同步變槳系統(tǒng)一致性問題研究

黃悅超，凌志斌，曹云峰，李睿

(上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引言

風能是清潔、可再生、蘊藏量大的新型能源，是世界上最具增長潛力的新型能源。隨著能源的緊缺問題越來越嚴重，變槳距控制技術(shù)作為風力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為世界各國能源技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點[1]。風力機組的變槳系統(tǒng)分為液壓變槳和電動變槳兩大類。電動變槳應用比較廣泛，而液壓變槳系統(tǒng)存在非線性、容易泄漏等缺點，在機組安全運行和檢修方面，電動變槳具有比較大的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外風電變槳距控制主要有二種方法，即同步變槳距控制和獨立變槳距控制[2]。同步變槳距控制是在主動失速型機組的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也是目前世界范圍內(nèi)應用最廣、最為成熟的技術(shù)。同步變槳系統(tǒng)通過保持葉片的最佳攻角，即保證風機獲得較好的氣動性能，從而使變槳控制的風電機組有可能在不同風速下始終保持其風輪能量的最佳轉(zhuǎn)換效率，使高速傳動主軸輸出的功率最大。

但是，由于風機各風輪葉片在實際運行中受力情況是不同的，導致變槳過程中槳葉位置會出現(xiàn)偏差，可能會影響風機的輸出功率和風機運行的安全穩(wěn)定性能。本文就統(tǒng)一變槳系統(tǒng)中3個槳葉實時位置的一致性問題進行分析，并提出了加入速度調(diào)節(jié)器的方法，通過MATLAB仿真和實驗來進行驗證[3]。

1 變槳系統(tǒng)性能要求

由于風場所處位置的特殊性，風機工作的環(huán)境十分惡劣。變槳系統(tǒng)長期在高溫或低溫下工作，維護困難，對于其有較高的可靠性要求。為了保證平穩(wěn)控制風機功率，風力機組在正常運行時要求變槳速度達到5°/s～7°/s。在風力機組出現(xiàn)故障需緊急停機時，原則上要求在機械部件允許的應力下，變槳加速度和速度越快越好，在0.8 s內(nèi)從靜止加速到最大速度8°/s～10°/s。為保證功率控制的精度和穩(wěn)定性，位置誤差要求在0.1°以內(nèi)[4－5]。

由于槳葉在不同槳距角受到的力不同，風力機組3個槳距角不同步將造成風輪的不平衡，嚴重時會對風力機組的安全運行造成影響。因此對3個槳葉位置定位精度及運動過程的同步性有一定要求，要求同步誤差小于1.5°。

2 影響同步變槳的因素

由于風速在高度上存在與高度相關(guān)的切變，風速在整個風輪掃掠面內(nèi)是不相同的。風速會隨高度的增加而增加，增加的程度是由風的切變現(xiàn)象決定的。計算風速的高度切變一般用的公式為統(tǒng)計公式。

式中V0距地面H0米觀測到的風速，H0為測的風速V0時所在高度，一般H0的值為10 m，V是高度H的風速，H為風速V時的高度。

統(tǒng)計公式在統(tǒng)計計算上是基本準確的，它的缺點是對地面粗糙度長度因素考慮不夠。考慮地表面粗糙長度z0后，上式變?yōu)橐詫?shù)法表示如下[6]:

此式適用范圍為30 m～50 m高度。H和H0為距零風速平面的高度。

對n取值計算時可按下式:

目前，WM級風機高度一般都在60～90 m左右，與之相對應的槳葉直徑也有30～40多米，風輪的最高與最低點的高度差還是比較大的，不能忽略由于高度差而引起的風速變化。

假定槳葉處于靜止狀態(tài)，令空氣以相同的相對速度吹向葉片，作用在槳葉上的氣動力將不改變其大小。由此可知，氣動力只取決于相對速度和攻角的大小。

由于風機風輪掃掠面內(nèi)風速的不同導致實際運行中的風機葉片在一個掃掠面內(nèi)的尖速比是不同的[7]，按照升力系數(shù)和攻角以及阻力系數(shù)和攻角的關(guān)系可以知道各葉片得到的升力和阻力是不同的，這樣風機在運行中就存在額外的阻力差。尤其是在實際運行中，風機槳葉處于上、下位置時所得到的升力存在明顯的不同，即葉輪運行中存在額外阻力不同，會導致電動變槳過程中電機負載力矩不同。變槳過程中速度不一致，導致3個槳葉的位置出現(xiàn)一定的差值，會影響風機運行的性能。

