風電變槳直流伺服驅(qū)動器的研制

趙瑞杰，王大為，陶學軍，李朝鋒

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

風電變槳直流伺服驅(qū)動器的研制

趙瑞杰，王大為，陶學軍，李朝鋒

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對風力發(fā)電變槳系統(tǒng)的需求和永磁直流伺服電機的調(diào)速原理，對直流伺服驅(qū)動器的控制策略和控制電路進行了研究。在此基礎(chǔ)上，研制了1臺7.5kW的直流伺服驅(qū)動器，并進行了相應(yīng)的實驗研究。該驅(qū)動器在傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速前饋、電流前饋和死區(qū)補償?shù)葎討B(tài)校正補償環(huán)節(jié)。實驗結(jié)果表明了該控制策略的先進性，其中電流內(nèi)環(huán)的帶寬達到了350Hz，整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也完全達到了風電變槳系統(tǒng)的要求。

風電機組；伺服；變槳控制；死區(qū)補償；前饋

1 引言

風電是目前安全、環(huán)保、最具發(fā)展?jié)摿图夹g(shù)相對成熟的新能源行業(yè)［1-2］。風能已經(jīng)成為我國水能之外最具規(guī)模應(yīng)用前景的零排放、可再生能源。對于MW級及以上的風電機組均采用變槳距變速恒頻的機型，包括雙饋式風力發(fā)電機組和永磁同步直驅(qū)式風力發(fā)電機組。其中變槳距控制系統(tǒng)是風電機組安全運行的核心部件之一，根據(jù)風力發(fā)電機所處環(huán)境的風力狀況，改變?nèi)~片的槳距角，達到調(diào)節(jié)功率和保護風機的目的。伺服驅(qū)動器是風電變槳系統(tǒng)的核心部件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，變槳控制器通過伺服驅(qū)動器對變槳電機進行控制，達到調(diào)節(jié)風機槳葉角度的目的。

由于電刷和換向器的原因，直流電機需要定期維護，導致其在伺服領(lǐng)域中的應(yīng)用逐步被交流伺服電機所替代。但是直流電機可以在伺服驅(qū)動器故障的情況下，由直流電源直接拖動電機運轉(zhuǎn)，正好滿足風電變槳系統(tǒng)的緊急順槳功能。因此直流伺服電機在風電變槳領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用。近年來，隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，永磁直流電動機成為直流電動機的主流。

由于直流電機在傳統(tǒng)伺服領(lǐng)域的應(yīng)用越來越少，而風電行業(yè)又是一個新興行業(yè)，目前對于直流電機伺服控制的研究基本處于停滯狀態(tài)。傳統(tǒng)的直流電機控制系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的方式，文獻［3］已經(jīng)進行了詳細的分析。但是該控制方式的動態(tài)特性差，無法滿足風電變槳的要求。文獻［4-5］提出了直流伺服電機模糊控制的理念，采用了系統(tǒng)重構(gòu)的方式進行電機控制，該控制方式不需要精確的電機參數(shù)，提高了驅(qū)動器的兼容能力，但是控制結(jié)構(gòu)復雜，控制參數(shù)難以整定，不適合工程應(yīng)用。

傳統(tǒng)的PI控制很難滿足伺服系統(tǒng)的高性能要求［6］，本文在研究直流伺服驅(qū)動器的硬件控制電路的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了PWM控制算法，增加了速度前饋、電流前饋和死區(qū)補償?shù)葎討B(tài)校正環(huán)節(jié)。同時研制了1臺7.5kW的直流伺服驅(qū)動器，經(jīng)過實驗驗證，各性能指標優(yōu)，達到了風電變槳系統(tǒng)的技術(shù)要求，目前已經(jīng)在風電行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。

2 硬件電路

2.1 永磁直流電機的調(diào)速方法

永磁直流電機是他勵直流電機的一種，其轉(zhuǎn)速特性可以用下式表示：

他勵直流電機的調(diào)速轉(zhuǎn)速有3種：1）改變電樞回路里的串聯(lián)電阻Ra；2）減小氣隙磁通Ф；3）改變電樞端電壓Ud。

目前主流的調(diào)速方法是采用高頻PWM脈沖電壓的方式來控制電機轉(zhuǎn)速。

2.2 驅(qū)動器主功率回路及工作過程分析

本文研制的直流伺服驅(qū)動器，采用H橋電路，其主電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動器的主電路原理圖Fig.1 Main circuit schematic of the driver

