大型風機變槳距控制系統的研究*

竇真蘭， 程孟增， 蔡 旭，2， 凌志斌

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，風力發電研究中心，電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240;2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

目前世界上投入使用的風電機組變槳距系統主要有兩種方案:液壓變槳距系統和電動變槳距系統。本文分析了大型風力機的變槳距緣由，針對這兩種變槳距控制，從系統總體結構、執行機構的結構原理、變槳系統控制、控制器設計等方面進行研究，并分別利用SimHydraulics和Simulink仿真建模，不僅直觀反映變槳距系統的動態特性，為大型風電機組的全工況仿真奠定基礎，而且變槳系統的控制器設計，為實際風場中變槳控制提供理論支持，為大型風電機組的研制提供理論保證。

1 大型風機的變槳距控制

根據風力機的空氣動力學特性［3］，風力機的輸出機械功率為

式中:ρ——空氣密度;

R——風力機葉片的半徑;

v——風速;

β、λ——槳距角，葉尖速比;

Cp——風能利用系數，其理論極限為0.593。

風力機的功率特性可由一簇功率系數Cp性能曲線來表示，如圖1所示，則Cp的變化規律與槳距角和葉尖速比的關系如下:

(1)若給定β，Cp存在唯一的最大值Cpmax。

(2)若給定 λ，當β=0°時，Cp相對最大;隨著β增大，Cp則明顯減小。

圖1 變槳距風能利用系數曲線

理論上，風力機輸出功率是風速的立方函數，隨著風速的增加，其輸出功率是無限的。但實際的變速風力發電機組受到兩個基本條件限制:(1)所有電路及電力電子器件受功率限制;(2)所有旋轉部件的機械強度受轉速限制，所以風力機的轉速和輸出功率是有限度的，超過限度，風力發電機組的某些部分便不能正常工作［1-3］。當風速超過額定風速時，利用變槳控制系統增大β，降低Cp，控制風輪捕獲功率，保持風力機輸出功率穩定在額定功率附近。根據變槳執行機構不同，變槳距系統可分為:液壓變槳距系統和電動變槳距系統。

2 液壓變槳距系統

液壓變槳系統根據給定的槳距角，利用一套曲柄連桿機構同步驅動或者由3個液壓缸分別推動槳葉轉動，調節槳距角，優點是對于大慣性負載具有頻率響應快、扭矩大，實現無級調速，便于集中控制和集成化等優點，目前在中國商業機組中占有重要的地位，國外Vestas、Gamesa和EHN等公司的風機也采用液壓變槳技術。缺點是其傳動結構相對復雜，漏油、卡澀時有發生，且液壓傳動部件在夏季和冬季的控制精度差別較大。

2.1 液壓變槳距系統結構

本文分析的液壓變槳距系統采用液壓缸作為原動機，通過一套曲柄滑動結構同步驅動三個槳葉變槳距。變槳距機構主要由推動桿、支撐桿、導套、防轉裝置、同步盤、短轉軸、連桿、長轉軸、偏心盤、槳葉、法蘭等部件組成。變槳控制系統根據當前風速算出槳葉的槳距角調節信號，液壓系統根據指令驅動液壓缸，液壓缸帶動推動桿、同步盤運動，同步盤通過短轉軸、連桿、長轉軸推動偏心盤轉動，偏心盤帶動槳葉進行變槳距。

液壓變槳距執行機構的槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，槳距角同液壓缸位移成正比。當槳距角減小時，液壓缸活塞桿向右移動，有桿腔進油;當槳距角增大時，活塞桿向左移動，無桿腔進油。液壓系統的槳距控制是通過電液比例閥實現的，電液比例閥的控制電壓與液壓缸的位移變化量成正比，利用油缸設置的位移傳感器，利用PID調節進行液壓缸位置閉環控制。為提高順槳速度，變槳距執行系統不僅引入差動回路，還利用蓄能器為系統保壓。當系統出現故障斷電緊急關機時，立即斷開電源，液壓泵緊急關閉，由蓄能器提供油壓使槳葉順槳。

2.2 液壓變槳距系統控制

液壓變槳距系統的槳距控制如圖2所示，執行機構為液壓系統(電液比例閥和液壓缸)，槳距控制器根據槳距角給定與實際槳距角的差值計算出電液比例閥的控制電壓(－10～+10 V)，通過電液比例閥控制器轉換成一定范圍的電流信號，該電流信號控制比例閥輸出流量的大小和方向。實際槳距角通過位移傳感器測量液壓缸活塞的位移信號，利用A/D得到。液壓缸按電液比例閥輸出的方向和流量推動變槳機構，調節槳距角。

液壓變槳距系統是一個典型的位置控制系統，即系統通過控制電液比例輸出閥的壓力實現對液壓缸活塞桿位移的控制，所以其控制性能取決于比例閥、液壓缸等元部件的特性及槳距控制器的設計。

圖2 變槳距控制框圖

(1)液壓元部件數學建模。電液比例閥的閥心運動方程可表示為

式中:ωn——比例閥液壓頻率;

