竇真蘭， 程孟增， 蔡 旭，2， 凌志斌

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，風(fēng)力發(fā)電研究中心，電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

目前世界上投入使用的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)主要有兩種方案:液壓變槳距系統(tǒng)和電動變槳距系統(tǒng)。本文分析了大型風(fēng)力機(jī)的變槳距緣由，針對這兩種變槳距控制，從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理、變槳系統(tǒng)控制、控制器設(shè)計等方面進(jìn)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(tǒng)的動態(tài)特性，為大型風(fēng)電機(jī)組的全工況仿真奠定基礎(chǔ)，而且變槳系統(tǒng)的控制器設(shè)計，為實(shí)際風(fēng)場中變槳控制提供理論支持，為大型風(fēng)電機(jī)組的研制提供理論保證。

1 大型風(fēng)機(jī)的變槳距控制

根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)特性［3］，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率為

式中:ρ——空氣密度;

R——風(fēng)力機(jī)葉片的半徑;

v——風(fēng)速;

β、λ——槳距角，葉尖速比;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)，其理論極限為0.593。

風(fēng)力機(jī)的功率特性可由一簇功率系數(shù)Cp性能曲線來表示，如圖1所示，則Cp的變化規(guī)律與槳距角和葉尖速比的關(guān)系如下:

(1)若給定β，Cp存在唯一的最大值Cpmax。

(2)若給定 λ，當(dāng)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(fēng)能利用系數(shù)曲線

理論上，風(fēng)力機(jī)輸出功率是風(fēng)速的立方函數(shù)，隨著風(fēng)速的增加，其輸出功率是無限的。但實(shí)際的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)部件的機(jī)械強(qiáng)度受轉(zhuǎn)速限制，所以風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率是有限度的，超過限度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的某些部分便不能正常工作［1-3］。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，利用變槳控制系統(tǒng)增大β，降低Cp，控制風(fēng)輪捕獲功率，保持風(fēng)力機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。根據(jù)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，變槳距系統(tǒng)可分為:液壓變槳距系統(tǒng)和電動變槳距系統(tǒng)。

2 液壓變槳距系統(tǒng)

液壓變槳系統(tǒng)根據(jù)給定的槳距角，利用一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動或者由3個液壓缸分別推動槳葉轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)槳距角，優(yōu)點(diǎn)是對于大慣性負(fù)載具有頻率響應(yīng)快、扭矩大，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，便于集中控制和集成化等優(yōu)點(diǎn)，目前在中國商業(yè)機(jī)組中占有重要的地位，國外Vestas、Gamesa和EHN等公司的風(fēng)機(jī)也采用液壓變槳技術(shù)。缺點(diǎn)是其傳動結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，漏油、卡澀時有發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文分析的液壓變槳距系統(tǒng)采用液壓缸作為原動機(jī)，通過一套曲柄滑動結(jié)構(gòu)同步驅(qū)動三個槳葉變槳距。變槳距機(jī)構(gòu)主要由推動桿、支撐桿、導(dǎo)套、防轉(zhuǎn)裝置、同步盤、短轉(zhuǎn)軸、連桿、長轉(zhuǎn)軸、偏心盤、槳葉、法蘭等部件組成。變槳控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速算出槳葉的槳距角調(diào)節(jié)信號，液壓系統(tǒng)根據(jù)指令驅(qū)動液壓缸，液壓缸帶動推動桿、同步盤運(yùn)動，同步盤通過短轉(zhuǎn)軸、連桿、長轉(zhuǎn)軸推動偏心盤轉(zhuǎn)動，偏心盤帶動槳葉進(jìn)行變槳距。

液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，槳距角同液壓缸位移成正比。當(dāng)槳距角減小時，液壓缸活塞桿向右移動，有桿腔進(jìn)油;當(dāng)槳距角增大時，活塞桿向左移動，無桿腔進(jìn)油。液壓系統(tǒng)的槳距控制是通過電液比例閥實(shí)現(xiàn)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(shè)置的位移傳感器，利用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行液壓缸位置閉環(huán)控制。為提高順槳速度，變槳距執(zhí)行系統(tǒng)不僅引入差動回路，還利用蓄能器為系統(tǒng)保壓。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障斷電緊急關(guān)機(jī)時，立即斷開電源，液壓泵緊急關(guān)閉，由蓄能器提供油壓使槳葉順槳。

