田煒，汪海波，魯斌，劉劍

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院清潔能源發(fā)電研究所，江蘇南京210003）

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)部件中，最關(guān)鍵的部件決定整個(gè)機(jī)組的結(jié)構(gòu)完整性。因?yàn)檫@個(gè)原因，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)葉片槳距角的變槳距機(jī)構(gòu)是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件。槳距角的微小變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)載荷有顯著的影響，從而可以調(diào)節(jié)機(jī)組的功率輸出，而且變槳距機(jī)構(gòu)還可以作為氣動(dòng)剎車使用。通過(guò)改變槳距角，變槳距機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)輪面和葉片迎風(fēng)面之間的風(fēng)輪實(shí)度造成了影響。這一變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)槳距角，從而調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的功率輸出。風(fēng)輪實(shí)度和風(fēng)輪推力和塔架負(fù)載有關(guān)，因此變槳距機(jī)構(gòu)直接影響到整個(gè)機(jī)組的負(fù)載[1]。一個(gè)成功的變槳距控制系統(tǒng)，在于將系統(tǒng)各組成部件，減速器、電動(dòng)機(jī)、電池、線纜和電力電子裝置等進(jìn)行完美的動(dòng)態(tài)匹配，而且能符合當(dāng)前客戶和風(fēng)電市場(chǎng)的需求。Ethernet由于價(jià)格便宜、傳輸速度快及可靠性高已成為商用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要選擇，Ethernet目前也逐漸應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。主要探討應(yīng)用Ethernet POWERLINK于即時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方案，以及實(shí)現(xiàn)一個(gè)以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳距系統(tǒng)。

1 變槳距機(jī)構(gòu)功能

變槳距控制是最常見(jiàn)的控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的方法。變槳距控制也會(huì)對(duì)所有由葉輪產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷產(chǎn)生影響。

在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距控制可以有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收功率及葉輪產(chǎn)生載荷，使其不超出設(shè)計(jì)的限定值。然而，為了達(dá)到良好的調(diào)節(jié)效果，變槳距控制應(yīng)該對(duì)變化的情況做出迅速的響應(yīng)。這種高效的控制動(dòng)作需要變槳距機(jī)構(gòu)具備極高的性能，因?yàn)樗鼤?huì)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生相互影響。

在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角應(yīng)該設(shè)定在能夠吸收最大功率的最優(yōu)值。按照這種原則，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，增加或減小槳距角都會(huì)減小機(jī)組轉(zhuǎn)矩。增大槳距角，即將葉片前緣轉(zhuǎn)向迎風(fēng)方向，通過(guò)減小攻角來(lái)減小機(jī)組轉(zhuǎn)矩，稱作為順槳。減小槳距角，即將葉片前緣轉(zhuǎn)向背風(fēng)側(cè)，通過(guò)增大失速角來(lái)減小轉(zhuǎn)矩，使升力減小，阻力增加，成為主動(dòng)失速變槳。對(duì)于目前主流的MW級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，順槳是更常見(jiàn)的控制策略，只有少數(shù)的定速風(fēng)電機(jī)組，采用主動(dòng)失速變槳的方法[2]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)是容量越來(lái)越大，這也導(dǎo)致葉片的尺寸越來(lái)越大，從而對(duì)葉片強(qiáng)度的要求也更嚴(yán)格。此外，特別是對(duì)于大型風(fēng)輪，在沿著葉片方向不同點(diǎn)的槳距角變化會(huì)帶來(lái)不同的效果，最優(yōu)的調(diào)節(jié)效果很難達(dá)到。

綜合以上，考慮到風(fēng)電機(jī)組的安全和效率，槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)是越來(lái)越重要。

2 以太網(wǎng)POWERLINK介紹

以太網(wǎng)POWERLINK是一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。因?yàn)镻OWERLINK完全遵守IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，所以很多廠商的標(biāo)準(zhǔn)配置工具都可以用來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。使用者只需使用標(biāo)準(zhǔn)組件（例如交換機(jī)）和標(biāo)準(zhǔn)工具（例如Wireshark網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件），就可以在網(wǎng)絡(luò)的任何地方分析和檢查所有的數(shù)據(jù)通信和線路功能。

POWERLINK MAC的尋址依照IEEE 802.3，每個(gè)設(shè)備的地址都是惟一的。

EPL數(shù)據(jù)鏈路層以標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）為基礎(chǔ)，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實(shí)現(xiàn)通信的確定性，于是EPL引入SCNM機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的確定性。

SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時(shí)槽，保證了在同一時(shí)間只有一個(gè)設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)媒介，從而徹底杜絕了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生。SCNM由EPL網(wǎng)絡(luò)中的管理節(jié)點(diǎn)MN來(lái)管理，其他的節(jié)點(diǎn)稱為控制節(jié)點(diǎn)CN。

SCNM規(guī)定在一個(gè)EPL網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)激活的MN，MN配置網(wǎng)絡(luò)中所有可用的節(jié)點(diǎn)。只有MN可以獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)，CN只有在得到MN允許的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。

圖1為以太網(wǎng)POWERLINK的軟件架構(gòu)。

圖1 POWERLINK的軟件架構(gòu)

以太網(wǎng)POWERLINK最小循環(huán)時(shí)間為100μs，能保證0.1ms的系統(tǒng)同步。因此符合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高性能需求，在本文中將探討將其用于電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的可行性。

3 變槳距伺服系統(tǒng)分析

電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的核心部件之一就是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）和感應(yīng)電機(jī)相比有顯著的效率優(yōu)勢(shì)。永磁同步電機(jī)（PMSM）用永磁體取代繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(xiàn)了無(wú)刷運(yùn)行。

在永磁同步電機(jī)中，建立固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)系，取永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線為d軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度的軸線為q軸，同時(shí)垂直于d軸和q軸的軸線為0軸。以A相繞組軸線為參考軸線，d軸與參考軸之間的電角度為θ，坐標(biāo)圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，對(duì)于多級(jí)同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：id，iq為dq軸定子電流；φd、φq為dq軸定子磁鏈；Lq，Ld為dq軸定子電感；φf(shuō)為轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)；p為極對(duì)數(shù)。

在非凸極的永磁同步電動(dòng)機(jī)的特定情況下，絕大部分的自然磁通是在d軸上(ψrd>>ψrq)。

此外，定子電流矢量值為：

對(duì)于給定值is為了優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的輸出力矩，最合適的策略是將id設(shè)置為0，于是定子電流合成矢量與q軸電流相等，只要能夠檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置（d軸），使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上。

此時(shí)力矩可表示為：

因此通過(guò)分別控制id、iq則可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)力矩、速度和位置的有效控制。圖3為本文電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的控制示意圖。

圖3 伺服控制示意圖

本系統(tǒng)采用三環(huán)（位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)）PID控制策略。電流環(huán)和速度環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為系統(tǒng)的外環(huán)，電流環(huán)滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度，速度環(huán)的作用增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)，而位置環(huán)則保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤能力，本系統(tǒng)采用此架構(gòu)保證了該伺服系統(tǒng)具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、寬調(diào)速范圍和良好的魯棒性[4，5]。

4 變槳距系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖4為基于以太網(wǎng)POWERLINK的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。在EPL網(wǎng)絡(luò)中，CPU為管理節(jié)點(diǎn)，而3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器為被控節(jié)點(diǎn)。

變槳距控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和安裝在機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)按照當(dāng)前的風(fēng)速、發(fā)電機(jī)速度、功率等給變槳距控制器發(fā)送變槳控制命令。變槳距控制器按照該命令通過(guò)以太網(wǎng)POWERLINK給3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器下達(dá)控制指令，從而驅(qū)動(dòng)3個(gè)電動(dòng)機(jī)。

圖4顯示了3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器作為小型集線器，形成的以太網(wǎng)POWERLINK的樹(shù)形拓?fù)洹?/p>

此外，變槳距控制器還將變槳距系統(tǒng)的動(dòng)作情況反饋給風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。

圖4 變槳距控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

本文所述的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)，每個(gè)葉片都具有獨(dú)立的槳距驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、齒輪箱等。電機(jī)通過(guò)行星齒輪箱驅(qū)動(dòng)的小齒輪與變槳距軸承內(nèi)環(huán)的輪齒嚙合，葉片螺接在軸承內(nèi)環(huán)上。每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都有獨(dú)立的后備電源，在機(jī)組脫網(wǎng)時(shí)提供后備電源以確保葉片能夠及時(shí)順槳。

