電動變槳距控制系統設計技術問題的探討

(成都大學信息科學與工程學院, 成都 610106)

0 引 言

針對目前國內阻礙電動變槳距控制系統產品國產化的關鍵技術問題，開展變槳距控制技術，角位移與電樞電流的檢測及其模數轉換技術，可靠性、維護性與安全性設計技術，電磁兼容性與防雷電設計技術，變槳距伺服系統試驗測試半實物仿真等關鍵技術的研究[1-6]，并實現突破，提高產品的安全性、可靠性與維修性、降低成本，使產品的性能能滿足提高風電的發電效率與發電質量、降低發電成本的要求具有重要意義[7-8]。文中針對這些問題，從變槳距控制系統研制的指導思想和設計原則，關鍵研究內容，系統設計規范與設計準則，產品的成本控制準則等方面提出了一些措施。

1 風力發電機組控制系統與電動變槳控制系統

一座風力發電塔主要由槳葉、輪轂、機艙、塔架組成。風力發電機組主要有風力機、增速齒輪箱、發電機、變頻變流器及風力發電機組控制系統組成。由槳葉、輪轂組成風力機，齒輪箱與發電機安裝在機艙內，變頻器安裝在塔底，而風力發電機組控制系統分布在整座風塔各個部分。

電動變槳距控制系統一般都采用七箱結構，分別為一個變槳控制箱，簡稱主控箱、三個軸控制箱，簡稱軸控箱、三個軸蓄電池箱，簡稱電池箱以及永磁直流伺服電機及配套件、91°與95°限位開關、槳距角絕對編碼器、潤油泵等輔屬部件組成，結構如圖1所示。

圖1 電動變槳距控制系統結構示意圖

2 變槳距控制系統研制的指導思想和設計原則

產品的安全性、可靠性始終放在第一位。由于變槳距控制系統安裝在輪轂內，其運行環境惡劣，不但處在高溫、低溫、高濕、沙塵的自然環境之中，而且處在由于風力機的振動、旋轉與突然啟停等原因而引起的振動、沖擊的機械環境之中；同時，由于風力資源豐富的地區通常都是邊遠地區或是海上，為了保證整個電網的安全，要求分散布置的風力發電機組能夠無人值班長期連續可靠運行，這些都就對風電的自動控制系統的安全性、可靠性提出了很高的要求。例如在風速過高又因變槳距控制系統故障不能順槳時，往往會發生槳折塔倒的嚴重后果；又例如在風力發電機脫網時，如果不及時順槳，會引起風力機失速而造成機械傳動裝置嚴重損壞等。目前，因國產的變槳距控制系統等風電控制系統產品的功能雖然均滿足風電的使用要求，但其安全性、可靠性與引進產品尚有差距，使風電整機制造商不敢選用。因此，在變槳距控制系統產品設計中應把安全性、可靠性始終放在第一位。數據的采集與傳送、纜線接插、特別是軟件的可靠性設計應特別注意。

應注重產品的電磁兼容性設計與防雷設計。變槳距控制系統在風機輪轂中，不但被大功率發電機及其變頻變流裝置產生的高壓交流電場、靜電場、電刷電弧、大功率開關器件等工業干擾與微波通訊、無線電信號、雷達等外界高頻干擾所包圍；而且還受到雷電、靜電放電、磁爆等自然界干擾沖擊，特別是因雷電損壞風電控制系統的故障時有發生。因此，在變槳距控制系統產品設計中應注重產品的電磁兼容性設計與防雷設計，特別是抗雷電設計與抗靜電放電設計，通過滑環交換的信號端口必須并裝防雷保護器件。

應注重產品的維修性設計。由于變槳控制系統安裝在風機輪轂中，工作時輪轂在高空與槳葉一起旋轉，現場調試與維修環境條件苛刻，操作空間又小。因此，在變槳距控制系統產品設計中應注重產品的維修性設計。在以往的產品設計中，維修性設計又常常被忽視。

在設計時應控制產品的直接成本。在提高產品可靠性、安全性、維修性和保證產品質量的同時，需大力降低成本。一方面我國風電發電成本太高，其中風電設備成本費用與使用維修費用高是其主要原因，國外先進水平已達到單位千瓦造價為1 000美元，發電成本為5美分/kW·h，已經具有與火力發電相競爭的能力，目前風電是在國家政策支持下，才有贏利空間；另一方面我國風電設備產能現已過剩，從長遠看，風電產品將是價格與質量的競爭。因此，在變槳距控制系統產品在設計時應控制產品的直接成本。

3 關鍵研究內容

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，齒圈角位移調節環、電機角速度調節環、電機電樞電流調節環(即電機角加速度調節環)的調節算法等研究。在擬合外環的調節算法時，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順槳要求；在擬合內環的調節算法時，應在滿足變槳響應時間的同時，避免功率元件與電機過流過熱、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。

