兆瓦級風電機組變槳系統的設計與實現

李曉斌 李國成

（1. 武漢數字工程研究所，武漢 430074; 2. 湖北宜昌供電局，湖北 宜昌 443003）

風力發電作為一種成熟的新型清潔能源，已經更多地被實際電網所吸納。但由于風能具有動態和不確定性，因此要求風力發電機組對所獲取的風能進行實時控制，風電變槳距系統用來對風能進行控制，如何設計快速響應、高效可靠的變槳距系統就成為整機設計和運行的關鍵所在。為了保障風力發電機組運行的安全，風電機組必須對獲取的風能進行控制，傳統定槳距風機是通過設計變槳葉片的失速特性來控制風機對風能的獲取。隨著風機向大型化方向發展，現場總線控制技術、交直流電機數字控制技術的發展，風電機組風能獲取控制已逐步轉向為變槳距，即由過去的定槳失速控制轉為變槳變速控制，變槳距控制技術已經成為大型風電機組控制的主流技術。

1 風電變槳距系統原理

根據空氣動力學，風力發電機組所吸收風能的功率可用如下算式（1）進行計算：

式中，Pout為風機所捕獲的風能功率，Cp為風力發電機的功率系數，A為風力發電機組葉片所掃過的面積，ρ為空氣密度，V為風速。

由上述公式所知，在一定風速的情況下，要改變所獲取風能的輸出功率，只有改變風力發電機的功率系數，見式（2）；也就是改變葉片角度和葉尖速比，見式（3）。

式中，λ為葉尖速比，ω為風力發電低速軸機械角速度，θ為葉片槳距角度，R為葉片旋轉時所成外圓的半徑。

由圖1可知，通過改變發電機轉速調節葉尖速比，可以實現Cp值最大，從而保證風機獲取最大風能。通過改變氣流對槳葉的攻角，實現風電機組功率控制。一方面在同一風速和主軸轉速的情況下，可以通過改變葉片角度來改變風力機的功率系數；另一方面也可在不同風速的情況下，通過改變葉片角度，調節主軸轉速來改變風力機的功率系數。

圖1 表示風力發電機組的Cp 曲線

此外，為確保三個葉片變槳角度的一致性，在實現變槳距系統時，必須確保三個葉片的位置環和速度環具有控制精度高、響應快、系統穩的特點，避免因為三個葉片的不一致性加劇主軸軸承的不均勻載荷，影響機組的使用壽命。

現以某1.5MW 風電機組變槳距要求為例，根據整機機組設計，得到該變槳系統具體實現參數如下：

1）額定力矩：25N·m。

2）最大驅動力矩：105N·m。

3）制動力矩：90N·m。

4）低速變槳：5°/s。

5）正常順槳角度：89°。

6）變槳校驗角度：2°，88°。

7）變槳極限角度：91°,96°。

8）儲能順槳：正常工況下連續3 次。

2 變槳系統總體組成

變槳距系統載荷具有一定的不穩定特性。系統要求變槳距角度改變響應快，變槳距靜態起動力矩大，并要求能承受可能在運行過程中呈現的突發載荷。一般變槳距系統由變槳電機、減速箱、變槳控制器、變槳驅動器、備用電源以及輔助接近開關，限位開關等組成。

根據上述要求，本文所設計的變槳系統采用三槳葉獨立控制方式，如圖2所示。變槳電機的末端安裝絕對值編碼器，變槳系統每個葉片設置2°和88°的接近開關，91°和96°的限位開關。主控安全鏈和變槳輪轂安全鏈之間具有硬接口連接，主控安全鏈通過1 對24V DC 信號與變槳輪轂安全鏈連接，一旦主控安全鏈失電，就會通過24V DC 信號缺失告知每個變槳距柜主控安全鏈故障；而另一方面每個變槳距柜安全鏈OK 信號會通過3 個柜體串聯成硬的無源觸點接入到主控安全鏈輸入模塊，一旦主控沒有檢測到變槳安全鏈OK 輸入信號，系統整個安全鏈就報變槳安全鏈故障。

圖2 變槳系統結構圖

2.1 系統通信

變槳系統采用Profibus 總線與主控PLC 進行通信，而在變槳系統內部驅動器、充電器以及變槳PLC之間采用CAN 總線進行通信。Profibus 總線專門為自動控制系統和設備級分散IO 之間通信設計，能滿足分布式控制系統實時性、穩定性和可靠性的要求；CAN 總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它采用多主工作方式，網絡上的節點在任意時刻都可以向其余節點發送信息，并具有很好的檢錯效果；本系統將二者的優點結合起來應用，具有通信速率快，故障率低，節省系統成本的特點，通過總線耦合器，將兩種不同協議的總線進行集成。其通信結構圖如圖3所示。

