的風電機組變槳系統(tǒng)也驗證了此趨勢。交流電機中，永磁同步電機只有定子線圈發(fā)熱，容易實現(xiàn)高速，較容易實現(xiàn)快速制動，但其缺點是需要采用編碼器來進行轉(zhuǎn)子磁極位置檢測，編碼器故障可能導(dǎo)致失步，而在風電機組實際運行過程中，電機編碼器是較容易損壞的部件之一，其次，永磁同步電機成本較高;異步電機在矢量控制算法方面比永磁同步電機稍顯復(fù)雜，多了與電機參數(shù)相關(guān)的磁鏈觀測環(huán)節(jié)，但總的說來，針對異步電機的矢量控制算法已很成熟，且在編碼器故障情況下，它可采用VVVF方式安全運行，就電機本身而言，異步電機有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、成本低等優(yōu)點。

圖1 典型的7柜變槳系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

風電機組變槳系統(tǒng)的運行環(huán)境較為惡劣，綜合考慮性價比，采用異步電機的交流伺服系統(tǒng)更具優(yōu)勢，是風電機組變槳系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前丹麥KK和德國ATEC公司提供的風電機組變槳系統(tǒng)已采用交流感應(yīng)伺服技術(shù)，并已得到應(yīng)用。

3 適用于風電機組變槳系統(tǒng)的交流異步電機伺服系統(tǒng)

一套交流異步電機伺服控制系統(tǒng)主要包括一臺交流伺服驅(qū)動器、一臺交流異步電機和配套的傳感器等。

3.1 特點

伺服系統(tǒng)一般為通用性產(chǎn)品，將其應(yīng)用于風電機組變槳系統(tǒng)時，又有其特殊性。適用于風電變槳控制的專用交流異步電機伺服系統(tǒng)特點主要體現(xiàn)在以下8個方面:(1)實現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制。變槳系統(tǒng)的位置指令由風電主控系統(tǒng)運算產(chǎn)生，變槳系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)風電主控送來的位置指令調(diào)整槳葉到相應(yīng)位置。通用伺服主要實現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)控制，位置環(huán)一般在上層可編程邏輯控制器(Programmable Logical Control，PLC)中實現(xiàn)，針對風電變槳系統(tǒng)特點，在伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)三環(huán)控制更能提高系統(tǒng)的控制效果和可靠性。(2)控制方式能根據(jù)情況的變化自動改變。在正常情況下，伺服控制系統(tǒng)以三環(huán)控制方式工作;在手動操作方式下，伺服控制系統(tǒng)以速度環(huán)和電流環(huán)兩環(huán)控制方式工作;在編碼器故障情況下，伺服控制系統(tǒng)以VVVF開環(huán)方式工作。通過不同情況下伺服控制系統(tǒng)工作方式的自動轉(zhuǎn)換，能較好地滿足風電機組變槳系統(tǒng)的控制要求。(3)接收冗余編碼器信號。伺服電機軸上安裝有一個絕對式加增量輸出的編碼器用于變槳伺服控制系統(tǒng)的正常閉環(huán)控制，同時為了提高測量的可信度，在輪轂內(nèi)齒圈上安裝了一個絕對式位置編碼器，用于比對電機編碼器測量的正確性。(4)足夠的輸入輸出通道。變槳系統(tǒng)有一些必要的模擬量輸入信號、開關(guān)量輸入和輸出信號需要伺服控制系統(tǒng)來處理，伺服控制系統(tǒng)應(yīng)滿足實際需求。(5)完善的系統(tǒng)自診斷功能。風電機組變槳系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)是其核心組成部分，其狀態(tài)信號輸出通過中間繼電器觸點直接進入機組安全鏈，以確保一旦伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常，機組安全鏈能及時動作實現(xiàn)安全快速停機，伺服控制系統(tǒng)狀態(tài)信號的產(chǎn)生需要伺服控制系統(tǒng)有完善的系統(tǒng)自診斷功能。(6)系統(tǒng)初始化和變槳系統(tǒng)特殊工況下的處理策略。對于一套控制系統(tǒng)，除完成基本控制和保護功能外，系統(tǒng)初始化和在應(yīng)用領(lǐng)域特殊工況下處理策略的全面性和嚴密性是其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵所在，也是難度較大之處，對于變槳伺服控制系統(tǒng)也是如此，必須高度重視。(7)后備電源的接入。在主電源故障的情況下，風電機組必須依靠變槳系統(tǒng)實現(xiàn)安全停機，因此變槳伺服系統(tǒng)需要配備后備電源，后備電源為直流電源，因此必須在伺服驅(qū)動器直流母線上設(shè)計接入后備直流電源的通路。(8)伺服驅(qū)動器故障時的輔助控制措施。由于后備直流電源無法直接驅(qū)動交流電機，因此在伺服驅(qū)動器故障時，采用必要的輔助手段完成該槳葉的安全順槳，這對于提高交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用于風電機組變槳系統(tǒng)中的可靠性是有必要的。

