風力發電機組變槳距系統研究

摘 要：在國內外研究基礎上分析了電動變槳距系統的結構，從機械和伺服驅動兩部分分別研究了風力發電機組的電動變槳距系統，沒計了以三相永磁同步電機為伺服電機的電動變槳距系統。

關鍵詞：電動變槳距：伺服控制；三相永磁同步電機

中圖分類號：N1文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）07-0367-02

1 電動變槳距系統概述

變槳距機構就是在額定風速附近(以上)，依據風速的變化隨時調節槳距角，控制吸收的機械能，一方面保證獲取最大的能量(與額定功率對應)，同時減少風力對風力機的沖擊。在并網過程中，變槳距控制還可實現快速無沖擊并網。變槳距控制系統與變速恒頻技術相配合，最終提高了整個風力發電系統的發電效率和電能質量。

電動變槳距系統就是可以允許三個槳葉獨立實現變槳，它提供給風力發電機組功率輸出和足夠的剎車制動能力。這樣可以避免過載對風機的破壞。

圖1和圖2分別是電動變槳距系統的布局圖和電動變槳距系統的概念設計圖。三套蓄電池和軸控制盒以及伺服電機和減速機放置于輪轂處，每支槳葉一套，一個總電氣開關盒放置在輪轂和機艙連接處，整個系統的通訊總線和電纜靠滑環與機艙的主控制器連接。 

圖3為電動變槳距系統的構成框圖，主控制器與輪轂內的軸控制盒通過現場總線通訊，達到控制三個獨立的變槳距裝置的目的。主控制器根據風速，發電機功率和轉速等，把命令值發送到電動變槳距控制系統，并且電動變槳距系統把實際值和運行狀況反饋到主控制器。

電動變槳距系統必須滿足能夠快速響應主控制的命令，有獨立工作的變槳距系統，高性能的同步機制，安全可靠等的要求。下面就分別從機械和伺服驅動兩個部分介紹一下電動變槳距系統。

2 機械部分

不同于液壓驅動變槳距系統，電動變槳距系統采用三個槳葉分別帶有獨立的電驅動變槳距系統，機械部分包括回轉支承，減速機和傳動等。減速機固定在輪轂上，回轉支承的內環安裝在葉片上，葉片軸承的外環固定在輪轂上。當電驅動變槳距系統上電后，電動機帶動減速機的輸出軸小齒輪旋轉，而且小齒輪與回轉支承的內環嚙合，從而帶動回轉支承的內環與葉片一起旋轉，實現了改變槳距角的目的。圖4就是機械傳動示意圖。

圖4 機械傳動示意圖

制動裝置的特點是空氣動力學制動剎車單獨由變槳距控制，槳葉獲得充分的剎車作用。即使一個槳葉剎車制動失敗， 其它二個葉片也可以安全結束剎車的過程，提高了整個系統的安全性。制動系統還裝備了備用電源，提供給故障或者維修時候可以快速準確地收回槳葉。

3 伺服驅動部分



矢量控制技術解決了交流電動機在伺服驅動中的動態控制問題，使交流伺服驅動系統的性能可與直流系統相媲美，在某些情況下，甚至超過了直流系統的性能。特別在20KW以下的功率范圍內，精度有特殊要求的情況下，交流越來越要取代直流。在這種情況下，感應電動機，無刷直流電動機和三相永磁同步電動機各有特色。

3.1 三種伺服電動機的比較

我們都知道，交流伺服驅動系統由以下三個部分組成：伺服電動機，驅動裝置，控制系統。下面就從成本，功率密度，轉矩/慣量，速度范圍，轉矩/電流，損耗，制動，轉子位置傳感器這幾個方面進行比較。

以上就是對三種伺服電動機的比較，基于風力發電機組電動變槳距系統的特點和安全要求，綜合三種伺服電動機的特點考慮，擬采用三相永磁同步電動機作為電動變槳距系統的伺服電動機。

3.2 電動變槳距伺服系統

雖然三相永磁同步電動機在一些方面不盡如人意，但是它的電機結構簡單，維護方便，只有定子線圈發熱，容易實現高速，較容易實現快速制動。特別對于風機而言，周圍環境惡劣復雜，這樣特別適用于三相永磁同步電動機。

三相永磁同步電動機交流伺服系統大致有四部分組成：三相永磁同步電動機，速度和位置傳感器，變頻器，控制器。

三相永磁同步電動機主要由轉子和定子組成，在轉子上裝有特殊材料形狀的永磁體，用以產生恒定磁場，沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組，接可控的變頻電源。

對于三相永磁同步電動機來說，實際上，檢測電動機的轉子旋轉速度，磁極位置和系統的定位控制三個功能要采用絕對式光電編碼器。

逆變器輸出頻率可調的交流電，輸入到電樞繞組中。PWM回路以一定的頻率產生出觸發功率器件的控制信號，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協調關系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持嚴格正弦性。另外，電動變槳距的三個伺服驅動器必須在其內部實現精確的同步功能，要求之間的通訊必然要達到系統的整體精度要求。

在控制回路中一共有三個控制環：位置環，速度環，轉矩環。一般情況下，位置環采用比例控制規律，速度環采用比例積分控制規律，轉矩環采用空間矢量控制。

當然，位置控制主要是達到精確的位置控制，速度環要實現快速的跟蹤，電流環實現快速的動態響應。在電動變槳距伺服控制中，主控制器給出位置命令值，與位置反饋進行比較，位置調節器的輸出就是速度調節器的輸入，進行比例積分，速度調節器輸出轉矩命令值，與反饋值比較后，差值送到轉矩調節器中，輸出就是轉矩電流給定值，并且把電流指令矢量控制在與磁極所產生的磁通相正交的空間位置上，達到轉矩控制。

在圖5中，定子電流檢測值iA，iB，iC，經過ABC軸系到dq旋轉軸系得適量變換后，得到檢測值iq和id。

是永磁體基波勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈，對于三相永磁同步電動機是恒定值，通過面裝式PWSM的電磁轉矩公式 可以得到轉矩反饋值。Pn是極對數。

當電動機速度超過基值時，要進行弱磁控制，需要加入id，所以id*要根據弱磁運行的具體情況而確定。

由iq*和id*和轉子位置，通過dq旋轉軸到ABC軸系的變換，得到三相定子電流命令值。由任意轉速ω旋轉兩相坐標系d、q到相靜止坐標系ABC的變換陣。

4 結論

本文對電動變槳距的結構和特點進行了介紹，著重對伺服驅動控制部分進行了設計和分析，可以作為工程設計的初步參考，在具體的伺服控制部分的研究工作需要進一步深入。

參考文獻

［1］E. A. Bossanyi. Adaptive pitch control for a 250kW Wind Turbine， Proc. British Wind Energy Conference.1986，pp.85-92.

［2］Iqbal， M. T. Coonick， A. and Ereris， L. L. Dynamic control options for variable speed wind turbines. Wind Engineering. 1994， 18 (1)， pp.1-12.

［3］Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control. PhD thesis. Technical University of Denmark．1997.