閻卓,凌志斌,蔡旭

(上海交通大學 風力發(fā)電研究中心,上海 200240)

在兆瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)中,變槳控制系統(tǒng)的安全、可靠與否,直接影響著整個風機的發(fā)電效率,發(fā)電質(zhì)量和可利用率,變槳控制系統(tǒng)在整個風機中的地位舉足輕重[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。

兆瓦級風力發(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、時變、非線性的特點,同時整個變槳伺服控制系統(tǒng)還必須具有較低的靜態(tài)誤差,良好的動態(tài)特性,所有這些對變槳控制系統(tǒng)中的伺服電機和伺服控制器提出很高的要求[2]。本文設(shè)計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

風機的變槳系統(tǒng)一般位于空間狹小的輪轂內(nèi),設(shè)計時元器件的數(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)動系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)[3]。根據(jù)這3個部分連接關(guān)系和位置的不同,整個系統(tǒng)有好幾種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。本文設(shè)計的電伺服變槳系統(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,主電源和風機主控制器位于機艙內(nèi),變槳控制器、3套后備電源和3個伺服驅(qū)動器位于輪轂內(nèi)。主電源線以及機艙和輪轂之間的通訊線通過電滑環(huán)連接。上述結(jié)構(gòu)的顯著特點是,由于后備電源位于輪轂內(nèi),且每個伺服驅(qū)動器都有各自的后備電源,當電網(wǎng)發(fā)生掉電故障時,即使某一套后備電源也同時出現(xiàn)故障,其他2套后備電源也可以保證對應的2片槳葉到達安全順槳的位置,從而保證風機系統(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)計與實現(xiàn)

2.1 變槳伺服電機的選型

在MW級的風力發(fā)電系統(tǒng)中,槳葉長度可達30多m,塔高可達百m,正常工作下槳葉的運行速度需要達到3～5(°)/s,故障緊急順槳情況下變槳速度要求達到10(°)/s。變槳系統(tǒng)的變槳力矩要求很大,達到50kN?m以上。由于相對槳葉的速度和轉(zhuǎn)矩指標來講,電機具有低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的特點,因此必須選配減速機以增加轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)和槳葉旋轉(zhuǎn)之間的匹配。

變槳電機需要在輪轂中長期運行,這就要求變槳電機具有體積小、重量輕,維護和保養(yǎng)簡單等優(yōu)點,而且具有較高的動態(tài)響應速度和控制精度。在伺服控制系統(tǒng)中,永磁同步電機的結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)熱小,轉(zhuǎn)動慣量小,能量密度大,容易實現(xiàn)高速制動,適應于高速大力矩工作狀態(tài),而且對環(huán)境依賴性小,特別適用于風力發(fā)電這種惡劣復雜的環(huán)境系統(tǒng)中[4]。因此,本設(shè)計采用永磁同步電機作為變槳系統(tǒng)中的驅(qū)動電機。

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

為了使風能得到充分的利用,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,槳葉所受的轉(zhuǎn)矩為30 N?m,此即為電機長期工作的額定轉(zhuǎn)矩。在槳距角為40°時,電機的輸出轉(zhuǎn)矩達到最大為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),要求所選伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩需要達到125 N?m。

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

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

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

在AC 400 V供電下,該電機速度轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3所示。

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

由圖3可知,電機在額定轉(zhuǎn)矩下可以達到3 000 r/min,換算到槳葉側(cè)為 10(°)/s。在電機最大轉(zhuǎn)矩187 N?m時可以達到2 071 r/min,在槳葉轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)矩 92 N?m點時電機轉(zhuǎn)速可達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)計要求。

2.2 伺服驅(qū)動器的選型

電伺服變槳控制系統(tǒng)的控制對象是3臺永磁同步電機,每臺永磁同步電機由1臺伺服驅(qū)動器來驅(qū)動。

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

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

出于對安全性的特別考慮,伺服驅(qū)動器提供2個編碼器接口,可以分別接電機D端和輪轂,運行時2個測量的角度相互校驗以實現(xiàn)設(shè)計上的冗余。

對于風機而言伺服驅(qū)動器除了必須具有較快的響應速度,較高的控制精度外,還要求3套伺服驅(qū)動器之間的一致性好,保證3個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)計采用一個PLC來對3臺伺服驅(qū)動器實行統(tǒng)一管理,PLC通過PowerLink現(xiàn)場總線與3臺伺服驅(qū)動器進行連接。

