基于交流异步伺服技术的风电机组变桨系统

2011-06-02赵迎春郝魁红

电机与控制应用 2011年5期

赵迎春，余康，郝魁红

(1.中国民航大学航空自动化学院，天津 300300;

2.北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100085)

0 引言

风力发电机组控制系统主要包括主控制器、变桨距控制、并网控制、功率控制、无功补偿控制和偏航控制等。其中风力发电机组变桨控制系统(风电机组变桨系统)是风电机组控制系统的重要组成部分，至今尚无较成熟的国产化产品，目前国内市场几乎被国外产品所垄断。

风电机组变桨系统承担着风电机组的控制和保护双重任务。在机组起动时，变桨系统控制桨叶转到合适的角度，使叶轮拥有合适的起动力矩;并网过程中，变桨系统控制叶轮速度，实现快速无冲击并网;在额定风速以下时，变桨系统控制桨叶桨距角到0°，使机组达到最大出力;在额定风速附近(以上)时，变桨系统依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应)，同时减少风力对风力发电机的冲击;在停机时，变桨系统将风机桨叶调整到顺桨位置，实现空气动力学制动刹车，使风电机组安全停运。变桨距控制与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电机组的发电效率和电能质量［1］。

风电机组变桨系统主要采用电动变桨技术，其核心是伺服控制系统，目前国内风电机组变桨系统主流产品采用的是直流伺服控制系统。本文对风电机组变桨系统的总体结构和特点进行了介绍，对目前流行的伺服控制系统的应用特点进行了分析，进而提出了一套基于交流异步伺服技术的风电机组变桨系统方案，并对系统设计中需重点考虑的问题进行了说明。

1 风电机组变桨系统组成和总体结构

风电机组变桨系统主要包括变桨主控制器、伺服系统(包括伺服驱动器、伺服电机及其传感器)、备用电源系统、配电系统、减速箱和传感器等。风电变桨系统采用三套伺服控制系统分别对每个桨叶的桨距角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒10°，桨距角控制范围为0～92°，电机轴至桨叶驱动轴的减速比约为1 800(某1.5 MW机组数据)，每个桨叶分别采用一个带转角反馈的伺服电机进行单独调节，电机转角反馈采用编码器，安装在电动机轴上，由伺服驱动器实现转速和转角的闭环控制。伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制。在轮毂内齿圈上安装位置编码器或位置开关，用于比对电机编码器。在轮毂内齿圈边上还装有2个限位开关(91°和96°)。变桨系统的供电来自机舱柜提供的三相380 V(带零线)交流电源(3×400 V+N+PE)，该电源通过滑环引入轮毂中的变桨系统。如果交流供电系统出现故障或紧急状态下，由备用电源系统向伺服驱动器供电，快速将桨叶调节为顺桨位置。备用电源主要由储能机构(蓄电池或超级电容等)和充放电管理模块构成。

目前风电机组变桨系统的总体结构主要有3柜、4柜、6柜和7柜，3柜结构采用3个轴控制箱(后备电源及电源管理模块放在轴控制箱内，主控制器放在其中一个轴控制箱内或每个轴控制箱内配置1套控制器)，4柜采用1个主控制箱和3个轴控制箱(后备电源及电源管理模块放在轴控制箱内)，6柜结构采用3个轴控制箱(变桨主控制器放在其中一个轴控制箱内)和3个后备电源箱，7柜结构采用1个主控制箱、3个轴控制箱和3个后备电源箱。采用何种结构，与风电机组轮毂尺寸大小、后备电源类型及电压等级、配电系统的规模等诸多因素相关。图1为典型的7柜变桨系统总体结构图。

2 风电机组变桨系统中的伺服系统

风电机组变桨系统的核心是3套伺服控制系统，分别用于控制3个桨叶的桨距角，伺服控制技术是风电变桨系统的关键技术之一。根据选用电机的不同，伺服控制系统可以分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类型，交流伺服系统又可分为异步电动机伺服系统和永磁同步电动机伺服系统。三种伺服系统比较如表1所示［1，3］。