3.2 交流異步電機伺服驅(qū)動器

3.2.1 伺服驅(qū)動器硬件系統(tǒng)

交流異步電機伺服驅(qū)動器硬件大體上可分為控制電路和功率逆變電路兩大部分。伺服驅(qū)動器采用TI公司的32位數(shù)字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)芯片TMS320F2812構(gòu)成全數(shù)字化主控系統(tǒng)，采用三菱PM系列智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)構(gòu)成功率放大系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件功能框圖如圖2所示。硬件系統(tǒng)主要包括兩大模塊，以TMS320F2812為核心的主控制板和以IPM功率器件為核心的逆變器主電路板。主控制板的設(shè)計針對變槳驅(qū)動的要求，充分考慮DSP的資源和功能特點，使系統(tǒng)具有高可靠性和功能靈活性?？刂瓢宄四軌蛲瓿伤欧到y(tǒng)矢量控制的核心算法外，還具有一個伺服系統(tǒng)所必須的一般通用功能和變槳控制的特殊功能。控制板主要包括模擬信號輸入接口、數(shù)字IO接口、位置和轉(zhuǎn)速信號接口、通信接口、控制接口及其他基本外圍功能接口等幾部分。交流異步電機伺服控制系統(tǒng)功率板的主電路主要包括:逆變器、整流器、輔助電源、隔離驅(qū)動、電流電壓檢測、故障保護等。

圖2 以TMS320F2812為核心的交流異步電機伺服驅(qū)動器

逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中虛線框表示IPM，R4為制動電阻。起動前，整流模塊通過充電電阻R1，向電容C1和C2充電，以防止充電電流過大。當C1和C2電壓達到額定值時，繼電器J1吸合，將R1短路掉，防止R1消耗能量。電壓霍爾與2個電流霍爾分別用來檢測直流母線電壓以及U相和V相電流。

圖3 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

3.2.2 伺服驅(qū)動器軟件系統(tǒng)

(1)控制原理。交流異步伺服電機控制采用了基于電機動態(tài)數(shù)學模型的矢量控制策略。

在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，異步電機電壓方程可表示為

電機轉(zhuǎn)矩方程可寫為

轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

由此可得異步電機動態(tài)數(shù)學模型如圖4所示。

圖4 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下交流異步電機動態(tài)數(shù)學模型

基于上述方程的采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略實現(xiàn)異步電機的高性能內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示［2］。

圖5 轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制框圖

(2)控制軟件的結(jié)構(gòu)?？刂栖浖谏鲜霾呗裕捎脧膬?nèi)到外依次為電流、速度、位置三閉環(huán)的成熟控制結(jié)構(gòu)。交流電機都是強耦合的非線性系統(tǒng)，運行過程中在電機參數(shù)變化、負載波動等擾動作用下，基于線性控制理論的PI調(diào)節(jié)器很難保證在大的速度和負載變化范圍內(nèi)的動態(tài)控制性能，為此，重點針對變槳控制的高低速性能要求，在必要的情況下采用弱磁控制、基于參數(shù)辨識的動態(tài)自適應(yīng)控制等算法，解決電機在所需調(diào)速范圍內(nèi)對負載的適應(yīng)性和轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，以及轉(zhuǎn)角的高精度控制等問題。