為降低直流電機永磁材料的渦流損耗，采用了單極性倍頻的PWM模式，在不提高功率器件開關(guān)頻率的前提下，比常規(guī)雙極性PWM調(diào)制方式的紋波電流降低了75%。

電機正向旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動器的主要工作波形如圖2所示，其中Vg1～Vg4分別為開關(guān)管IG1～IG4的驅(qū)動信號，Ud為電機兩端電壓波形，ID1～ID4分別為IG1～IG4的體二極管。從圖2可以看出，電機在轉(zhuǎn)動過程中，加在電機兩端的電壓為正電壓或者零電壓，頻率為開關(guān)頻率的2倍。

電機正轉(zhuǎn)時，可以把1個開關(guān)周期分成4個階段進行分析，如圖3所示。

圖2 正轉(zhuǎn)時驅(qū)動器的主要工作波形Fig.2 Forward rotation key waveforms of driver

圖3 正轉(zhuǎn)時驅(qū)動器的電流路徑圖Fig.3 Forward rotation current map of driver

t0-t1階段：電流通過 DC＋、IG1，電機＋、電機-、IG4，回到DC-；電機端電壓Ud為母線電壓。

t1-t2階段：電流通過 DC＋、IG1，電機＋、電機-、ID3，回到DC＋；電機端電壓Ud為0。

t2-t3階段：電流通過 DC＋、IG1，電機＋、電機-、IG4，回到DC-；電機端電壓Ud為母線電壓。

t3-t4階段：電流通過 DC-，ID2，電機＋、電機-、IG4，回到DC-；電機端電壓Ud為0。

電機反向旋轉(zhuǎn)時的工作過程和正向旋轉(zhuǎn)相似，此處不再具體分析。

2.3 驅(qū)動器控制回路

該伺服驅(qū)動器的控制系統(tǒng)框圖見圖4，主要分為5部分：以DSP芯片（TMS320C2812）作為處理器的算法控制單元，A／D采集及處理單元，速度位置采集處理單元，I／O單元，人機接口，IGBT驅(qū)動單元。DSP是伺服驅(qū)動器的“大腦”，完成控制算法的實現(xiàn)，PWM脈沖信號的生成、邏輯信號處理和保護功能的實現(xiàn)。

圖4 驅(qū)動器控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of driver control system

3 伺服電機的控制系統(tǒng)

本文研制的直流伺服驅(qū)動器是速度伺服系統(tǒng)，其控制由速度環(huán)和電流（轉(zhuǎn)矩）環(huán)構(gòu)成，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)。其中電流環(huán)控制器是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其響應(yīng)速度要遠遠大于速度環(huán)。電流環(huán)的作用主要有3個：1）使電機繞組電流實時、準確地跟隨電流指令信號；2）對電網(wǎng)的波動起及時抗擾的作用；3）限制最大電樞電流，有效地保護驅(qū)動器和電機。

3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型

首先作如下的近似處理：暫不考慮電機反電動勢變化的影響，忽略電機的靜摩擦和粘滯效應(yīng)。該直流伺服系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖5所示，轉(zhuǎn)速環(huán)在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了速度前饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速給定的信息不通過轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)制，直接加在電流環(huán)的給定，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖5 驅(qū)動器的控制框圖Fig.5 Control block diagram of driver

其中，ASR為速度環(huán)控制器；ACR為電流環(huán)控制器（其中包括功率單元的滯后效應(yīng)1／（Tss＋1）和功率電路的放大倍數(shù)Ks）；Kt為電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J為電機的轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩；L為電機繞組的電感；R為電機繞組的阻抗。

3.2 電流環(huán)的設(shè)計及優(yōu)化

本文研制的驅(qū)動器電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，其系統(tǒng)方框圖見圖6。

