汪海波，田 煒，魯 斌，劉 劍

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

由于全球范圍內(nèi)煤炭、石油等化石能源日漸減少，以及以煤炭為主要能源的電力行業(yè)帶來的環(huán)境污染問題，世界各國都將目光轉(zhuǎn)移到了可再生、清潔能源的研究、開發(fā)和利用上。風(fēng)力發(fā)電是近年來發(fā)展最快、具備大規(guī)模開發(fā)利用的綠色能源之一[1，2]。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正朝著大型化、變槳距和變速恒頻的方向不斷發(fā)展，變速恒頻MW級風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品。

變槳距機(jī)構(gòu)是變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一。變槳距是指借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)，改變安裝在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂上的葉片的槳距角大小，從而改變?nèi)~片的氣動特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，在緊急情況下還可以實現(xiàn)氣動剎車的功能。國外大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尤其是MW級以上的風(fēng)電機(jī)組一般采用電動變槳距控制技術(shù)。我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正處于快速發(fā)展階段，MW級風(fēng)電機(jī)組的電動變槳距控制系統(tǒng)尚處于試驗、改進(jìn)階段。結(jié)合國內(nèi)外MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀，對MW級風(fēng)電機(jī)組的電動變槳距系統(tǒng)進(jìn)行簡要分析。

1 變槳距系統(tǒng)概述

1.1 風(fēng)機(jī)的2種變槳距機(jī)構(gòu)

根據(jù)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力形式不同，大型MW級風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)的驅(qū)動方式主要有液壓和電動2種方式[3]。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)矩大、無需變速機(jī)構(gòu)且技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，Vestas，Gamesa等公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了液壓變槳距技術(shù)[4]。但液壓傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在泄漏、滲油的隱患，且液壓油受溫度影響大，影響液壓的剛度、液壓阻尼比等。近年來，隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)設(shè)計和控制理論等的發(fā)展，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以適應(yīng)能力強(qiáng)、響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、無泄漏、無污染和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，GE Wind，Enercon，Repower，Nordex 等公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是采用了電動變槳技術(shù)[4]。

1.2 風(fēng)機(jī)變槳的工作原理

變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是指通過變槳驅(qū)動裝置，帶動安裝在輪轂上的葉片轉(zhuǎn)動，改變?nèi)~片槳距角的大小，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩。其工作過程為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到運(yùn)行條件時，控制系統(tǒng)命令變槳系統(tǒng)將葉片槳距角調(diào)到一定的角度，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時，再將葉片槳距角調(diào)節(jié)到0°附近，直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)輸出功率小于額定功率，槳距角保持位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)輸出功率超過額定功率，系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整葉片槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全、穩(wěn)定的工作。

2 電動變槳距系統(tǒng)

目前，大型風(fēng)電機(jī)組普遍采用具有獨(dú)立變槳驅(qū)動系統(tǒng)的三槳葉結(jié)構(gòu)[5]。電動變槳距系統(tǒng)由3套獨(dú)立的變槳裝置組成，變槳系統(tǒng)如圖1所示，圖1中只給出一個槳葉的變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其他2個槳葉與此相同。變槳系統(tǒng)由控制器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器、后備電源、制動電阻、減速機(jī)構(gòu)、電機(jī)編碼器、葉片角度編碼器以及限位開關(guān)等部分組成。其中后備電源可以采用鉛酸蓄電池串聯(lián)或超級電容串并聯(lián)來實現(xiàn)。當(dāng)變槳系統(tǒng)收到來自主控變槳命令時，伺服電動機(jī)帶動減速機(jī)構(gòu)的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與槳葉回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)相嚙合，從而帶動回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與葉片一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了改變?nèi)~片槳距角的目的。根據(jù)電機(jī)編碼器與葉片角度編碼器的角度反饋值實現(xiàn)槳距角的閉環(huán)控制，從而完成3個槳葉的定位和同步控制。