考慮到3個電機的一致性要求,驅(qū)動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)動器硬件連接圖Fig.5 Electric servo drive hardware connection

圖5中,一個驅(qū)動器通過以太網(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驅(qū)動器并與之實時通訊消除位置差,從而達到電機位置一致性要求。

2.3 備用電源系統(tǒng)

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

考慮到安裝位置與輪轂一起轉(zhuǎn)動,所以對儲能元件有特殊的要求:可倒置;旋轉(zhuǎn)時無漏液;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:鉛酸蓄電池和超級電容。免維護鉛酸蓄電池能夠滿足本系統(tǒng)的要求,相比于超級電容,其成本低得多。所以本設(shè)計中采用免維護的閥控式鉛酸電池作為儲能元件。

備用電源與伺服驅(qū)動器的連接方式如圖4虛線框所示,蓄電池經(jīng)空氣開關(guān)、二極管連接至驅(qū)動器直流側(cè),再由逆變器接至電機。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時需考慮直流供電下伺服電機特性。本系統(tǒng)所選伺服電機在兩相AC 220 V供電,即驅(qū)動器直流側(cè)DC 325 V供電時的速度轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6所示。

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

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

系統(tǒng)在由備用電源供電時順槳一次需要60 s。考慮系統(tǒng)的安全性,備用電源的容量設(shè)計需要完成3次順槳動作。按電機最大功率計算消耗總能量為

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到312 V,可以滿足系統(tǒng)備用電源電壓等級的要求。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

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個變槳驅(qū)動器,同時檢測驅(qū)動器反饋信息,流程圖如圖7所示。

圖7 正常運行模式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)動器,使槳葉到達順槳位置后急停,流程圖如圖8a所示。調(diào)試模式下,調(diào)試人員分別調(diào)試各個槳葉,目的是校準各槳葉根部的編碼器和電機轉(zhuǎn)子側(cè)編碼器,以保證3個槳葉同時轉(zhuǎn)動相同的角度,偏差最小,流程圖如圖8b所示。

圖8 流程圖Fig.8 Flow diag ram

4 實驗結(jié)果與分析

本系統(tǒng)采用某公司的軟硬件設(shè)備搭建實驗平臺。應用此公司的自動化產(chǎn)品編程軟件Automation Studio進行驗證。

跟蹤單獨槳葉位置、速度隨時間的波形,見圖9。由圖9可見,0°～ 90°緊急順槳時,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、速度隨時間波形Fig.9 Single-blade position,velocity-time waves

對3個槳葉同時下達順槳命令后,跟蹤3個槳葉位置隨時間的波形如圖10所示。

圖10 3個槳葉位置隨時間波形Fig.10 3 blade position-time waves

如圖10所示,下達順槳命令后,3個槳葉同時在10 s后完成順槳,可以達到良好的一致性。

5 結(jié)論

在風力發(fā)電系統(tǒng)中,變槳控制系統(tǒng)是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接決定著整個風力發(fā)電系統(tǒng)的能否正常可靠運行,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。本文對2 MW級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)各部分都符合整個系統(tǒng)設(shè)計的要求,對運行環(huán)境的耐受能力強。實驗證明,本系統(tǒng)具有較高的響應速度和控制精度,可在極短的時間內(nèi)完成變槳動作,且可靠安全,完全滿足兆瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)對于槳葉控制的要求。本系統(tǒng)擁有光明的應用前景。

[1]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

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

[3]孟學勇.MW級風力發(fā)電機系統(tǒng)單機電機控制技術(shù)研究——中心控制器和軟并網(wǎng)系統(tǒng)[D].南京:南京航空航天大學,2004.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[5]Bossanyi E A.Adaptive Pitch Control for a 250 kW Wind T urbine[C]∥Proc British Wind Energy Conference,1986:85-92.