角位移與伺服電機的電樞電流的檢測及其模數轉換技術，在強干擾、高低溫、高濕、振動沖擊的惡劣環境下，角位移與電樞電流的檢測及其模數轉換不但要響應時間短、而且數據平穩準確。

可靠性、維護性與安全性設計技術，硬件的可靠性、維護性、安全性設計技術:包括電子元器件的測試、篩選、老化等技術，降額設計技術，結構的防振動、防沖擊、防濕、防腐、電磁屏蔽、熱設計技術，模塊化設計技術等；軟件的安全性、維護性、可靠性設計技術:包括軟件安全性分析技術，軟件安全性設計方法，軟件部件或軟件單元的內聚強、耦合弱的設計方法，模塊化結構設計方法，軟件設計的避錯、查錯、糾錯與容錯設計技術等。電磁兼容性設計技術，主要包括箱體結構防電磁干擾設計技術，電路與印制電路板電磁兼容性設計技術，電氣布線電磁兼容性設計技術，變槳距控制系統電磁兼容性的試驗測試技術等。防雷電設計技術，主要包括吸收雷電波的防雷組件的設計技術、保護接地技術等。變槳伺服系統試驗測試半實物仿真技術，主要包括半實物仿真平臺設計技術，風速模型、槳葉氣動力模型、變槳負載仿真模型擬合等。

4 系統設計規范與設計準則

硬件的可靠性、維護性、安全性設計規范與設計準則，伺服驅動器中的大功率半導體器件，往往由于過壓、過流、過熱、PWM橋電路短路等原因而容易損壞。因此，伺服驅動器是變槳距控制系統可靠性與安全性的關鍵單體，對它的保護設計非常重要。應包括：過載、直流母線電壓過高/過低、電樞電流過大與變化過快、大功率器件過熱、角位移傳感器輸出錯誤等保護；在CAN總線通信、RS232/485通信中，在選擇通信方式與制訂通信協議時，應采取避錯、查錯、糾錯與容錯等措施，保證數據傳遞的可靠性；在系統成本增加不多情況下，盡可能對輸出的信號采取回讀措施：設計回讀在板電路或者外接測試電纜形成系統輸出/輸入自閉環；選用質量等級高的器件，并采取嚴格的測試、篩選、老化等技術措施，以進一步提高器件質量和確保其可靠性；采用降額設計技術，降低晶體管等半導體器件電流、電壓應力，進一步提高器件可靠性和降低由于溫升產生的不穩定性；箱體的設計一方面應采取防振動、防沖擊、防腐的技術措施；另一方面應合理協調防塵、防濕、電磁屏蔽與防過熱對箱體的防護要求；要做好變槳距控制系統的模塊化設計。控制器、伺服驅動器、蓄電池及其控制裝置等均作為獨立部件設計，而構成部件的角位移檢測與處理模塊、電流檢測與處理模塊、微處器模塊、變流模塊等也作模塊化設計。部件之間、模塊之間的信號交換與線纜連接也設計得盡量簡單。以便于故障診斷與故障件的更換，提高了可靠性、可維修性，也便于模塊的更換與升級。

軟件的安全性、維護性、可靠性設計規范與設計準則，對于軟件的安全性設計，在軟件設計時應采用安全性分析技術(如軟件故障樹分析及故障危險分析)，找出安全性關鍵功能及其控制軟件，如有：與安全相關的故障處理功能、與安全相關的中斷處理功能、啟動安全關鍵行為的信號的功能等；并采取相應的軟件安全性設計方法，如有：安全性關鍵功能受控于兩個獨立的輸入、安全性關鍵信息不用一位邏輯來表示、非授權存取的控制、程序走飛后具有自復位功能等。在軟件的維護性設計方面，在進行軟件設計時，使軟件部件與軟件單元的內聚強，而它們之間的耦合弱。軟件系統應具有良好的模塊化結構，具有程序加載和卸載功能，具有激活和停止某一個進程(或模塊)功能，具有備用進程(或模塊)機制，具有安全控制及容錯控制的“使能”功能等。產品必須具備用于調試和檢測的監控程序、離線自動-半自動測試程序，并提供相應的人-機界面，顯示測試結果信息。

軟件的可靠性設計方面。在軟件設計時可采用的可靠性設計技術有避錯、查錯、糾錯與容錯四個方面，如有：采樣濾波(剔除跳點或防抖動程序) ，檢糾錯碼、判定數據有效范圍、檢查累加和、識別特殊標記(如幀頭幀尾碼)、口令應答，重要數據校驗保護設計(奇偶校驗、和校驗、CRC校驗等)，重要控制“通行證”設計，合理性檢查與判決程序，總線通信、信息交換、接口握手的超時設計，定時檢查或巡查、自測試自診斷程序設計：如對重要的接口信息狀態檢測、對重要的控制過程的狀態及其控制結果的檢測、對故障狀態的檢測、對總線通信狀態的檢測、故障定位與屏蔽等，斷點再啟動，重啟(“熱啟動”、“軟啟動”等)，程序走飛的陷阱設計，“看門狗”等。在數學計算中，而對于數據的極端情況的處理，更應注意，決不能讓系統因此而意外停機或作出意外反應。