根據系統對變槳距的扭矩要求，選擇交流異步電機電壓為三相AC 400V，功率為5.5kW，其制動力矩為100N·m，最大起動轉矩為120N·m。變槳驅動器采用交流伺服驅動器三相400V AC，6kW；系統速度環和電流環控制在驅動器內部實現。位置環通過主控PLC 和變槳PLC 閉環控制實現。

圖3 變槳系統通信圖

2.2 變槳系統非線性PID 算法

變槳系統在接受到主控給出的位置信號后，將其與絕對值編碼器的位置值進行比較，根據比較結果，變槳驅動器自身會自動選擇Kp、Ki和Kd參數通過驅動器內部的速度、電流閉環進行調節。在進行位置閉環選擇計算的同時，會根據絕對值編碼器計算實際變槳電機轉速，將實際計算的變槳電機轉速與所給定的電機轉速比較，送入驅動器內部速度控制環進行調節。驅動器自身檢測變槳電機繞組的電樞電流，并根據速度調節器計算出的電流，利用電機繞組電壓方程、解耦控制以及坐標變換，得到變槳電機繞組的電樞端電壓指令，從而根據三相交流端電壓指令調節PWM 信號，驅動變槳電機進行調節。變槳距的位置環、速度和電流調節環如下所示。

2.3 后備電源計算

后備電源是變槳系統的重要組成部分，根據風電場電網接入規定，風電場具有一定的低電壓穿越能力，并網點電壓跌落時，必須確保風電機組在3s內不脫網正常運行。

圖4 PID 閉環控制

變槳系統采用超級電容作為后備電源。超級電容具有功率密度高、循環壽命長、工作溫限寬、免維護以及綠色環保等的特點。其系統結果如圖5所示。

圖5 系統功能圖

順槳一次所需要的能量為：假定以9°/s 的速度從0°轉到89°；直流母線額定電壓：85V DC，最低工作電壓為25V DC。系統在電網電壓跌落時，3 次順槳所需要的時間為：30s。具體計算如式（4）和式（5）所示。

根據超級電容所允許的電壓降ΔU可取： ΔU= 60。

根據上述式子，可以計算得到C= 91.6F；可選取超級電容為：100F（采用模組進行串聯和并聯組合實現）。正常情況下，變槳驅動器依靠充電器輸出電源進行供電；一旦電網出現故障，充電器不能正常輸出電源的情況下，由超級電容提供電源給變槳驅動器。變槳系統克服LVRT 功能的能力取決于超級電容的容量大小。本系統中充電器既充當電源功能又具有充電器的功能，在超級電容失電后，電網恢復正常的情況下，給超級電容充電，滿足系統對后備電源的要求。

3 變槳系統運行模式

根據對變槳系統運行工藝分析，為確保系統正常可靠運行，設定了5 種工作模式，即正常運行模式、安全運行模式、LVRT 運行模式、強制手動模式以及現地手動模式。各個模塊之間的狀態轉換如圖6所示。

圖6 變槳系統運行模塊劃分

在正常運行模式下，變槳系統由電網400V AC供電，變槳系統根據主控指令設定槳葉角，改變葉片角；在整機安全鏈斷開或者主控要求的情況下，變槳系統進入安全運行模式，變槳系統由電網400V AC 供電，根據設定的特定變槳速度進行順槳操作，使變槳系統運行至安全位置，處于安全狀態；當電網出現故障時，系統進入LVRT 運行模式，LVRT運行模式和正常工作模式類似，不同的是變槳驅動器供電依靠超級電容來提供，LVRT 運行模式，變槳系統還是按照主控設定的變槳位置和速度進行變槳，確保風電機組能夠正常運行而不脫網；強制手動和現地手動主要用于變槳系統現場調試時使用。正常現地手動模式屏蔽遠程控制變槳系統功能，在葉片處于2°～88°之間，變槳安全鏈正常的情況下，可以通過手動選擇順槳或逆槳按鈕改變葉片角度；強制手動模式是在葉片處于非正常行程（2°～88°）之外，變槳安全鏈不正常的情況下，依靠強制手動將改變葉片位置，使葉片處于正常行程（2°～88°）之中。強制手動和現地手動一般用于現場調試和葉片維護時使用。

4 結論

本文對自行研發的變槳系統從工作原理、系統設計以及算法方面進行了介紹，并將該變槳距系統應用于國內某風場進行測試，結果顯示該變槳系統滿足實際速度和位置調節要求，并具備了低電壓穿越功能，實現了變槳系統的低風速下轉矩控制和高風速下的功率控制，可實際應用于國內1.5MW 和2MW 變速變頻風力發電機機組。風場應用結果如圖7所示。風場應用證明該系統控制精度高，且3 個槳葉角度變化一致，同步性好。

圖7 現場應用效果截圖

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