表1 3种伺服系统比较

目前国内风电机组变桨系统主流产品如LUST、SSB等采用的都是直流伺服系统，其主要优点是后备直流电源接入方便且能直接驱动直流电机，串励直流电机起动转矩大，但有电机碳刷维修困难、成本高等缺点。采用矢量控制的交流伺服控制系统代表着伺服控制系统的发展方向，其控制性能已达到或接近直流伺服控制系统，交流电机有结构简单、可靠性高、维护方便等诸多优势，因此在风电变桨系统中采用交流伺服系统正成为发展方向，近年来从国外新引进的风电机组变桨系统也验证了此趋势。交流电机中，永磁同步电机只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动，但其缺点是需要采用编码器来进行转子磁极位置检测，编码器故障可能导致失步，而在风电机组实际运行过程中，电机编码器是较容易损坏的部件之一，其次，永磁同步电机成本较高;异步电机在矢量控制算法方面比永磁同步电机稍显复杂，多了与电机参数相关的磁链观测环节，但总的说来，针对异步电机的矢量控制算法已很成熟，且在编码器故障情况下，它可采用VVVF方式安全运行，就电机本身而言，异步电机有结构简单、可靠性高、环境适应性好、成本低等优点。

图1 典型的7柜变桨系统总体结构图

风电机组变桨系统的运行环境较为恶劣，综合考虑性价比，采用异步电机的交流伺服系统更具优势，是风电机组变桨系统的发展方向。目前丹麦KK和德国ATEC公司提供的风电机组变桨系统已采用交流感应伺服技术，并已得到应用。

3 适用于风电机组变桨系统的交流异步电机伺服系统

一套交流异步电机伺服控制系统主要包括一台交流伺服驱动器、一台交流异步电机和配套的传感器等。

3.1 特点

伺服系统一般为通用性产品，将其应用于风电机组变桨系统时，又有其特殊性。适用于风电变桨控制的专用交流异步电机伺服系统特点主要体现在以下8个方面:(1)实现位置环、速度环和电流环三环控制。变桨系统的位置指令由风电主控系统运算产生，变桨系统的主要功能是根据风电主控送来的位置指令调整桨叶到相应位置。通用伺服主要实现速度环和电流环控制，位置环一般在上层可编程逻辑控制器(Programmable Logical Control，PLC)中实现，针对风电变桨系统特点，在伺服控制系统实现三环控制更能提高系统的控制效果和可靠性。(2)控制方式能根据情况的变化自动改变。在正常情况下，伺服控制系统以三环控制方式工作;在手动操作方式下，伺服控制系统以速度环和电流环两环控制方式工作;在编码器故障情况下，伺服控制系统以VVVF开环方式工作。通过不同情况下伺服控制系统工作方式的自动转换，能较好地满足风电机组变桨系统的控制要求。(3)接收冗余编码器信号。伺服电机轴上安装有一个绝对式加增量输出的编码器用于变桨伺服控制系统的正常闭环控制，同时为了提高测量的可信度，在轮毂内齿圈上安装了一个绝对式位置编码器，用于比对电机编码器测量的正确性。(4)足够的输入输出通道。变桨系统有一些必要的模拟量输入信号、开关量输入和输出信号需要伺服控制系统来处理，伺服控制系统应满足实际需求。(5)完善的系统自诊断功能。风电机组变桨系统中的伺服控制系统是其核心组成部分，其状态信号输出通过中间继电器触点直接进入机组安全链，以确保一旦伺服控制系统出现异常，机组安全链能及时动作实现安全快速停机，伺服控制系统状态信号的产生需要伺服控制系统有完善的系统自诊断功能。(6)系统初始化和变桨系统特殊工况下的处理策略。对于一套控制系统，除完成基本控制和保护功能外，系统初始化和在应用领域特殊工况下处理策略的全面性和严密性是其性能优劣的关键所在，也是难度较大之处，对于变桨伺服控制系统也是如此，必须高度重视。(7)后备电源的接入。在主电源故障的情况下，风电机组必须依靠变桨系统实现安全停机，因此变桨伺服系统需要配备后备电源，后备电源为直流电源，因此必须在伺服驱动器直流母线上设计接入后备直流电源的通路。(8)伺服驱动器故障时的辅助控制措施。由于后备直流电源无法直接驱动交流电机，因此在伺服驱动器故障时，采用必要的辅助手段完成该桨叶的安全顺桨，这对于提高交流伺服系统应用于风电机组变桨系统中的可靠性是有必要的。

