電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺設計

嚴剛峰，嚴秀華，徐寧璟

（1.成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106；2.陜西飛機工業（集團）有限公司，陜西 漢中 723213）

1 電動變槳距控制系統測試需求

風力發電是當前新能源開發利用較為成熟的技術［1］。為了提高風力發電的效率和質量，變速恒頻發電技術于20世紀90年代開始興起，目前已成為風力發電的主流技術。變槳技術與變頻變流技術是變速恒頻發電的兩大關鍵技術［2－4］，其中變槳技術對提高風力發電效率、發電質量以及發電機組的安全運行起著十分重要的作用。因此，變槳距控制系統的性能是決定風力發電系統正常運行的關鍵因素。

與液壓式變槳控制系統相比，電動變槳距控制系統具有結構簡單、體積較小、響應速度更快、控制精度較高［5－8］的特點，且不存在液壓式變槳系統普遍存在的液壓油和濾清器更換維護困難、漏油、卡塞等問題，因而具有更高的可靠性［9－10］。

在風力發電系統中，槳葉的長度長、槳葉面積大、所處風場的風速變化多，變槳控制系統具有非線性、時變等復雜系統的特點［11］。然而，變槳控制系統又要具有較低的靜態誤差和良好的動態特性，才能滿足在實際風場的運行要求。因此，無論是高可靠電動變槳距控制系統的研發，還是相關產品的交驗，都需要一個調試與測試裝置。電動變槳距控制系統只有在經過測試并滿足使用要求后，才能與風力機聯機，在實際風場環境中聯合調試，確定控制參數后再投入使用。

構建一個電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺，對于低成本實現系統功能調試、控制方案研究具有十分重要的意義。筆者結合新能源項目，提出一種電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺的設計方案。

2 半實物控制系統仿真測試平臺的功能

風力發電要求電動變槳距控制系統能按風電主控制系統的變槳、順槳指令，快速執行三槳葉同步變槳或順槳。作用在變槳和順槳電動機軸上的負載力矩主要由氣動力矩、重力矩、摩擦阻力矩等靜阻力矩和動阻力矩組成。氣動力矩是由風作用到槳葉上的氣動力的壓力中心偏離槳葉變距軸而產生的力矩；重力矩是由于槳葉重心偏離槳葉變距軸而產生的力矩；動阻力矩是由于槳葉相對于變距軸的慣性動量與傳動鏈的轉動慣量在變槳角速度變化時所產生的力矩。由于槳葉在氣動力、離心力等外力作用下會發生彈性形變，引起氣動力的壓力中心、重心相對于槳葉變距軸的位置也發生變化，故槳葉在風力作用下轉動時，變槳距負載力矩與風況有關。因為風場是隨機變化的，所以電動變槳距的控制策略尤為重要。在設計槳距控制的調節算法時，應兼顧風機功率的良好調節和避免變槳距機構的頻繁動作，并要滿足三槳葉同步變槳或順槳要求；在設計變槳、順槳速度控制的調節算法時，應在滿足變槳響應時間的同時，避免功率元件與電動機過流、過熱和變槳距機構的振動與沖擊現象的發生，確保變槳系統的安全。

電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺能夠承擔的研究與測試內容包括：

（1）變槳距控制策略研究，主要包括變槳距控制系統結構設計技術，角位移與伺服電動機之電樞電流的檢測及其模／數轉換設計技術，槳距角調節環、變槳速度調節環、電動機電樞電流調節環的調節算法設計；

（2）可靠性、可維護性與安全性技術研究，包括軟件的安全性、可維護性以及可靠性設計技術；

（3）對變槳控制系統產品的運行狀態進行采樣記錄、故障診斷研究；

（4）電磁兼容性與抗雷電沖擊等技術研究；

（5）變槳距半實物控制系統仿真測試技術研究，主要包括風速模型、槳葉氣動力模型、變槳負載仿真模型擬合等；

（6）對10MW以下的風力機變槳控制系統的負載進行模擬與仿真；

（7）對4～10kW直流／交流異步、交流同步伺服電動機的電動變漿控制系統產品在加載情況下的伺服電動機的轉角、輸出轉矩、變槳速度、加速度進行測試，對變槳、順槳以及產品的電源適應性等功能進行測試。

