兆瓦级风力发电电伺服独立变桨控制系统的设计.pdf

兆瓦级风力发电电伺服独立 变桨控制系统的设计 阎卓 凌志斌 蔡旭 上海交通大学 风力发电研究中心 上海 200240 摘要 设计一种基于多套备用电源的电伺服独立变桨系统 首先描述了该系统的系统结构设计及其特点 然后根据变桨速度和力矩的要求设计了伺服驱动系统 并根据备用电源的工作特点对备用电源的电压和容 量进行了设计计算 实验结果表明 该系统具有较高的响应速度和控制精度 完全满足兆瓦级风力发电系统 对于桨叶控制的要求 具有较高的可靠性和安全性 有着良好的应用前景和使用价值 关键词 风力发电 电伺服独立变桨 变桨系统 后备电源 中图分类号 TM614 文献标识码 A Independent Electric Pitch Control System Design of MW Rated Wind Turbine YAN Zhuo LING Zhi bin CAI Xu Wind Power Research Center Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 China Abstract Based on a multi set of standby power supply a kind of independent electric pitch control sys tem was designed The architecture and features of the system were first described and then designed the ser vo drive system according to the speed and torque requirements of the motor and meanwhile calculated and de signed The experimental results show that the system has a high response speed and control precision which fully meet the requirements of control of the pitch system in MW class wind turbine system and at the same time the system has higher reliability and safety have a good prospect and the value of application Keywords wind power generation independent electric pitch control pitch control system standby power supply 基金项目 国家自然科学基金 08DZ2210502 作者简介 阎卓 1985 男 硕士研究生 Email joeyanchn 163 com 在兆瓦级风力发电系统中 变桨控制系统的 安全 可靠与否 直接影响着整个风机的发电效 率 发电质量和可利用率 变桨控制系统在整个风 机中的地位举足轻重 1 与液压式变桨控制系统 相比 电伺服控制系统结构简单 占用体积小 控 制简单 控制精度高 不存在液压变桨系统普遍 存在的 漏油 卡 塞问 题 因此 具有 更高 的可 靠性 兆瓦级风力发电变桨控制系统中的桨叶长度 长 桨叶面横跨面积大 面临的风速变化大 众多 因素决定了其变桨系统载荷具有大转矩 时变 非 线性的特点 同时整个变桨伺服控制系统还必须 具有较低的静态误差 良好的动态特性 所有这些 对变桨控制系统中的伺服电机和伺服控制器提出 很高的要求 2 本文设计的电伺服变桨控制系统 可以满足上述要求 1 控制系统的结构设计 风机的变桨系统一般位于空间狭小的轮毂 内 设计时元器件的数量和体积均受到限制 只有 选择最优的系统结构 合理的走线布局 才能在保 证功能的前提下 使得系统可靠性高 可维护性 高 故障率低 电伺服变桨系统由 3部分组成 变桨控制器 伺服驱动系统 备用电源系统 3 根据这 3 个部 分连接关系和位置的不同 整个系统有好几种不 同的系统结构形式 本文设计的电伺服变桨系统 采用一种轮毂内置多套后备电源的结构 其系统 结构如图 1 所示 图 1 中 主电源和风机主控制器位于机舱内 变桨控制器 3 套后备电源和 3 个伺服驱动器位 于轮毂内 主电源线以及机舱和轮毂之间的通讯 