基于實時以太網的兆瓦級風電機組電動變槳距系統

田煒，汪海波，魯斌，劉劍

（國網電力科學研究院清潔能源發電研究所，江蘇南京210003）

在風力發電機組的各項部件中，最關鍵的部件決定整個機組的結構完整性。因為這個原因，負責調節葉片槳距角的變槳距機構是一個非常關鍵的部件。槳距角的微小變化對風電機組的氣動載荷有顯著的影響，從而可以調節機組的功率輸出，而且變槳距機構還可以作為氣動剎車使用。通過改變槳距角，變槳距機構對風輪面和葉片迎風面之間的風輪實度造成了影響。這一變化是一個動態過程，隨著風速的變化調節槳距角，從而調節了發電機的功率輸出。風輪實度和風輪推力和塔架負載有關，因此變槳距機構直接影響到整個機組的負載[1]。一個成功的變槳距控制系統，在于將系統各組成部件，減速器、電動機、電池、線纜和電力電子裝置等進行完美的動態匹配，而且能符合當前客戶和風電市場的需求。Ethernet由于價格便宜、傳輸速度快及可靠性高已成為商用網絡應用的主要選擇，Ethernet目前也逐漸應用于工業自動化及運動控制系統。主要探討應用Ethernet POWERLINK于即時運動控制系統的方案，以及實現一個以實時以太網為基礎的MW級風電機組電動變槳距系統。

1 變槳距機構功能

變槳距控制是最常見的控制風力發電機組吸收風能的方法。變槳距控制也會對所有由葉輪產生的空氣動力載荷產生影響。

在額定風速以上時，變槳距控制可以有效調節風力發電機組吸收功率及葉輪產生載荷，使其不超出設計的限定值。然而，為了達到良好的調節效果，變槳距控制應該對變化的情況做出迅速的響應。這種高效的控制動作需要變槳距機構具備極高的性能，因為它會與風力發電機組的動態特性產生相互影響。

在額定風速以下時，槳距角應該設定在能夠吸收最大功率的最優值。按照這種原則，當風速超過額定風速時，增加或減小槳距角都會減小機組轉矩。增大槳距角，即將葉片前緣轉向迎風方向，通過減小攻角來減小機組轉矩，稱作為順槳。減小槳距角，即將葉片前緣轉向背風側，通過增大失速角來減小轉矩，使升力減小，阻力增加，成為主動失速變槳。對于目前主流的MW級變速恒頻風電機組來說，順槳是更常見的控制策略，只有少數的定速風電機組，采用主動失速變槳的方法[2]。

風力發電機組的發展趨勢是容量越來越大，這也導致葉片的尺寸越來越大，從而對葉片強度的要求也更嚴格。此外，特別是對于大型風輪，在沿著葉片方向不同點的槳距角變化會帶來不同的效果，最優的調節效果很難達到。

綜合以上，考慮到風電機組的安全和效率，槳距角執行機構是越來越重要。

2 以太網POWERLINK介紹

以太網POWERLINK是一個實時以太網現場總線系統。因為POWERLINK完全遵守IEEE 802.3標準的以太網協議，所以很多廠商的標準配置工具都可以用來管理網絡。使用者只需使用標準組件（例如交換機）和標準工具（例如Wireshark網絡封包分析軟件），就可以在網絡的任何地方分析和檢查所有的數據通信和線路功能。

POWERLINK MAC的尋址依照IEEE 802.3，每個設備的地址都是惟一的。

EPL數據鏈路層以標準的以太網CSMA/CD技術（IEEE802.3）為基礎，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實現通信的確定性，于是EPL引入SCNM機制，實現了數據通信的確定性。

SCNM給同步數據和異步數據分配時槽，保證了在同一時間只有一個設備可以占用網絡媒介，從而徹底杜絕了網絡沖突的發生。SCNM由EPL網絡中的管理節點MN來管理，其他的節點稱為控制節點CN。