3 仿真測試平臺的設計方案

電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺的設計框圖如圖1所示。它主要由負載模擬裝置（由輸出力矩可設置的交流感應電動機和轉速測試設備構成）、仿真系統和被測試的變槳距控制系統構成。

圖1 電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺的結構圖

3.1 被測試的變槳距控制系統

該控制系統包括主控箱的變槳控制器、軸控箱的伺服驅動器、伺服電動機等。結合現有的電動變槳距控制系統產品結構，采用圖2所示的原理圖進行設計。

系統由槳距角β調節環、變槳距速度ω調節環、槳葉電動機電樞電流i調節環構成。槳距角β調節環的調節控制由主控箱的槳距角調節控制回路完成，而變槳距速度ω調節環與槳葉電動機電樞電流i調節環的調節控制可由軸控箱的伺服驅動器完成。在設計槳距角β調節環的調節算法時，應兼顧風機功率的良好調節并避免變槳距機構的頻繁動作，因頻繁動作容易造成不必要的系統機械疲勞，降低使用壽命。此外，要保證三槳葉同步變槳距，以避免因三槳葉受風力不平衡而使風塔擺動而頻繁停機。而在設計槳葉電動機電樞電流i調節環的調節器算法時，在滿足變槳響應速度的同時，避免功率元件與電動機過流和過熱、變槳距機構的振動與沖擊等現象發生，確保變槳系統的安全性。

圖2 變槳距控制系統的原理圖

3.2 負載模擬裝置（槳葉電動機輸出力矩、轉速測試）

主要由慣性負載調節裝置、力矩／轉速傳感器、輸出力矩可調的交流感應電動機、變頻器及其控制系統構成。交流感應電動機的輸出力矩即為加載到槳葉電動機的負載力矩。

槳葉伺服電動機軸上的負載力矩包括靜阻力矩和動阻力矩。在圖1中，靜阻力矩由交流感應電動機的電磁轉矩模擬，而動阻力矩由慣性負載調節裝置（應包括交流感應電動機轉子的慣量）模擬。

3.3 仿真系統

（1）變槳距指令形成軟件。可根據調試、測試或變槳距負載仿真軟件的需要形成槳距角β與變槳角速度ω，并送到變槳距控制器，由變槳距伺服系統執行。

（2）傳動系數調節裝置及其軟件。用來模擬齒圈角位移傳感器。

（3）變槳負載仿真軟件。作用在槳葉伺服電動機軸上的負載力矩主要由氣動力矩、重力矩、摩擦阻力矩等靜阻力矩與動阻力矩組成，且變槳距負載力矩與風況以及槳葉在風力作用下轉動情況有關，這由變槳距負載仿真軟件來仿真。該軟件首先要建立風速模型、槳葉氣動力模型、槳葉結構與彈性形變模型，再利用Matlab／Simulink軟件進行算法的仿真，建立變槳負載仿真模型。以風況、槳葉結構與材料參數、風力機的轉速等參數作為輸入，根據設計的仿真算法，得出應加載到變槳距系統的負載。

（4）變槳系統性能分析軟件。將變槳距力矩、轉速、角位移反饋到仿真系統，由變槳系統性能分析軟件進行分析，確定變槳距控制系統的性能是否滿足設計與使用要求。

4 結束語

電動變槳控制系統既是一個精度與響應要求很高的運動控制系統，也是一種分布式的實時傳動系統。電動變槳控制系統可隨風速的大小，自動、同步調整各個槳葉的槳距，以改變氣流對葉片的攻角，使風力機運行在最佳且最穩定的狀態。本文提出的電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺，可以實現變槳距控制系統在設計、開發以及產品交驗過程中的低成本調試與測試，亦可用于電動變槳距控制系統的控制算法研究、控制系統的環境適應性、安全性、電磁兼容性、可靠性、可維修性和防雷電沖擊等性能的設計與驗證。

（References）

［1］馬偉明，肖飛.風力發電變流器發展現狀與展望［J］.中國工程科學，2011，14（1）：11－20.

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［11］張英，吉小康，魏曉華.風電機組電動變槳距控制系統的優化研究［J］.工礦自動化，2011（2）：43－48.