3 同步方案

為避免三個槳距角不一致造成的對風機運行的不利影響，可以采取以下兩個方案之一加以解決。

方案一

從硬件的角度，功率大的電機設(shè)計時的轉(zhuǎn)動慣量也比較大，對于同一負載轉(zhuǎn)矩來說，提高電機功率可以縮短電機到達要求轉(zhuǎn)速的時間。但是這一方法對于功率的充分利用上來說，有點浪費，功率因數(shù)和效率都不高，且造成電能浪費。而對于輪轂這種較為狹小的安裝空間，此方案受到一定的限制。

方案二

通過加入合適的控制策略加以解決[8]。在速度給定時加入速度調(diào)節(jié)模塊，增加3個槳葉之間的運動一致性。這種控制策略的主要思想是將某一臺電機的速度反饋同其它電機的速度反饋分別作比較，然后將得到的偏差相加作為該電機的速度補償信號，增益用來補償各個電機之間的轉(zhuǎn)動慣量的不同[9－10]。對于軸i的反饋信號為:式中 Δωi為反饋的轉(zhuǎn)速矯正量;ω1，ω2，ω3分別為軸 1，軸2，軸 3的轉(zhuǎn)速值;k1，k2，k3為增益調(diào)節(jié)參數(shù)。

這種控制策略能夠保證同步性的精度要求，并且適合多電機使用，符合同步變槳一致性的要求。

圖1 增加速度調(diào)節(jié)模塊的控制策略

4 仿真驗證

仿真中，采用永磁同步電機三環(huán)控制系統(tǒng)，位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速，SPWVM矢量控制方式。電機額定功率6.6 kW，額定轉(zhuǎn)矩30 N·m，過載轉(zhuǎn)矩90 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min。

考慮到槳葉處于不同位置時，存在不同風阻。槳葉上收到的阻力不同，電機的負載轉(zhuǎn)矩也不同。給定的負載力矩按照正弦量T=45+30sin(wt+?)變化，三個槳葉對應的變槳負載力矩初始角分別設(shè)為 π/6，5π/6，3π/2，周期為 3πs(9.4 s)。給定最大轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，目標位置為90°。

從圖2沒有采用同步控制策略時的3個電機轉(zhuǎn)速曲線中，很明顯可以看出由于負載不同，直接影響到電機從啟到達額定轉(zhuǎn)速的時間，3個軸分別在不同時間達到給定轉(zhuǎn)速，而之前的速度差則會使得3軸的位置產(chǎn)生偏差。

從圖2中的3個軸位置曲線，可以看到由于轉(zhuǎn)速的不同，影響到了位置的一致性。兩軸之間最大位置的差值達到了3°，在這種情況下，槳葉力矩會產(chǎn)生嚴重的偏移，使得桿塔發(fā)生傾斜震蕩，甚至嚴重的會導致風機倒塌。

通過提高電機功率的方法，使得原本達到給定轉(zhuǎn)速較慢的電機能夠更快的達到給定轉(zhuǎn)速，縮短達到給定轉(zhuǎn)速的時間。仿真中，采用的電機改為額定功率9.9 kW，額定轉(zhuǎn)矩41.4 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min。

圖3為大功率情況下仿真轉(zhuǎn)速和位置波形，與原轉(zhuǎn)速波形比較，可以看出對原本較快到達額定轉(zhuǎn)速#3軸而言沒有有任何改變，但是對于轉(zhuǎn)速上升比較緩慢的#2軸有明顯的改善，#2軸到達額定轉(zhuǎn)速的時間也縮短了，使得3軸到達指定位置的時間相當一致。

圖2 原始情況下仿真轉(zhuǎn)速和位置波形

由于轉(zhuǎn)速差的減小，位置差也明顯減小了，說明通過增加電機功率可以解決由于負載變化，引起的槳距一致性問題。速度響應性能和一致性的提高使得位置差可以保持在0.05度之內(nèi)。