本系統(tǒng)采用三相永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)嵌參數(shù)芯片解碼器，所有和電機(jī)相關(guān)的機(jī)械和電氣信息都存儲(chǔ)在該芯片中，只要將電動(dòng)機(jī)和伺服控制器連接起來(lái)，上電后，伺服控制器會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，自動(dòng)配置控制參數(shù)。如果電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障需要更換，只要選擇同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)，在伺服驅(qū)動(dòng)器方面，不需要另外進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

5 變槳距系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)的輸入輸出控制過(guò)程是通過(guò)槳距角控制器執(zhí)行正常的控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)變槳調(diào)節(jié)，并輔以高性能的后備電源。

本系統(tǒng)軟件架構(gòu)和核心是一個(gè)具有特定功能的變槳系統(tǒng)軟件庫(kù)（EStop），除了完成運(yùn)動(dòng)控制功能外，還負(fù)責(zé)以太網(wǎng)POWERLINK的監(jiān)測(cè)、電動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測(cè)和直流母線電壓監(jiān)測(cè)。如果檢測(cè)到以太網(wǎng)POWERLINK故障，則根據(jù)預(yù)置的參數(shù)（位置、速度、加速度、減速度）驅(qū)動(dòng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)將葉片順槳。直流母線電壓值和當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的溫度值可通過(guò)軟件功能塊進(jìn)行讀取，槳距角控制器可根據(jù)當(dāng)前值進(jìn)行判斷分析，決定后續(xù)的控制過(guò)程。

該軟件庫(kù)具有一個(gè)單獨(dú)外部觸發(fā)接口，如果主程序檢測(cè)到其他故障，也可通過(guò)該接口觸發(fā)該軟件庫(kù)的順槳功能。此外，當(dāng)故障（軟件故障或軸單元故障）消除后，也可通過(guò)復(fù)位指令重新激活該功能塊。對(duì)于大型葉片來(lái)說(shuō)，葉輪之間的不對(duì)稱載荷更為明顯，這對(duì)疲勞載荷的產(chǎn)生有很重要的影響作用，原則上根據(jù)每個(gè)葉片的具體情況通過(guò)獨(dú)立變槳控制有可能減弱這些影響[6，7]。

本文論述的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳距功能（IPC），EStop軟件庫(kù)可以同時(shí)接受三組不同控制指令，分別對(duì)3個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，控制指令為目標(biāo)位置、速度、加速度、減速度。圖5為該電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的控制程序示意圖。

圖5 變槳控制程序示意圖

6 地面拖動(dòng)測(cè)試

由于變槳距系統(tǒng)工作于高于地面幾十米之上的風(fēng)力機(jī)輪轂之內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試較為困難。因此控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能及其可靠性必須在風(fēng)機(jī)安裝之前完成絕大部分的試驗(yàn)，為此建設(shè)了基于模擬負(fù)載的全功率測(cè)試臺(tái)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

為更真實(shí)模擬風(fēng)力擾動(dòng)時(shí)的槳葉載荷變化對(duì)變槳距系統(tǒng)的影響，構(gòu)建了如圖6所示的變槳距測(cè)試平臺(tái)，采用與變槳電機(jī)（M1）同軸對(duì)接的三相永磁同步電機(jī)（M2）作為的負(fù)載電機(jī)。變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與速度響應(yīng)如圖7所示。圖7是模擬變槳距系統(tǒng)在槳葉節(jié)距角變化即變槳電機(jī)按接收到的指令運(yùn)動(dòng)時(shí)，槳葉負(fù)荷突變的情況下變槳電機(jī)的輸出響應(yīng)。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，電動(dòng)變槳距系統(tǒng)在變槳葉節(jié)距角的過(guò)程中，變槳電機(jī)對(duì)外部載荷發(fā)生變化時(shí)能有效、快速地做出響應(yīng)，并可靠地保持或運(yùn)動(dòng)到指定的位置。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)，并能支持獨(dú)立變槳距控制技術(shù)。通過(guò)以太網(wǎng)POWERLINK，3臺(tái)電機(jī)可以獨(dú)立地接受槳距控制器的控制指令，連續(xù)地在順槳位置和工作位置之間安全穩(wěn)定地運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上搭建了基于模擬負(fù)載的全功率變槳距系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，該電動(dòng)變槳距系統(tǒng)在槳葉載荷變化時(shí)即風(fēng)速擾動(dòng)情況下，響應(yīng)快、精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，是一款性能優(yōu)越的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)。

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