SCNM規定在一個EPL網絡中只有一個激活的MN，MN配置網絡中所有可用的節點。只有MN可以獨立地發送數據，CN只有在得到MN允許的情況下發送數據[3]。

圖1為以太網POWERLINK的軟件架構。

圖1 POWERLINK的軟件架構

以太網POWERLINK最小循環時間為100μs，能保證0.1ms的系統同步。因此符合運動控制系統的高性能需求，在本文中將探討將其用于電動變槳距系統的可行性。

3 變槳距伺服系統分析

電動變槳距系統的核心部件之一就是驅動機構。在調速傳動系統中永磁同步電動機（PMSM）和感應電機相比有顯著的效率優勢。永磁同步電機（PMSM）用永磁體取代繞線式同步電動機轉子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環和電刷，以電子換向實現了無刷運行。

在永磁同步電機中，建立固定于轉子的參考坐標系，取永磁體勵磁磁場軸線為d軸，順著旋轉方向超前d軸90°電角度的軸線為q軸，同時垂直于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，坐標圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機兩相旋轉坐標系

在dq旋轉坐標系中，對于多級同步電動機，轉矩方程為：

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為轉子上的永磁體產生的磁勢；p為極對數。

在非凸極的永磁同步電動機的特定情況下，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：

對于給定值is為了優化電動機的輸出力矩，最合適的策略是將id設置為0，于是定子電流合成矢量與q軸電流相等，只要能夠檢測出轉子位置（d軸），使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上。

此時力矩可表示為：

因此通過分別控制id、iq則可實現電動機力矩、速度和位置的有效控制。圖3為本文電動變槳距系統的控制示意圖。

圖3 伺服控制示意圖

本系統采用三環（位置環、速度環和電流環）PID控制策略。電流環和速度環作為系統的內環，位置環為系統的外環，電流環滿足內環控制所需要的控制響應速度，速度環的作用增強系統抗負載擾動能力，抑制速度波動，而位置環則保證系統的靜態精度和動態跟蹤能力，本系統采用此架構保證了該伺服系統具有快速動態響應、寬調速范圍和良好的魯棒性[4，5]。

4 變槳距系統硬件架構

圖4為基于以太網POWERLINK的電動變槳距系統的系統示意圖。在EPL網絡中，CPU為管理節點，而3個伺服驅動器為被控節點。

變槳距控制器通過現場總線和安裝在機艙內的風電機組控制系統進行通信。風電機組控制系統按照當前的風速、發電機速度、功率等給變槳距控制器發送變槳控制命令。變槳距控制器按照該命令通過以太網POWERLINK給3個伺服驅動器下達控制指令，從而驅動3個電動機。

圖4顯示了3個伺服驅動器作為小型集線器，形成的以太網POWERLINK的樹形拓撲。

此外，變槳距控制器還將變槳距系統的動作情況反饋給風電機組控制系統。

圖4 變槳距控制系統網絡拓撲示意圖

本文所述的電動變槳距系統，每個葉片都具有獨立的槳距驅動系統，包括獨立的伺服驅動器、電動機、齒輪箱等。電機通過行星齒輪箱驅動的小齒輪與變槳距軸承內環的輪齒嚙合，葉片螺接在軸承內環上。每個驅動系統都有獨立的后備電源，在機組脫網時提供后備電源以確保葉片能夠及時順槳。

本系統采用三相永磁同步電動機內嵌參數芯片解碼器，所有和電機相關的機械和電氣信息都存儲在該芯片中，只要將電動機和伺服控制器連接起來，上電后，伺服控制器會對電動機進行參數識別，自動配置控制參數。如果電動機出現故障需要更換，只要選擇同型號的電動機，在伺服驅動器方面，不需要另外進行參數設置。