8 电气传动 2010 年 第 40 卷 第 6 期ELECTRIC DRIVE 2010 Vol 40 No 6 图 1 系统结构图 Fig 1 T he topological structure of the system 线通过电滑环连接 上述结构的显著特点是 由 于后备电源位于轮毂内 且每个伺服驱动器都有 各自的后备电源 当电网发生掉电故障时 即使某 一套后备电源也同时出现故障 其他 2 套后备电 源也可以保证对应的 2 片桨叶到达安全顺桨的位 置 从而保证风机系统的安全 2 控制系统的设计与实现 2 1 变桨伺服电机的选型 在 MW 级的风力发电系统中 桨叶长度可达 30 多 m 塔高可达百 m 正常工作下桨叶的运行 速度需要达到 3 5 b s 故障紧急顺桨情况下 变桨速度要求达到 10 b s 变桨系统的变桨力 矩要求很大 达到 50kN m 以上 由于相对桨叶 的速度和转矩指标来讲 电机具有低转矩 高转速 的特点 因此必须选配减速机以增加转矩和降低 转速来实现电机旋转和桨叶旋转之间的匹配 变桨电机需要在轮毂中长期运行 这就要求 变桨电机具有体积小 重量轻 维护和保养简单等 优点 而且具有较高的动态响应速度和控制精度 在伺服控制系统中 永磁同步电机的结构简单 发 热小 转动惯量小 能量密度大 容易实现高速制 动 适应于高速大力矩工作状态 而且对环境依赖 性小 特别适用于风力发电这种恶劣复杂的环境 系统中 4 因此 本设计采用永磁同步电机作为 变桨系统中的驱动电机 以某 MW 风力发电系统为例 其减速机变比 为 1 800 桨叶在 20 m s 风速情况下 其桨距角与 电机承受力矩的关系如图 2 所示 为了使风能得到充分的利用 正常情况下 桨 叶一般工作在桨距角为 5b以下 由图 2 可知 桨 距角为 5b时 桨叶所受的转矩为 30 N m 此即为 电机长期工作的额定转矩 在桨距角为 40b时 电机的输出转矩达到最大为 92 N m 图 2 桨叶桨距角转矩关系示意图 Fig 2 Pitch angle torque relation 由上述分析可知 伺服电机的额定转矩为 30 N m 最大转矩为 92 N m 考虑一定的安全裕量 1 35 倍 要求所选伺服电机的最大转矩需要达 到 125 N m 紧急顺桨时桨叶的旋转速度为 10 b s 根 据桨叶和电机之间齿轮变比取 1 800 则电机最大 转速为 3 000r min 其对应的角速度 X为 X 10 1 800 2P 360 100P 314 s 1 根据电机转矩 功率和角速度关系式可估算 电机的额定功率为 PN TN XN 30 314 9 52 kW 2 本设计中选用额定速度 nN 3 000 r min 额 定转矩 TN 30 N m 最大转矩 Tm 187 N m 的 永磁同步电机作为本系统的变桨驱动电机 在 AC 400 V 供电下 该电机速度转矩特性 曲线如图 3 所示 图3 AC 400 V 下电机速度转矩特征曲线 Fig 3 AC 400 V motor torque characteristic curves 由图 3 可知 电机在额定转矩下可以达到 3 000 r min 换算到桨叶侧为 10 b s 在电机 最大转矩 187 N m 时可以达到2 071 r min 在桨 叶转至最大转矩 92 N m 点时电机转速可达 3 200 r min 换算到桨叶侧为 10 6 b s 因此完 全符合本系统的设计要求 2 2 伺服驱动器的选型 电伺服变桨控制系统的控制对象是 3 台永磁 同步电机 每台永磁同步电机由 1 台伺服驱动器 来驱动 本文伺服驱动器的设计容量以 20 kW 考虑 9 阎卓 等 兆瓦级风力发电电伺服独立变桨控制系统的设计电气传动 2010年 第40 卷 第6 期 为电机额定功率的 2倍 伺服驱动器的硬件结构 如图 4 所示 其输入电压按照三相 400 V 设计 图 4 电伺服驱动器硬件结构图 Fig 4 Electric servo drive hardware structure 出于对安全性的特别考虑 伺服驱动器提供 2 个编码器接口 可以分别接电机 D 端和轮毂 运行 时 2个测量的角度相互校验以实现设计上的冗余 对于风机而言伺服驱动器除了必须具有较快 的响应速度 较高的控制精度外 还要求 3 套伺服 驱动器之间的一致性好 保证 3 个桨叶的位置角 误差在 1 5b的范围之内 才能保证系统的安全 5 为此 本设计采用一个 PLC 来对 3 台伺服驱动器 实行统一管理 PLC 通过 