圖6 電流環(huán)控制框圖Fig.6 Control block diagram of current loop

電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)和帶寬是表征驅(qū)動器性能的一個重要參數(shù)，為提高驅(qū)動器的性能指標，電流環(huán)在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了電流前饋和死區(qū)補償，如圖6所示。其中電流前饋是把電流給定的信息不通過電流環(huán)調(diào)制，直接在電流環(huán)的輸出端進行體現(xiàn)，主要目的是補償電機電樞繞組的內(nèi)阻對控制環(huán)的影響，極大地提高了電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)能力；死區(qū)補償回路可以在一定程度上抵消功率回路上下橋臂的開通死區(qū)時間，提高電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)速度。

沒有死區(qū)補償時，電流環(huán)在10Hz的階躍給定下的實際繞組電流波形見圖7；圖8是有死區(qū)補償時的電流波形。對比圖7和圖8，死區(qū)補償效果非常明顯，電流過零的波形得到明顯改善。

圖7 無死區(qū)補償時的電流波形Fig.7 Current waveform of no dead zone compensation

圖8 有死區(qū)補償時的電流波形Fig.8 Current waveform after dead zone compensation

4 試驗

采用前面介紹的主電路結(jié)構(gòu)和控制策略，本文研制了1臺7.5kW的直流伺服驅(qū)動器，并進行了實驗研究。為驗證伺服系統(tǒng)的功率特性和動態(tài)響應(yīng)特性，采用的測試平臺如圖9所示。

圖9 測試平臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of the test platform

在電流環(huán)試驗中，為消除電機反電動勢對電流環(huán)的影響，負載電機始終處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。電流環(huán)的幅頻特性曲線見圖10；電流環(huán)的相頻特性曲線見圖11。

圖10 電流環(huán)幅頻特性曲線Fig.10 Current loop amplitude-frequency characteristic curve

圖11 電流環(huán)相頻特性曲線Fig.11 Current loop phase-frequency characteristic curve

從圖10和圖11可以看到，在相移45°時的電流環(huán)帶寬為350Hz。在0～800Hz測試范圍內(nèi)，無任何震蕩現(xiàn)象，說明電流環(huán)特性優(yōu)良，達到了設(shè)計的目標。

電機在額定轉(zhuǎn)速2 000r／min運行時，從空載到額定負載時，電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)波形如圖12所示。從圖12中可以看到，負載突變時，電機的轉(zhuǎn)速波動不超過75r／min，恢復時間不超過150ms，完全滿足風電變槳的要求。

圖12 突加負載時轉(zhuǎn)速的動態(tài)波形Fig.12 Sudden load the dynamic waveform of speed

5 結(jié)論

本文在分析風電變槳用直流永磁伺服電機特性的基礎(chǔ)上，研制了1臺7.5kW的直流伺服驅(qū)動器，在傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速前饋、電流前饋和死區(qū)補償?shù)葎討B(tài)校正補償環(huán)節(jié)。實驗結(jié)果表明，驅(qū)動器的各項性能指標良好，理論分析和實驗結(jié)果吻合，達到了設(shè)計的目標。

［1］ 云天吉，翁莎莎.風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.農(nóng)村電氣化，2007，28（15）：47-49.

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［6］ 嵇啟春，孫育剛.位置伺服系統(tǒng)控制算法的研究［J］.電氣傳動，2010，40（5）：60-62.

修改稿日期：2012-02-03

Development of DC Servo Driver for Pitch Control of Wind Power

ZHAO Rui-jie，WANG Da-wei，TAO Xue-jun，LI Chao-feng

（XJElectricCo.，Ltd.，Xuchang461000，Henan，China）

According to the requirements of pitch systems for wind turbine and the speed control principle of permanent magnet DC servo motor，the control strategy and control circuits of DC servo drive were studied.On the basis of the study，one 7.5kW DC servo drive was developed and corresponding experiments was made.The 7.5kW DC servo drive increased dynamic correction and compensation part such as speed feedforward，current feedforward，dead-space compensation and etc based on the traditional double closed-loop DC drive system and PI controller.The result of experiment indicates that the control strategy is advanced，of which the bandwidth of the inner current reached 350Hz and the dynamic response of the overall system also meet the requirements of pitch system completely.

wind turbine；servo；pitch control；dead time compensation；feedforward

TM921

A

趙瑞杰（1978-），男，碩士研究生，高級工程師，Email：ruijiezh＠xjgc.com

2011-07-10