3.2.3 伺服驅(qū)動器通信接口

系統(tǒng)采用CAN通信協(xié)議實現(xiàn)伺服驅(qū)動器和變槳距主控制器之間的信號傳遞，如槳距角指令、槳距角位置、伺服驅(qū)動器狀態(tài)信號等。

系統(tǒng)設(shè)計了232/485串行接口用于伺服驅(qū)動器和上位機之間的主從通信，采用Modbus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)信息交換，主要用于查看系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)，修改系統(tǒng)參數(shù)。

3.3 伺服系統(tǒng)診斷和保護

變槳伺服驅(qū)動器必須有完善的診斷和保護功能，并將診斷狀態(tài)匯總到1個特定的DO通道輸出，通過中間繼電器觸點直接進入機組安全鏈。伺服驅(qū)動器正常時，此DO狀態(tài)為高電平，一旦伺服驅(qū)動器異常，此DO狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?，安全鏈動作，機組緊急停機。

伺服驅(qū)動器診斷狀態(tài)判斷邏輯一部分由硬件實現(xiàn)，一部分由軟件實現(xiàn)。

硬件實現(xiàn)部分如下:(1)電源監(jiān)控，當電源電壓低于允許值時診斷狀態(tài)DO由高電平變?yōu)榈碗娖?，機組安全鏈動作;(2)看門狗保護，當伺服驅(qū)動器死機時，利用WatchDog完成伺服驅(qū)動器復(fù)位，診斷狀態(tài)DO由高電平變?yōu)榈碗娖?，機組安全鏈動作。

軟件實現(xiàn)部分如下:

(1)第1類為嚴重損傷故障，具體包括伺服驅(qū)動故障、過電流、直流母線電壓過高、直流母線電壓過低、電機過熱和散熱板過熱等。

第1類條件發(fā)生時執(zhí)行動作:脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出封鎖，電機主接觸器斷開，電機制動器失電，伺服狀態(tài)DO輸出低電平，風機安全鏈動作。伺服必須重新上電后，PWM輸出才可能解鎖。

(2)第2類為編碼器故障，具體包括:兩編碼器位置偏差大、電機編碼器斷線和槳距角編碼器斷線等。

第2類條件發(fā)生時執(zhí)行動作:伺服狀態(tài)DO輸出低電平，風機安全鏈動作;收到緊急順槳命令后，采用VVVF方式完成緊急順槳動作。

(3)第3類為主電源和通信故障，具體包括:主電源故障和CAN通信故障等。

第3類條件發(fā)生時執(zhí)行動作:伺服狀態(tài)DO輸出低電平，風機安全鏈動作;收到緊急順槳命令后，完成緊急順槳動作。

3.4 后備電源系統(tǒng)

風電機組變槳伺服系統(tǒng)在系統(tǒng)主電源失去的情況下，應(yīng)能快速完成風力發(fā)電機槳葉的順槳，使風力發(fā)電機能安全停運，這就要求風電機組變槳系統(tǒng)有一套完善可靠的后備電源系統(tǒng)。后備電源系統(tǒng)主要包括后備電源、后備電源充電模塊及后備電源接入回路。

目前風電機組變槳系統(tǒng)傳統(tǒng)的后備電源采用閥控式鉛酸蓄電池組，鉛酸蓄電池組的充電時間較長，壽命一般只有約3年，且環(huán)境溫度對其壽命有較大影響，蓄電池的工作溫度和儲備溫度都有比較嚴格的限制(－25℃ ～+45℃)，一旦超出該溫度，電池的使用壽命將會大大降低。有統(tǒng)計表明，一旦儲備溫度低于－30℃，電池的使用壽命將會大大縮短。超級電容可靠性高，充電時間短、壽命長，充放電可達50萬次以上，受環(huán)境溫度影響小，工作溫度可以在－40℃ ～+50℃，使用壽命約可達到15年，具有明顯優(yōu)勢。因此，風電機組變槳系統(tǒng)采用超級電容組作為后備電源。

圖6為采用超級電容組作為后備電源的連接原理圖，超級電容組直接與直流母線連接，因此可以實現(xiàn)在電網(wǎng)出現(xiàn)瞬間低電壓時，無間隙地給變槳伺服系統(tǒng)和變槳主控制器供電，通過風電機組主控系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合，能夠保證真正地實現(xiàn)低電壓穿越功能。