5 變槳距系統軟件架構

本系統的輸入輸出控制過程是通過槳距角控制器執行正常的控制功能來實現變槳調節，并輔以高性能的后備電源。

本系統軟件架構和核心是一個具有特定功能的變槳系統軟件庫（EStop），除了完成運動控制功能外，還負責以太網POWERLINK的監測、電動機溫度監測和直流母線電壓監測。如果檢測到以太網POWERLINK故障，則根據預置的參數（位置、速度、加速度、減速度）驅動變槳距執行機構將葉片順槳。直流母線電壓值和當前電動機的溫度值可通過軟件功能塊進行讀取，槳距角控制器可根據當前值進行判斷分析，決定后續的控制過程。

該軟件庫具有一個單獨外部觸發接口，如果主程序檢測到其他故障，也可通過該接口觸發該軟件庫的順槳功能。此外，當故障（軟件故障或軸單元故障）消除后，也可通過復位指令重新激活該功能塊。對于大型葉片來說，葉輪之間的不對稱載荷更為明顯，這對疲勞載荷的產生有很重要的影響作用，原則上根據每個葉片的具體情況通過獨立變槳控制有可能減弱這些影響[6，7]。

本文論述的電動變槳距系統可以實現獨立變槳距功能（IPC），EStop軟件庫可以同時接受三組不同控制指令，分別對3個電機進行控制，控制指令為目標位置、速度、加速度、減速度。圖5為該電動變槳距系統的控制程序示意圖。

圖5 變槳控制程序示意圖

6 地面拖動測試

由于變槳距系統工作于高于地面幾十米之上的風力機輪轂之內，現場調試較為困難。因此控制系統的調節性能及其可靠性必須在風機安裝之前完成絕大部分的試驗，為此建設了基于模擬負載的全功率測試臺進行相關測試。

為更真實模擬風力擾動時的槳葉載荷變化對變槳距系統的影響，構建了如圖6所示的變槳距測試平臺，采用與變槳電機（M1）同軸對接的三相永磁同步電機（M2）作為的負載電機。變槳電機的轉矩與速度響應如圖7所示。圖7是模擬變槳距系統在槳葉節距角變化即變槳電機按接收到的指令運動時，槳葉負荷突變的情況下變槳電機的輸出響應。

從測試結果來看，電動變槳距系統在變槳葉節距角的過程中，變槳電機對外部載荷發生變化時能有效、快速地做出響應，并可靠地保持或運動到指定的位置。

7 結束語

本文給出了基于實時以太網POWERLINK的電動變槳距系統，并能支持獨立變槳距控制技術。通過以太網POWERLINK，3臺電機可以獨立地接受槳距控制器的控制指令，連續地在順槳位置和工作位置之間安全穩定地運行。在此基礎上搭建了基于模擬負載的全功率變槳距系統的測試平臺。測試結果表明，該電動變槳距系統在槳葉載荷變化時即風速擾動情況下，響應快、精度高，運行穩定，是一款性能優越的電動變槳距系統。

[1] Tony Burton，武鑫（譯）.風能技術[M].北京：科學出版社，2005.

[2] TIAN W，LU Q，WANG W.Electical Pitch System of Megawatt Wind Turbine Based on a Real-time Ethernet Field Bus[C].WWEC2009Proceeding.

[3] Ethernet POWERLINKV2.0 Communication Profile Specification DS 1.0.0[S].

[4] BOLDEA I，NASRA S A.Torque Vector Control,A Class of Fast and Robust Torque,Speed and Position Digital Controllers for Electric Drives[J].Electromech，Powersyst.，1988，15：135-147.

[5] 張劍，溫旭輝.一種基于DSP的PMSM轉子位置及速度估計新方法[J].中國電機工程學報，2006（12）.

[6] BOSSANYI E A.The Design of Closed Loop Controllers for Wind Turbines[J].Wind Energy 2000（3）：149-163.

[7] BOSSANYI E A.Wind Turbine Control for Load Reduction[J].Wind Energy，2003（6）：229-244.