3.2 交流异步电机伺服驱动器

3.2.1 伺服驱动器硬件系统

交流异步电机伺服驱动器硬件大体上可分为控制电路和功率逆变电路两大部分。伺服驱动器采用TI公司的32位数字信号处理器(Digital Siginal Processor，DSP)芯片TMS320F2812构成全数字化主控系统，采用三菱PM系列智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)构成功率放大系统。

系统硬件功能框图如图2所示。硬件系统主要包括两大模块，以TMS320F2812为核心的主控制板和以IPM功率器件为核心的逆变器主电路板。主控制板的设计针对变桨驱动的要求，充分考虑DSP的资源和功能特点，使系统具有高可靠性和功能灵活性。控制板除了能够完成伺服系统矢量控制的核心算法外，还具有一个伺服系统所必须的一般通用功能和变桨控制的特殊功能。控制板主要包括模拟信号输入接口、数字IO接口、位置和转速信号接口、通信接口、控制接口及其他基本外围功能接口等几部分。交流异步电机伺服控制系统功率板的主电路主要包括:逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电压检测、故障保护等。

图2 以TMS320F2812为核心的交流异步电机伺服驱动器

逆变器的拓扑结构如图3所示。图中虚线框表示IPM，R4为制动电阻。起动前，整流模块通过充电电阻R1，向电容C1和C2充电，以防止充电电流过大。当C1和C2电压达到额定值时，继电器J1吸合，将R1短路掉，防止R1消耗能量。电压霍尔与2个电流霍尔分别用来检测直流母线电压以及U相和V相电流。

图3 逆变器拓扑结构

3.2.2 伺服驱动器软件系统

(1)控制原理。交流异步伺服电机控制采用了基于电机动态数学模型的矢量控制策略。

在转子磁场定向的同步旋转坐标系下，异步电机电压方程可表示为

电机转矩方程可写为

转子磁链方程为

由此可得异步电机动态数学模型如图4所示。

图4 同步旋转坐标系下交流异步电机动态数学模型

基于上述方程的采用转子磁场定向的矢量控制策略实现异步电机的高性能内环控制结构图如图 5 所示［2］。

图5 转子磁场定向的异步电机矢量控制框图

(2)控制软件的结构。控制软件基于上述策略，采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的成熟控制结构。交流电机都是强耦合的非线性系统，运行过程中在电机参数变化、负载波动等扰动作用下，基于线性控制理论的PI调节器很难保证在大的速度和负载变化范围内的动态控制性能，为此，重点针对变桨控制的高低速性能要求，在必要的情况下采用弱磁控制、基于参数辨识的动态自适应控制等算法，解决电机在所需调速范围内对负载的适应性和转速的平稳性，以及转角的高精度控制等问题。

3.2.3 伺服驱动器通信接口

系统采用CAN通信协议实现伺服驱动器和变桨距主控制器之间的信号传递，如桨距角指令、桨距角位置、伺服驱动器状态信号等。

系统设计了232/485串行接口用于伺服驱动器和上位机之间的主从通信，采用Modbus通信协议进行数据信息交换，主要用于查看系统参数状态，修改系统参数。

3.3 伺服系统诊断和保护

变桨伺服驱动器必须有完善的诊断和保护功能，并将诊断状态汇总到1个特定的DO通道输出，通过中间继电器触点直接进入机组安全链。伺服驱动器正常时，此DO状态为高电平，一旦伺服驱动器异常，此DO状态变为低电平，安全链动作，机组紧急停机。

伺服驱动器诊断状态判断逻辑一部分由硬件实现，一部分由软件实现。

硬件实现部分如下:(1)电源监控，当电源电压低于允许值时诊断状态DO由高电平变为低电平，机组安全链动作;(2)看门狗保护，当伺服驱动器死机时，利用WatchDog完成伺服驱动器复位，诊断状态DO由高电平变为低电平，机组安全链动作。

软件实现部分如下:

(1)第1类为严重损伤故障，具体包括伺服驱动故障、过电流、直流母线电压过高、直流母线电压过低、电机过热和散热板过热等。

第1类条件发生时执行动作:脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)输出封锁，电机主接触器断开，电机制动器失电，伺服状态DO输出低电平，风机安全链动作。伺服必须重新上电后，PWM输出才可能解锁。