圖3 大功率情況下仿真轉(zhuǎn)速和位置波形

圖4 改進情況下仿真轉(zhuǎn)速和位置波形

在速度環(huán)的速度給定輸入前加入速度調(diào)節(jié)模塊，該電機與另兩個電機的轉(zhuǎn)速差分別乘上一個比例系數(shù)的總和作為速度調(diào)節(jié)模塊的輸出，這樣可以減少3個軸之間的速度差，從而達到減小位置差的作用。從圖4中可以看到原本上升速度較快的#3軸轉(zhuǎn)速變化變慢了，而原本上升速度較慢的#2軸轉(zhuǎn)速變化變快了。因為功率的問題限制的原因，無法使得3個軸都跟上#3軸，無法將時間縮短到原來#3軸到達給定位置的時間。

圖5 3軸的轉(zhuǎn)矩變換波形

5 平臺實驗

本實驗平臺由伺服控制和負載運行兩部分組成。主要的設(shè)備組成是永磁同步電機，減速齒輪箱，磁粉制動器，PLC和伺服驅(qū)動器。PLC實現(xiàn)位置環(huán)控制以及狀態(tài)監(jiān)測功能，伺服器實現(xiàn)速度環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，變負載通過磁粉制動器來實現(xiàn)，電機的實際參數(shù)和之前仿真時所用的參數(shù)一致。進行變槳一致性實驗時，所有的參數(shù)和設(shè)置與MATLAB仿真是完全一致。

圖6 (a) 原始情況下實際轉(zhuǎn)速波形

圖6 (b) 原始情況下實際位置波形

圖7 (a) 改進情況下實際轉(zhuǎn)速波形

圖7 (b) 改進情況下實際位置波形

PLC通過電壓輸出來控制電源轉(zhuǎn)換器來為磁粉制動器提供電流輸入，電壓與負載輸出關(guān)系為 T=100×V，電壓輸出如圖5所示。

在未加入速度調(diào)節(jié)模塊前，3個軸的轉(zhuǎn)速和位置有一定的偏差，其曲線如圖6(a)，6(b)所示。從圖6(a)中可以看到3軸到達額定轉(zhuǎn)速的時間不同，最快與最慢的相差了0.3 s左右，也就是這導致了，位置差最大處出現(xiàn)了2.1度的偏差，也就是#2軸達到額定轉(zhuǎn)速的時候，如圖6(b)所示。

加入速度調(diào)節(jié)模塊后，3個軸的轉(zhuǎn)速和位置曲線如圖 7(a)，7(b)所示。3個軸基本可以同時達到額定轉(zhuǎn)速，位置偏差也就消除了。當然整體到達指定位置的時間比原來最快的軸所花的時間要多，這是因為電機功率和伺服控制限制，也是為了確保一致性性能。

6 結(jié)束語

本文針對同步變槳中由于槳葉位置不同而引起的風速不同，即受到的阻力不同，分析槳葉受力情況，根據(jù)同步變槳運行的性能和安全性要求考慮，對同步變槳中槳葉位置不一致的問題進行分析，并提出了從軟件上增加一個速度調(diào)節(jié)模塊，改變轉(zhuǎn)速環(huán)的給定轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)同步的解決方案。相比增加伺服電機功率的硬件解決方案，其不增加設(shè)備體積，成本低。按照實際參數(shù)進行的仿真和試驗，驗證了本文所提出的解決方案的可行性，對于變槳不同步有著明顯的改善。

[1]曹野.兆瓦級風力發(fā)電機組電動變槳距控制策略的研究[M].沈陽:沈陽工業(yè)大學，2010.

[2]張純明.大型風電發(fā)電機組獨立變槳距控制策略研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學，2011.

[3]葉成城，曹云峰，蔡旭.兆瓦級風機電動變槳距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2012，46(8):101－103.

[4]竇真蘭，王晗，凌志斌，等.電動變槳距控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2011，45(7):1－4.

[5]凌志斌，竇真蘭，張秋瓊，等.風力機組電動變槳系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2011，45(8):101－103.

[6]吳永忠，蘇志勇.關(guān)于風力機異步變槳的初步研究[J].應用能源技術(shù)，2007，24(3):39 －41.

[7]竇真蘭，王晗，凌志斌，等.基于葉素理論的風力機模擬系統(tǒng)研究[J].電工電能技術(shù)，2011，30(3):1 －5.

[8]劉坤.多永磁同步電機同步控制策略的研究[M].湖南:中南大學，2011.

[9]楊晨娜，多電機同步控制方式的研究[J].知識經(jīng)濟，2011，13(12):99－100.

[10]王永平.多電機同步控制策略在液體藥品灌裝機中的應用研究[D].湖南:中南大學，2009.