圖1 電動變槳系統(tǒng)

目前應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的電動變槳距系統(tǒng)方案主要有直流伺服電機(jī)驅(qū)動與交流伺服電機(jī)驅(qū)動2種方案。采用直流電機(jī)方案時，圖1所示的伺服電機(jī)驅(qū)動器與伺服電機(jī)分別為直流伺服驅(qū)動器和直流伺服電機(jī)；采用交流電機(jī)方案時，伺服電機(jī)驅(qū)動器與伺服電機(jī)分別為交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機(jī)。

2.1 直流電動變槳

電動變槳距系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)方案時，采用的直流伺服電機(jī)主要有串激直流電機(jī)與永磁直流電機(jī)2種。

串激直流電機(jī)的勵磁繞組與定子電樞繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流相同，它的原理如圖2所示。

圖2 串激直流電機(jī)原理圖

其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：K1，K2為系數(shù)；T為輸出扭矩；n為速度。 由式（1）可得：

由式（1，2）可以看出串激電機(jī)定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，在電壓不變的情況下，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。串激直流電機(jī)適合應(yīng)用在大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率大，速度得不到精確的控制[6]。采用直流串激電機(jī)方案的電動變槳系統(tǒng)得到了較為一定的應(yīng)用，其中SSB，MOOG2大公司的電動變槳產(chǎn)品中都有此種方案。

由于電樞和勵磁回路串聯(lián)，2個繞組中電流方向相同，不能用改變電流方向的方法來進(jìn)行電機(jī)制動或反向運(yùn)行。電機(jī)的正向制動或改變電機(jī)運(yùn)行方向，電樞繞組或串勵繞組的極性必須反向?？梢酝ㄟ^在串勵繞組中使用整流橋，改變電樞與勵磁繞組的電流方向，來實現(xiàn)電機(jī)機(jī)械的四象限運(yùn)行。增加整流裝置后的原理如圖3所示，通過電樞繞組或串勵繞組的極性反向改變電機(jī)運(yùn)行方向的原理如下：當(dāng)電源輸入為上正下負(fù)時，電樞、勵磁電流流向分別為IA1-A2，ID1-D2；當(dāng)電源輸入變?yōu)樯县?fù)下正時，電樞、勵磁電流流向分別為IA2-A1，ID1-D2，其中電源端子1，2接直流伺服驅(qū)動器的輸出。

圖3 串激直流電機(jī)原理圖

永磁直流電機(jī)由永磁體代替電勵磁，無換向器和電刷，其數(shù)學(xué)模型簡單。永磁直流電機(jī)的電壓與速度關(guān)系曲線線性度好，電流與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。永磁直流電機(jī)的正反向運(yùn)行只需改變電樞繞組施加電壓的極性。由于定子磁場是恒定的，所以這類電機(jī)對電壓變化的響應(yīng)非?？?。

直流電機(jī)的工作電壓等級相對較低，在電動變槳距系統(tǒng)采用直流電機(jī)的方案中，在出現(xiàn)進(jìn)線主電源掉電和直流伺服驅(qū)動器故障的情況下，可以通過后備電源的接入實現(xiàn)順槳，并通過觸發(fā)限位開關(guān)實現(xiàn)電源的切斷。但是直流電機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量大、維護(hù)難的問題。

2.2 交流電動變槳

隨著電力電子技術(shù)、微處理器、電機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行電動機(jī)的交流伺服系統(tǒng)具有可與直流伺服系統(tǒng)相媲美的性能，并能夠充分發(fā)揮交流電動機(jī)的優(yōu)勢，現(xiàn)代伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制也逐漸朝著交流伺服電機(jī)驅(qū)動控制的方向發(fā)展。電動變槳距系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)方案時，采用的交流伺服電機(jī)主要有感應(yīng)異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)（PMSM）2種。