圖6 采用超級電容組作為后備電源的連接原理圖

4 交流伺服驅(qū)動器故障時的輔助控制措施

通過采用矢量控制策略等方法，交流電機包括交流異步電機或永磁同步電機已可以實現(xiàn)達到或接近直流電機的性能指標，且沒有直流電機換向裝置帶來的維護和可靠性問題，具有更好的應(yīng)用前景，所以在絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，交流伺服都已逐步取代了直流伺服系統(tǒng)。但目前風力發(fā)電中更多地采用直流伺服變槳系統(tǒng)，主要與變槳系統(tǒng)對順槳可靠性的高要求及備用電源的特點有關(guān)。在主電源斷電故障下，系統(tǒng)采用備用電源供電，而備用電源一般為蓄電池組或超級電容組，為直流電壓源，采用直流電機可直接將備用電源接到電機的電樞繞組進行順槳，無需其他變換設(shè)備，現(xiàn)有的交流電機方案必須通過逆變裝置才能獲取電能完成順槳，比直流電機方案多了一個逆變環(huán)節(jié)，從而降低了順槳的可靠度，出于這一考慮，目前風電系統(tǒng)中更傾向于選擇直流伺服變槳方案。可以說，在風電變槳系統(tǒng)中，只要能提高交流電機在其伺服驅(qū)動器故障情況下的順槳可靠性，交流伺服系統(tǒng)就可全面取代直流伺服系統(tǒng)，最大程度地發(fā)揮交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢。

對于交流伺服系統(tǒng)，其伺服驅(qū)動器故障時可采取以下兩種措施:(1)系統(tǒng)配置一臺輔助變頻器，當交流伺服故障時，采用此輔助變頻器去驅(qū)動故障交流伺服對應(yīng)的交流電機，完成緊急順槳。(2)對交流伺服驅(qū)動器進行專門設(shè)計，使其具備冗余控制功能，即一臺交流伺服驅(qū)動器故障時，其毗鄰的一臺交流伺服驅(qū)動器在完成本槳葉緊急順槳后，能幫助故障伺服驅(qū)動器完成緊急順槳功能。

5 風電機組變槳系統(tǒng)需考慮的問題

風電機組變槳系統(tǒng)基于其工作環(huán)境的特殊

性，還應(yīng)

重點考慮如下問題:(1)風電機組變槳系統(tǒng)安裝于輪轂中，長期在旋轉(zhuǎn)且有一定振動的環(huán)境下運行，因此系統(tǒng)部件的安裝固定牢固度要求高，接插件需采用工業(yè)重載接插件，電纜需考慮固定措施，防止長期受離心力作用導(dǎo)致疲勞損傷。(2)中國風力資源豐富的主要集中地區(qū)氣候嚴寒，要求風力發(fā)電機控制系統(tǒng)必須有較強的耐低溫性能，儲存溫度要求達到－40℃，工作溫度應(yīng)達到－30℃，因此對系統(tǒng)部件的耐低溫性能要求很高。(3)受到風電電能質(zhì)量的影響，風電機組變槳系統(tǒng)電源波動范圍可能較大，因此變槳系統(tǒng)電源模塊應(yīng)選用寬范圍輸入電源模塊，重要電源交直流冗余配置。(4)風電機組變槳系統(tǒng)在防雷和接地方面應(yīng)進行嚴格設(shè)計，變槳系統(tǒng)和風電主控的連接應(yīng)全部通過防雷擊模塊進行保護，系統(tǒng)接地應(yīng)確?？煽?。

6 結(jié)語

上述方案已應(yīng)用于某國產(chǎn)風電機組變槳系統(tǒng)中，工廠測試結(jié)果表明該方案設(shè)計先進、合理，功能滿足風力發(fā)電機組變槳距控制的要求，風電機組變槳系統(tǒng)采用交流異步伺服技術(shù)符合技術(shù)發(fā)展的趨勢。

［1］劉光德.風力發(fā)電機組電動變槳距系統(tǒng)的研究［J］.電機與控制應(yīng)用，2006，33(10):31-34.

［2］李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.