5 電磁兼容性與防雷電設計技術規范與設計準則

對于電磁兼容性設計技術規范與設計準則方面，產品的電磁兼容性設計應考慮產品抗外界電磁干擾與抑制產品對外電磁干擾兩方面。一般應從降低干擾源的干擾強度、衰減干擾從源到受體的傳遞能量、提高干擾受體的抗擾動能力這三個方面采取技術措施，如有：防電磁干擾箱體結構設計包括：設計選用所使用的金屬等電磁屏蔽材料，設計隔艙化結構，設計入出箱體線纜的濾波器，設計射頻密封墊等；板卡輸入輸出端口接入靜電放電、抗電磁干擾濾波器；電路的電磁兼容性設計包括：元器件選擇與位置布置，脈沖前后沿和電路的設計，接地和隔離設計，板卡級濾波器設計，特別是關鍵電路(如晶振、高頻電路)和印制走線的位置選擇、去耦、屏蔽和隔離等。電路的抗擾與穩定裕度設計包括：濾波、隔離、匹配、輸出回讀等電路抗擾設計；在穩定裕度設計時應充分考慮動態時序競爭，以及電氣元器件的溫漂、時漂、環境(如供電)對穩定裕度的影響和變化；電子、電氣布線的電磁兼容性設計技術措施有：線纜的分隔敷設、屏蔽與接地，信號傳送線的阻抗匹配等。布線包括各單體之間的接線與各單體內部的連線；變槳控制系統的電磁兼容性設計應滿足相關國標要求。防雷電沖擊設計技術規范與設計準則主要包括，變槳距控制系統的所有出入口端，特別是電源接入端口，應接入防雷組件吸收雷電波，通過滑環交換的信號端口必須并裝防雷保護器件；防雷接地保護設備的防靜電接地、屏蔽接地等其它接地點應遠離防雷接地。接地保護是非常重要的環節，良好的接地將確保控制系統免受不必要的損害，達到安全保護的目的。

6 模塊化設計準則

硬件模塊的分割和設計應考慮：整體性原則：模塊功能不可太小、零碎、牽涉其它零部件太多；繼承性原則：采用以前成功和可用的部件或設計(下兼容)，不受或少受因技術發展帶來的外購件更新造成的影響，以及本身使用范圍廣、壽命長(上兼容)；安全性原則：功能模塊的輸入和輸出接口在上電或復位時，在其它的與之相關的模塊不使用或未接入時，必須是確定的、已知的、安全和可靠的，特別是涉及執行機構的模塊絕對不能產生使產品誤動作的輸出；通用化原則：在增加產品成本不多情況下，驅動器應考慮對直流伺服電機、交流異步伺服電機、交流同步伺服電機的適用性。

軟件模塊化設計時應考慮：軟件模塊的內聚性要強、模塊間的耦合性要弱，模塊與模塊之間的信息傳遞，最好采用參數化的形式；功能模塊的輸入和輸出接口，應利于程序的更改、模塊的測試；要盡量減少模塊內引用和修改的全局變量，以增強模塊的擴展性；進入該模塊和退出該模塊后，系統資源(如內存等)的平衡，以防止耗盡系統資源，而使系統崩潰。

7 線路選用與設計準則

采用通用的電氣元器件和部件：如顯示器件、電源；成熟技術和典型線路可以按需要更換參數直接選用；新設計邏輯電路必須進行靜態負載計算、動態時間計算、時序分析；新設計模擬電路必須進行線路原理分析、參數計算、靜態動態輸入輸出性能分析、擾動影響分析等。

8 產品的成本控制準則

設計者從產品的方案設計開始到最終的工程設計中均應進行成本控制，為此應注意如下幾點：對批量生產的產品而言，硬件成本是永遠的，而軟件成本是一次性投入，因此在不影響產品功能情況下，用硬件和軟件均可實現的，應優先考慮后者；利用已有批量化生產的產品部件和外購通用元件、部件；減少產品設計中使用元件的種類，增加同一元件的使用數量；對基本配置外功能的擴展采用添加元件或者選擇模塊實現；設計前咨詢元器件多家供貨商，優先使用高質量、低價格、信譽好、供貨及時、售后服務好的廠家或供貨商；加強產品的可靠性、維修性設計，減少產品售后的服務成本與用戶的使用成本。

9 結束語

文中對電動變槳距控制系統產品國產化的關鍵技術問題，從變槳距控制系統研制的指導思想和設計原則、關鍵研究內容、系統設計規范與設計準則、電磁兼容性與防雷電設計技術規范與設計準則、模塊化設計準則等方面提出了一些可供參考的措施。