兆瓦級風力發電電伺服獨立變槳控制系統的設計

閻卓,凌志斌,蔡旭

(上海交通大學 風力發電研究中心,上海 200240)

在兆瓦級風力發電系統中,變槳控制系統的安全、可靠與否,直接影響著整個風機的發電效率,發電質量和可利用率,變槳控制系統在整個風機中的地位舉足輕重[1]。與液壓式變槳控制系統相比,電伺服控制系統結構簡單、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。

兆瓦級風力發電變槳控制系統中的槳葉長度長,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載荷具有大轉矩、時變、非線性的特點,同時整個變槳伺服控制系統還必須具有較低的靜態誤差,良好的動態特性,所有這些對變槳控制系統中的伺服電機和伺服控制器提出很高的要求[2]。本文設計的電伺服變槳控制系統可以滿足上述要求。

1 控制系統的結構設計

風機的變槳系統一般位于空間狹小的輪轂內,設計時元器件的數量和體積均受到限制,只有選擇最優的系統結構,合理的走線布局,才能在保證功能的前提下,使得系統可靠性高、可維護性高、故障率低。

電伺服變槳系統由3部分組成:變槳控制器、伺服驅動系統、備用電源系統[3]。根據這3個部分連接關系和位置的不同,整個系統有好幾種不同的系統結構形式。本文設計的電伺服變槳系統采用一種輪轂內置多套后備電源的結構,其系統結構如圖1所示。

圖1中,主電源和風機主控制器位于機艙內,變槳控制器、3套后備電源和3個伺服驅動器位于輪轂內。主電源線以及機艙和輪轂之間的通訊線通過電滑環連接。上述結構的顯著特點是,由于后備電源位于輪轂內,且每個伺服驅動器都有各自的后備電源,當電網發生掉電故障時,即使某一套后備電源也同時出現故障,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,從而保證風機系統的安全。

圖1 系統結構圖Fig.1 The topological structure of the system

2 控制系統的設計與實現

2.1 變槳伺服電機的選型

在MW級的風力發電系統中,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矩指標來講,電機具有低轉矩、高轉速的特點,因此必須選配減速機以增加轉矩和降低轉速來實現電機旋轉和槳葉旋轉之間的匹配。

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,維護和保養簡單等優點,而且具有較高的動態響應速度和控制精度。在伺服控制系統中,永磁同步電機的結構簡單,發熱小,轉動慣量小,能量密度大,容易實現高速制動,適應于高速大力矩工作狀態,而且對環境依賴性小,特別適用于風力發電這種惡劣復雜的環境系統中[4]。因此,本設計采用永磁同步電機作為變槳系統中的驅動電機。

以某MW風力發電系統為例,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,槳葉所受的轉矩為30 N?m,此即為電機長期工作的額定轉矩。在槳距角為40°時,電機的輸出轉矩達到最大為92 N?m。

圖2 槳葉槳距角 轉矩關系示意圖Fig.2 Pitch angle-torque relation

由上述分析可知,伺服電機的額定轉矩為30 N?m,最大轉矩為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矩需要達到125 N?m。

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

根據電機轉矩、功率和角速度關系式可估算電機的額定功率為

本設計中選用額定速度nN=3 000 r/min,額定轉矩TN=30 N?m,最大轉矩Tm=187 N?m的永磁同步電機作為本系統的變槳驅動電機。

在AC 400 V供電下,該電機速度轉矩特性曲線如圖3所示。

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

由圖3可知,電機在額定轉矩下可以達到3 000 r/min,換算到槳葉側為 10(°)/s。在電機最大轉矩187 N?m時可以達到2 071 r/min,在槳葉轉至最大轉矩 92 N?m點時電機轉速可達3 200 r/min,換算到槳葉側為 10.6(°)/s,因此完全符合本系統的設計要求。

2.2 伺服驅動器的選型

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

本文伺服驅動器的設計容量以20 kW考慮,為電機額定功率的2倍。伺服驅動器的硬件結構如圖4所示,其輸入電壓按照三相400 V設計。

圖4 電伺服驅動器硬件結構圖Fig.4 Electric servo drive hardware structure

出于對安全性的特別考慮,伺服驅動器提供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設計上的冗余。

對于風機而言伺服驅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,才能保證系統的安全[5]。為此,本設計采用一個PLC來對3臺伺服驅動器實行統一管理,PLC通過PowerLink現場總線與3臺伺服驅動器進行連接。

考慮到3個電機的一致性要求,驅動器相連方式比較特殊,其硬件連接如圖5所示。

圖5 電伺服驅動器硬件連接圖Fig.5 Electric servo drive hardware connection

圖5中,一個驅動器通過以太網接口與變槳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

備用電源系統在整個系統發生供電故障時為伺服系統供電,使其能夠安全順槳停機。

考慮到安裝位置與輪轂一起轉動,所以對儲能元件有特殊的要求:可倒置;旋轉時無漏液;具有循環充放電功能,在低溫下需要保持良好的充放電功能。基于以上要求有兩種方案可供參考: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的要求,相比于超級電容,其成本低得多。所以本設計中采用免維護的閥控式鉛酸電池作為儲能元件。

備用電源與伺服驅動器的連接方式如圖4虛線框所示,蓄電池經空氣開關、二極管連接至驅動器直流側,再由逆變器接至電機。正常狀態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。本系統所選伺服電機在兩相AC 220 V供電,即驅動器直流側DC 325 V供電時的速度轉矩特性曲線如圖6所示。

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

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

系統在由備用電源供電時順槳一次需要60 s。考慮系統的安全性,備用電源的容量設計需要完成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節單體串聯構成的備用電源端電壓達到312 V,可以滿足系統備用電源電壓等級的要求。根據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 控制系統的軟件設計

變槳控制系統的工作模式有3種:正常工作模式、故障模式、調試模式。正常工作模式下,變槳控制器發送槳距角位置命令給3個變槳驅動器,同時檢測驅動器反饋信息,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,變槳控制器發出順槳指令給伺服驅動器,使槳葉到達順槳位置后急停,流程圖如圖8a所示。調試模式下,調試人員分別調試各個槳葉,目的是校準各槳葉根部的編碼器和電機轉子側編碼器,以保證3個槳葉同時轉動相同的角度,偏差最小,流程圖如圖8b所示。

圖8 流程圖Fig.8 Flow diag ram

4 實驗結果與分析

本系統采用某公司的軟硬件設備搭建實驗平臺。應用此公司的自動化產品編程軟件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,槳葉旋轉速度可在0.7 s內由 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 結論

在風力發電系統中,變槳控制系統是一個關鍵環節,直接決定著整個風力發電系統的能否正常可靠運行,電伺服變槳控制系統以其結構簡單、性能優異以及較高的可靠性,逐漸取代傳統的液壓式變槳控制系統成為研究的熱點。本文對2 MW級電伺服變槳控制系統提出的輪轂內置多套后備電源的設計方案,結構緊湊,可靠性、安全性高,系統各部分都符合整個系統設計的要求,對運行環境的耐受能力強。實驗證明,本系統具有較高的響應速度和控制精度,可在極短的時間內完成變槳動作,且可靠安全,完全滿足兆瓦級風力發電系統對于槳葉控制的要求。本系統擁有光明的應用前景。

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

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

[3]孟學勇.MW級風力發電機系統單機電機控制技術研究——中心控制器和軟并網系統[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[M].第3版.北京:機械工業出版社,2005.

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