δv——比例閥阻尼比;

Ka——放大器增益;

Kv——比例閥增益;

u——比例閥輸入電壓。

通過拉氏變換，電液比例閥的傳遞函數為

在系統工作頻率范圍內起主導作用的是動力機構環節，與閥控液壓缸相比，比例閥動態響應速度很高，可將其等效為比例環節Ka·Kv。

液壓缸的傳遞函數為

式中:xp——活塞行程;

xv——比例閥閥心位移;

Kq——比例閥的流量增益;

A——活塞有效面積;

ωh——液壓固有頻率;

ξh——液壓阻尼比。

位移傳感器的響應速度也遠遠高于動力機構，可將其等效為比例放大環節，其增益為Kr。

(2)槳距控制器設計。變槳控制器采用PID調節器，主要是為了提高變槳的響應性能，增強位置跟蹤性能，動態結構框圖如圖3所示。

圖3 液壓變槳控制系統動態結構框圖

作為位置跟蹤控制，希望位置的超調與振蕩很小，故將其校正成典型Ⅰ型系統。經設計，PID調節器的參數Kp遠大于積分系數Ki和微分系數Kd，主要起作用的是Kp，這與液壓系統本身慣性大、工作頻率較低的特點一致。

2.3 液壓變槳距系統仿真

根據液壓變槳系統執行機構原理，利用Sim-Hydraulics搭建液壓變槳系統仿真模型。電液比例閥控制信號，設置值為0～0.3，與槳距角0°～90°相對應，功率調節過程中槳距角依次為60°－40°－50°，則給定電液比例閥控制信號值為0.2－0.133－0.167。換向閥的選擇信號利用正零值控制，如圖4所示?；痉抡孢^程為風力機處于順槳位置，第8 s開始功率調節，第18 s正常關機，槳葉順槳至90°。

圖4 電液比例閥控制信號和電磁閥信號

液壓變槳距控制系統仿真結果如圖5所示。由圖5(a)分析可知:液壓變槳距閉環PID系統根據電液比例閥的輸入信號，定量對槳距角進行準確控制，比例閥信號值大小直接決定槳距角大小，其中變槳距速度約15°/s，符合液壓變槳實際要求。圖5(b)為控制過程中液壓缸活塞位移量與比例閥控制信號的關系，給出控制信號后，經過1 s的延遲，即調節槳距角至給定位置，誤差很小。相對于開環系統，閉環系統更加穩定，槳距角跟蹤誤差相對更小。

3 電動變槳距系統

電動變槳機構利用伺服電機帶動減速機的輸出軸小齒輪旋轉，而小齒輪與回轉支承的內環相嚙合，從而帶動回轉支承的內環與槳葉一起旋轉，調節槳距角，具有快速性、同步性、準確性等特點。由于結構簡單、緊湊，可充分利用有限空間實現分散布置，同時不存在漏油、卡澀等機械故障，并能實現對槳葉的獨立控制等優點。其缺點是電氣布線困難，動態響應特性較差。另外電機本身如果連續頻繁地調節槳葉，將產生過量的熱負荷使電機損壞。

3.1 電動變槳距系統結構

電動變槳距系統由變槳控制器、伺服驅動器和備用電源系統組成，結構如圖6所示。其能夠實現3個槳葉獨立變槳距，給風力發電機組提供功率輸出和足夠的剎車制動能力，從而避免過載對風機的破壞。

電動變槳距系統的每個槳葉配有獨立的執行機構，執行機構的結構原理圖如圖7所示。伺服電機連接減速箱，通過主動齒輪與槳葉輪齒內齒圈相連，帶動槳葉進行轉動，實現對槳距角的直接控制。

圖7 電動變槳矩系統執行機構的結構原理圖

如果電動變槳距系統出現故障，控制電源斷電，伺服電機由備用電源系統供電，15 s內將槳葉緊急調節為順槳位置。在備用電源電量耗盡時，繼電器節點斷開，原來由電磁力吸合的制動齒輪彈出，制動槳葉，保持槳葉處于順槳位置。在輪轂內齒圈邊上還裝有一個接近開關，起限位作用。在風力機正常工作時，繼電器上電，電磁鐵吸合制動齒輪，不起制動作用，使槳葉能夠正常轉動。

3.2 電動變槳距系統控制

電動變槳距系統伺服電機為永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)。PMSM在d-q坐標系下的定子電壓方程為

其中轉子磁鏈為

式中:u，i，Rs，Ld——定子電壓、電流、繞組電阻、電感;

下標 d、q——其 d、q 軸分量;

ωr——轉子旋轉電角速度;

φf——永磁體對應的轉子磁鏈;

p——微分算子。

PMSM的運動方程為

式中:J——轉動慣量;

B——衰減系數;

θr——轉子位置;