(2)第2类为编码器故障，具体包括:两编码器位置偏差大、电机编码器断线和桨距角编码器断线等。

第2类条件发生时执行动作:伺服状态DO输出低电平，风机安全链动作;收到紧急顺桨命令后，采用VVVF方式完成紧急顺桨动作。

(3)第3类为主电源和通信故障，具体包括:主电源故障和CAN通信故障等。

第3类条件发生时执行动作:伺服状态DO输出低电平，风机安全链动作;收到紧急顺桨命令后，完成紧急顺桨动作。

3.4 后备电源系统

风电机组变桨伺服系统在系统主电源失去的情况下，应能快速完成风力发电机桨叶的顺桨，使风力发电机能安全停运，这就要求风电机组变桨系统有一套完善可靠的后备电源系统。后备电源系统主要包括后备电源、后备电源充电模块及后备电源接入回路。

目前风电机组变桨系统传统的后备电源采用阀控式铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池组的充电时间较长，寿命一般只有约3年，且环境温度对其寿命有较大影响，蓄电池的工作温度和储备温度都有比较严格的限制(－25℃ ～+45℃)，一旦超出该温度，电池的使用寿命将会大大降低。有统计表明，一旦储备温度低于－30℃，电池的使用寿命将会大大缩短。超级电容可靠性高，充电时间短、寿命长，充放电可达50万次以上，受环境温度影响小，工作温度可以在－40℃ ～+50℃，使用寿命约可达到15年，具有明显优势。因此，风电机组变桨系统采用超级电容组作为后备电源。

图6为采用超级电容组作为后备电源的连接原理图，超级电容组直接与直流母线连接，因此可以实现在电网出现瞬间低电压时，无间隙地给变桨伺服系统和变桨主控制器供电，通过风电机组主控系统和变桨系统之间的协调配合，能够保证真正地实现低电压穿越功能。

图6 采用超级电容组作为后备电源的连接原理图

4 交流伺服驱动器故障时的辅助控制措施

通过采用矢量控制策略等方法，交流电机包括交流异步电机或永磁同步电机已可以实现达到或接近直流电机的性能指标，且没有直流电机换向装置带来的维护和可靠性问题，具有更好的应用前景，所以在绝大多数工业应用领域，交流伺服都已逐步取代了直流伺服系统。但目前风力发电中更多地采用直流伺服变桨系统，主要与变桨系统对顺桨可靠性的高要求及备用电源的特点有关。在主电源断电故障下，系统采用备用电源供电，而备用电源一般为蓄电池组或超级电容组，为直流电压源，采用直流电机可直接将备用电源接到电机的电枢绕组进行顺桨，无需其他变换设备，现有的交流电机方案必须通过逆变装置才能获取电能完成顺桨，比直流电机方案多了一个逆变环节，从而降低了顺桨的可靠度，出于这一考虑，目前风电系统中更倾向于选择直流伺服变桨方案。可以说，在风电变桨系统中，只要能提高交流电机在其伺服驱动器故障情况下的顺桨可靠性，交流伺服系统就可全面取代直流伺服系统，最大程度地发挥交流驱动系统的优势。

对于交流伺服系统，其伺服驱动器故障时可采取以下两种措施:(1)系统配置一台辅助变频器，当交流伺服故障时，采用此辅助变频器去驱动故障交流伺服对应的交流电机，完成紧急顺桨。(2)对交流伺服驱动器进行专门设计，使其具备冗余控制功能，即一台交流伺服驱动器故障时，其毗邻的一台交流伺服驱动器在完成本桨叶紧急顺桨后，能帮助故障伺服驱动器完成紧急顺桨功能。

5 风电机组变桨系统需考虑的问题

风电机组变桨系统基于其工作环境的特殊

性，还应

重点考虑如下问题:(1)风电机组变桨系统安装于轮毂中，长期在旋转且有一定振动的环境下运行，因此系统部件的安装固定牢固度要求高，接插件需采用工业重载接插件，电缆需考虑固定措施，防止长期受离心力作用导致疲劳损伤。(2)中国风力资源丰富的主要集中地区气候严寒，要求风力发电机控制系统必须有较强的耐低温性能，储存温度要求达到－40℃，工作温度应达到－30℃，因此对系统部件的耐低温性能要求很高。(3)受到风电电能质量的影响，风电机组变桨系统电源波动范围可能较大，因此变桨系统电源模块应选用宽范围输入电源模块，重要电源交直流冗余配置。(4)风电机组变桨系统在防雷和接地方面应进行严格设计，变桨系统和风电主控的连接应全部通过防雷击模块进行保护，系统接地应确保可靠。