PowerLink 现场总线与 3 台伺服驱动器进行连接 考虑到 3 个电机的一致性要求 驱动器相连 方式比较特殊 其硬件连接如图 5 所示 图 5 电伺服驱动器硬件连接图 Fig 5 Electric servo drive hardware connection 图 5 中 一个驱动器通过以太网接口与变桨 PLC 相连 接收位置命令 并且通过 PowerLink 总 线将位置命令传输给另外两个驱动器并与之实时 通讯消除位置差 从而达到电机位置一致性要求 2 3 备用电源系统 备用电源系统在整个系统发生供电故障时为 伺服系统供电 使其能够安全顺桨停机 考虑到安装位置与轮毂一起转动 所以对储 能元件有特殊的要求 可倒置 旋转时无漏液 具 有循环充放电功能 在低温下需要保持良好的充 放电功能 基于以上要求有两种方案可供参考 铅酸蓄电池和超级电容 免维护铅酸蓄电池能够 满足本系统的要求 相比于超级电容 其成本低得 多 所以本设计中采用免维护的阀控式铅酸电池 作为储能元件 备用电源与伺服驱动器的连接方式如图 4 虚 线框所示 蓄电池经空气开关 二极管连接至驱动 器直流侧 再由逆变器接至电机 正常状态下直 流母线电压高于蓄电池端电压 二极管将蓄电池 隔离 当直流母线电压跌落至蓄电池端电压以 下 蓄电池通过二极管接入提供顺桨电源 选择蓄电池电压等级时需考虑直流供电下伺 服电机特性 本系统所选伺服电机在两相 AC 220 V 供电 即驱动器直流侧 DC 325 V 供电时的 速度转矩特性曲线如图 6所示 图 6 DC 311 V 下电机速度转矩特征曲线 Fig 6 DC 311 V motor torque characteristic curves 由图 6 可知 电机在 AC 220 V 供电时在最 大转矩 92 N m 点 转速可达 1800r min 即变桨 速度达 6 b s 可以在 15 s 内完成顺桨 所以备 用电源的电压等级选择相应的 DC 311 V 即可 系统在由备用电源供电时顺桨一次需要 60 s 考虑系统的安全性 备用电源的容量设计需要 完成 3 次顺桨动作 按电机最大功率计算消耗总 能量为 P 9 42 kW 1 60 h 3 0 471 kW h 3 目前市场上常用单体容量为 7 2 Ah 端电压 12 V 的铅酸蓄电池单体 26 节单体串联构成的备 用电源端电压达到 312 V 可以满足系统备用电 源电压等级的要求 根据所选蓄电池最大放电电 流 23 04 A 放电 3 min 后单体电压降至 11 5 V 按此最小电压计算其容量为 C 11 5 V 26 7 2 Ah 2 153 kW h 4 由式 4 可得 所选电池容量可以满足顺桨 3 次的 要求 3 控制系统的软件设计 变桨控制系统的工作模式有3 种 正常工作模 10 电气传动 2010 年 第 40卷 第 6 期阎卓 等 兆瓦级风力发电电伺服独立变桨控制系统的设计 式 故障模式 调试模式 正常工作模式下 变桨控 制器发送桨距角位置命令给 3 个变桨驱动器 同时 检测驱动器反馈信息 流程图如图 7 所示 图 7 正常运行模式 Fig 7 Normal operating mode flow diagram 故障模式下 变桨控制器发出顺桨指令给伺 服驱动器 使桨叶到达顺桨位置后急停 流程图如 图 8a 所示 调试模式下 调试人员分别调试各个 桨叶 目的是校准各桨叶根部的编码器和电机转 子侧编码器 以保证 3 个桨叶同时转动相同的角 度 偏差最小 流程图如图 8b 所示 图 8 流程图 Fig 8 Flow diagram 4 实验结果与分析 本系统采用某公司的软硬件设备搭建实验平 台 应用此公司的自动化产品编程软件Automa tion Studio 进行验证 跟踪单独桨叶位置 速度随时间的波形 见图 9 由图9可见 0b 90b紧急顺桨时 桨叶旋转速 图 9 单桨叶位置 速度随时间波形 Fig 9 Single blade position velocity time waves 度可在 0 7 s 内由 0 上升至 9 7 b s 10 s 后完 成顺桨 对 3 个桨叶同时下达顺桨命令后 跟踪 3 个 桨叶位置随时间的波形如图 10 所示 图 10 3 个桨叶位置随时间波形 Fig 10 3 blade position time waves 如图 10 所示 下达顺桨命令后 3 个桨叶同 时在 10 s 后完成顺桨 可以达到良好的一致性 5 结论 在风力发电系统中 变桨控制系统是一个关键 环节 直接决定着整个风力发电系统的能