Tl——負載擾動及不確定的擾動。

忽略電機定子繞組損耗和磁場儲能，PMSM的輸出扭矩可表示為

基于轉子磁場定向的PMSM矢量控制系統，令 id=0，則 Te=3pnφfiq/2，即當 φf恒定時，定子電流的q軸分量iq代表了電磁轉矩Te，通過分別控制id和iq，實現對伺服電機轉矩的控制。

考慮到槳葉負荷的快速波動性，電動變槳距控制系統要求動態響應快、穩態運行平穩，能夠實現精確定位和快速跟蹤等，基于轉子磁場定向的PMSM矢量控制策略能夠保證電動變槳距控制系統的良好動態特性。

電動變槳距控制系統采用位置環、速度環、電流環三閉環控制，其中位置環用于實現位置的精確控制，速度環和電流環分別用于實現快速的跟蹤和動態響應，如圖8所示。變槳時，變槳控制器給定槳距角θ*，其與伺服電機位置反饋θr進行比較，作為位置控制器的輸入;位置控制器的輸出w*作為速度控制器的輸入，經過速度控制器，其輸出iq作為電流給定值;電流給定值與實際電流的差值送到電流控制器中，輸出控制電壓，利用空間電壓矢量脈寬調制算法對三相逆變器的電壓進行控制，使電機獲得圓形磁鏈，實現電流、轉速和位置的控制。

圖8 電動變槳距控制結構框圖

3.3 電動變槳距控制系統的控制器設計

電動變槳距控制系統的控制框圖如圖9(a)所示，其動態結構框圖如圖9(b)所示，按照先內環后外環的原則，設計的控制器依次為電流控制器、速度控制器和位置控制器。

(1)電流控制器的設計。電流環控制對象的傳遞函數為

其中:Km=1/RS;Tli=Lq/RS;Ti= τv+Toi。

為使電流環有較快的響應，σ≤5%，選取ζ=0.707，Ki×Ti=0.5，電流控制器的參數設計為

(2)速度控制器的設計。速度環控制對象的傳遞函數為

其中:Kon=KlRsα/TmKΦ;Kl=1/β;Tl=1/Ki;T∑n=Tl+Ton;Tm為電機的機電時間常數。

由于電動變槳距控制系統實現無靜差的同時，必須滿足一定的抗干擾性能，所以將其校正為典型Ⅱ型系統，當h=5時，Ⅱ型系統具有較好的跟隨和抗擾動性能。

圖9 電動變槳控制系統控制

Ⅱ型系統中頻寬h:

速度控制器的參數設計為

(3)位置控制器的設計。位置環控制對象的傳遞函數為

其中:Tw=nsdJ/9.55Tsd;

Kw——電機實際速度和伺服速度指令的比值;

Tw——單位速度階躍響應時間;

nsd——設定速度;

Tsd——設定電磁轉矩。

作為連續跟蹤控制，位置伺服不希望出現超調與振蕩，以免位置控制精度下降，故將位置環校正成典型Ⅰ型系統，即ζ=0，系統位置成為臨界阻尼或者接近臨界阻尼過程。

位置控制器的比例系數設計為

在電動變槳距控制系統中，速度控制器和電流控制器均采用PI控制，位置控制器采用比例位置控制器，保證電動變槳距控制系統的良好性能。

3.4 電動變槳距系統仿真

根據電動變槳距系統執行機構原理，利用Simulink搭建基于id=0的PMSM電動變槳距控制系統仿真模型。槳距角給定信號如圖10所示?；痉抡孢^程為首先風力機處于順槳位置，第10 s開始功率調節(60°－40°－50°－20°)，第25 s正常關機，槳葉順槳至90°。

圖10 槳距角的給定

電動變槳距控制系統仿真結果如圖11所示。由圖分析可知，電動變槳系統能夠根據給定槳距角，準確輸出槳距角，位置無超調。在變槳過程中，變槳速度為10°/s，電磁轉矩響應快，與槳葉負荷轉矩保持同步平衡。另外當系統出現故障時，能夠在8 s內使槳葉順槳，保護風機安全。

總體來說，電動變槳距系統運行穩定，具有較好的靜態和動態特性，能夠滿足高性能電動變槳距系統的精確槳葉位置控制和快速動態響應等性能要求。

圖11 電動變槳距控制系統仿真結果

4 結語

液壓變槳和電動變槳，在功能方面，沒有優劣之分;在性能方面，由于執行機構的不同，兩種變槳形式各有各的特點。本文針對兩種變槳距控制，從變槳系統總體結構、執行機構的結構原理、變槳系統控制、控制器設計等方面進行了研究，給實際變槳控制系統的設計提供了理論支持。另外對大型風機的液壓變槳距系統采用SimHydraulics工具箱進行液壓系統元器件的建模和仿真，以及對大型風機的電動變槳距系統采用Simulink工具箱進行電動系統元器件的建模和仿真，不僅直觀地反映了變槳距系統的動態特性，而且液壓系統與電動系統可以無縫連接，從而可實現整個大型風電機組的全工況仿真，為加快大型風電機組的研制提供有力的理論保證。

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