感應(yīng)異步電動機(jī)制造容易，價格低廉，不需要特殊維護(hù)。但電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子發(fā)熱比較嚴(yán)重，同時轉(zhuǎn)子電阻隨溫度而變化將影響磁場定向的準(zhǔn)確性。PMSM采用永磁體代替普通同步電機(jī)的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)及電刷。PMSM的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機(jī)相同，由三相繞組及鐵芯構(gòu)成。與感應(yīng)電動機(jī)相比，PMSM不需要勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗[6]。以二極式PMSM為例，PMSM的等效結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖如圖4所示。

圖4 永磁同步電機(jī)等效結(jié)構(gòu)圖

在交流電機(jī)的矢量控制中，建立在d-q坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型[7]，其電壓方程：

磁鏈方程：

對于表面式永磁同步電機(jī)，Ld=Lq=L，所以PMSM轉(zhuǎn)矩方程：

機(jī)械運(yùn)動方程：

以上各式中的 ud，uq，id，iq分別為 d-q 軸的電壓和電流；Ld，Lq分別為 d-q軸電感；r為定子電阻；P為電機(jī)的極對數(shù)；ψf為永磁體與定子交鏈的磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)子電角速度。由式（5）可見，在PMSM矢量控制中，只要能很好地控制定子電流的勵磁電流分量id，保持d軸磁鏈ψd幅值恒定，則轉(zhuǎn)矩只受定子電流的轉(zhuǎn)矩電流分量iq控制，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流分量iq成正比。通過這樣的矢量控制，PMSM就能獲得與直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速近似的性能。

常用的交流電機(jī)工作電壓相對較高，在后備電源的選擇上比采用直流電機(jī)方案難度大，可以采用特殊設(shè)計的低壓大電流交流伺服電機(jī)。相比直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、大轉(zhuǎn)矩輸出等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 2種方案比較

（1）和直流伺服電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的持續(xù)增大，對電動變槳距系統(tǒng)的容量提出了更高的要求，采用交流電機(jī)具有一定的優(yōu)勢。（2）和交流伺服系統(tǒng)相比，在伺服電機(jī)驅(qū)動器出現(xiàn)故障時，直流伺服電機(jī)的電樞兩端接入后備電源后可以完成順槳動作，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)3個槳葉的有效順槳。交流伺服驅(qū)動器一旦出現(xiàn)故障，與之相連的交流電機(jī)不能通過接入后備電源的方式完成對槳葉的順槳工作。所以伺服驅(qū)動器故障的情況下，采用直流電機(jī)的方案有一定的優(yōu)勢，但是3套伺服驅(qū)動器同時壞掉的機(jī)率較小，應(yīng)從整體上統(tǒng)一考慮。（3）直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，其電樞電壓與速度、轉(zhuǎn)矩與電流的線性度較好，運(yùn)動控制相對簡單，目前直流伺服驅(qū)動器電路較多的采用H橋式拓?fù)洹＝涣魉欧姍C(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系復(fù)雜，但是通過現(xiàn)代電機(jī)控制理論來驅(qū)動交流伺服電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)比直流伺服系統(tǒng)性能更佳的交流伺服系統(tǒng)。交流伺服驅(qū)動器的電路須采用三相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在具有直流伺服系統(tǒng)眾多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還在價格成本、運(yùn)行穩(wěn)定性、可維護(hù)性等諸多方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。隨著全球風(fēng)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的持續(xù)增大，風(fēng)電機(jī)組對電動變槳距系統(tǒng)的容量、可靠性等方面提出了更高的要求。相比直流伺服系統(tǒng)，電動變槳距系統(tǒng)采用交流伺服系統(tǒng)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

電動變槳系統(tǒng)具有造價低廉、適用性廣、結(jié)構(gòu)簡單和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，為絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)制造商所廣泛采用，電動變槳技術(shù)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳技術(shù)的主流。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，電動變槳距系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)的方案將是一種趨勢。

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