直驅式風力發電機組變槳調速控制系統探究

楊 彬

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

20世紀末，德國ENERCONGmbH公司率先研發出直驅式兼具無齒輪、變速以及變槳距等特征的風力發電機，并投入市場應用。20世紀末，局限于控制技術、火力發電的低廉成本及成熟技術，風力發電機應用數量較少。21世紀初，隨著煤炭價格上漲和保護環境的需要，許多國家開始研究大型風力發電機組技術。巨型可變速風力發電機組、（直驅式）無齒輪同步發電機組、直驅變槳風力發電機組、永磁式轉子結構的高壓風力發電機組、變速無齒輪永磁同步風電機組以及直驅變槳風力發電機組等應用，逐步成為風力發電市場的熱門，其中風力發電機組效率最高可達98%。早期多采用齒輪箱風力發電機組，其復雜的機械傳動從側面降低了風力機效率，同時容易造成齒輪箱磨損，且風力機在塔頂維修保養較為困難。因此，目前多采用風力機槳葉直接驅動低轉速（直驅式）多磁極感應電機發電。發電機采用多極外轉子永磁體結構（軸向和盤式），葉片多采用新型輕質材料，結構更加輕巧簡單，效率更高。直驅式風力發電機逐步向大型應用發展，目前國內具有自主知識產權的2～7 MW永磁直驅風力發電機已被廣泛應用，在此展開對直驅式風力發電機組變槳系統控制模型的討論[1]。

1 直驅式風力發電機組變槳特性分析

直驅永磁風力發電機沒有笨重和復雜的增速齒輪箱。發電機通過傳動主軸直連到葉輪上，屬于變槳距調節型風機。發電機轉子依靠風力旋轉，機組通過地面大容量全功率變流器，對頻率變化的機側交流電實現交-直-交整流變換，再與電網交流電進行同步匹配，由并網進行傳輸。直驅風電機組結構較為簡單，主要由底板、發電機、輪轂、葉片、變槳系統、測風與偏航裝置以及基塔骨架等組成。風力發電機組安全性、穩定性以及資源利用率得到了極大提升，風機噪音控制效果極好，也很好地控制了風機維護與日常保養的費用。設備采用變速恒頻無功補償技術，大大延長了設備使用壽命。變槳系統機械結構主要由控制系統、葉片、變槳驅動、減速機、驅動輪、漲緊輪、齒形帶以及導流罩等構成，如圖1所示。

發電機組運行時，葉片隨風速變化徑向轉動。控制系統隨時根據風速改變槳距角，調節氣流功角，以最佳風速角度切入，減少風能施加在葉片上的旋轉氣動力，確保葉輪輸出功率不會超速（超過發電機額定功率）。

圖1 變槳系統結構

2 直驅型風力發電機變槳控制設計方案

2.1 變槳距控制模式

風力發電控制模式靈活多樣，可結合自然環境進行多種模式切換。常采用的控制方式包括定速定槳控制（FSFP）、定速變槳控制（FSVP）、變速失速控制（VSFP）以及變速變槳控制（VSVP）等。定速定槳控制相對成熟，建造及維護費用不高，適合普通用戶使用，但系統功率曲線不太理想；定速變槳控制模式葉輪處于恒速狀態，輸出功率比較穩定；變速失速控制模式對風速要求較高，需要在一定勻速自然風力狀態下才能滿足最優工作狀態，其輸出功率曲線不穩定；變速變槳控制模式在額定風速狀態條件下，利用閉合控制理論實現發電機轉速與風速的匹配，實現最優化功率輸出，風速超過額定狀態下，系統采用扭矩和變槳控制器聯合控制原理，實現輸出功率和輸出扭矩的平衡與穩定。總之，VSVP模式的功率曲線比較理想，如圖2所示。

直驅式風力發電機組采用閉環控制，控制風機正常運行時的葉片槳矩角。變速變槳矩調節控制模式下，變頻器通過電磁耦合控制發電機的葉輪旋轉反作用力矩變化，實現發電機與電網的連接。風速較大時，通過控制定槳距調節葉輪轉速實現恒功率輸出。變速變槳距調節控制器應用于變速風力機，控制器可利用變頻器調節發電機轉速，并用槳距控制限定風速超額定后的功率輸出[2]。系統根據風速條件控制最佳變槳角度，從而控制葉輪對電機的驅動功率滿足電動機性能的匹配要求。

圖2 相同容量的定槳距和變槳距機組功率曲線對比

2.2 變槳控制特點

變槳控制系統葉片變槳控制柜可獨立控制，增強了緊急工況下的安全性，每個控制柜都配備一套由超級電容組成的備用電源。當來自滑環的電網400 V AC掉電時，超級電容儲備的能量直接給變槳系統供電，使葉片以7°/s的速率從0°順槳到90°。經實測，部分金風風機可以完成270°以上的葉片驅動。變槳控制器和主控通信采用DP通信，傳輸速率為3 Mb/s。每個變槳柜都有獨立的手動和自動變槳設置及開關電源裝置。

2.3 變槳控制電路系統

變槳控制電路系統構成如圖3所示，主要包括直流充電器NG5、變槳變頻器AC2、超級電容、電容電壓轉換模塊A10以及KL3404、KL3204、BC3150、Pt100溫度傳感器等模塊。

外部檢測和驅動裝置包括變槳電機、編碼器（旋轉型）、倍福KL5001、KL4001模塊、5°和87°接近開關以及91°限位開關等。相比傳統將密封鉛酸蓄電池作備用電源的變槳系統，該系統采用超級電容充電，功能較為完善。

電容電壓轉換模塊A10將電容電壓（高電壓60V、低電壓30V）轉換成倍福KL3404模塊，能將檢測的低電壓送給控制中樞BC3150，并轉換AC2變頻器的心跳OK信號。總線控制器BC3150為系統的核心部件，內置變槳程序，通過K-BUS總線擴展技術，可連接多達255個總線端子，實現信號采集、系統通信以及控制功能。每個模塊都有自己的物理地址，3個變槳柜分別為十進制41、42以及43。

圖3 變槳控制系統拓撲原理

系統接口模塊可直接連接SSI傳感器（旋轉編碼器），實時監測葉片的變槳速度和方向。編碼器電源由SSI接口提供，接口電路產生一個脈沖信號以讀取傳感器數據，讀取的數據以bit的形式傳送到控制器的過程映像區。各種操作模式、傳輸頻率以及內部位寬可長時間保存在控制寄存器中。接近開關可無損不接觸地檢測金屬物體，通過感應高頻交流電磁場和目標體間的磁場變化實現檢測，并采用殊殊的鐵氧體磁芯，使得接近開關能抵抗交流磁場和直流磁場的干擾[3]。

3 結 論

隨著環保政策趨緊和電力電子技術的成熟應用，風力發電機組應用成為近些年發電市場的研究熱門。直驅式發電機組采用永磁、變速、恒頻以及低速傳動技術，極大地提高了風力發電機組的可靠性和輸出效率，降低了噪音和維護保養成本，大大延長了設備的使用壽命。未來，隨著超大容量機組、新型變頻調速控制以及電力通信等技術的發展應用，風力發電機組的應用將更加廣泛。