2.2 液壓變槳距系統(tǒng)控制

液壓變槳距系統(tǒng)的槳距控制如圖2所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓系統(tǒng)(電液比例閥和液壓缸)，槳距控制器根據(jù)槳距角給定與實(shí)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(zhuǎn)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(shí)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(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)槳距角。

液壓變槳距系統(tǒng)是一個典型的位置控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)通過控制電液比例輸出閥的壓力實(shí)現(xiàn)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(shè)計。

圖2 變槳距控制框圖

(1)液壓元部件數(shù)學(xué)建模。電液比例閥的閥心運(yùn)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(shù)為

在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)起主導(dǎo)作用的是動力機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)，與閥控液壓缸相比，比例閥動態(tài)響應(yīng)速度很高，可將其等效為比例環(huán)節(jié)Ka·Kv。

液壓缸的傳遞函數(shù)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(yīng)速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于動力機(jī)構(gòu)，可將其等效為比例放大環(huán)節(jié)，其增益為Kr。

(2)槳距控制器設(shè)計。變槳控制器采用PID調(diào)節(jié)器，主要是為了提高變槳的響應(yīng)性能，增強(qiáng)位置跟蹤性能，動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 液壓變槳控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

作為位置跟蹤控制，希望位置的超調(diào)與振蕩很小，故將其校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)。經(jīng)設(shè)計，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp遠(yuǎn)大于積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，主要起作用的是Kp，這與液壓系統(tǒng)本身慣性大、工作頻率較低的特點(diǎn)一致。

2.3 液壓變槳距系統(tǒng)仿真

根據(jù)液壓變槳系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理，利用Sim-Hydraulics搭建液壓變槳系統(tǒng)仿真模型。電液比例閥控制信號，設(shè)置值為0～0.3，與槳距角0°～90°相對應(yīng)，功率調(diào)節(jié)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。基本仿真過程為風(fēng)力機(jī)處于順槳位置，第8 s開始功率調(diào)節(jié)，第18 s正常關(guān)機(jī)，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(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)分析可知:液壓變槳距閉環(huán)PID系統(tǒng)根據(jù)電液比例閥的輸入信號，定量對槳距角進(jìn)行準(zhǔn)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(shí)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(guān)系，給出控制信號后，經(jīng)過1 s的延遲，即調(diào)節(jié)槳距角至給定位置，誤差很小。相對于開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，槳距角跟蹤誤差相對更小。

3 電動變槳距系統(tǒng)

電動變槳機(jī)構(gòu)利用伺服電機(jī)帶動減速機(jī)的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，而小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)相嚙合，從而帶動回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與槳葉一起旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)槳距角，具有快速性、同步性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可充分利用有限空間實(shí)現(xiàn)分散布置，同時不存在漏油、卡澀等機(jī)械故障，并能實(shí)現(xiàn)對槳葉的獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是電氣布線困難，動態(tài)響應(yīng)特性較差。另外電機(jī)本身如果連續(xù)頻繁地調(diào)節(jié)槳葉，將產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷使電機(jī)損壞。

3.1 電動變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動變槳距系統(tǒng)由變槳控制器、伺服驅(qū)動器和備用電源系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其能夠?qū)崿F(xiàn)3個槳葉獨(dú)立變槳距，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)的破壞。

電動變槳距系統(tǒng)的每個槳葉配有獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖7所示。伺服電機(jī)連接減速箱，通過主動齒輪與槳葉輪齒內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對槳距角的直接控制。

圖7 電動變槳矩系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖

如果電動變槳距系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電，伺服電機(jī)由備用電源系統(tǒng)供電，15 s內(nèi)將槳葉緊急調(diào)節(jié)為順槳位置。在備用電源電量耗盡時，繼電器節(jié)點(diǎn)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(nèi)齒圈邊上還裝有一個接近開關(guān)，起限位作用。在風(fēng)力機(jī)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(zhuǎn)動。

3.2 電動變槳距系統(tǒng)控制

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

其中轉(zhuǎn)子磁鏈為

式中:u，i，Rs，Ld——定子電壓、電流、繞組電阻、電感;

下標(biāo) d、q——其 d、q 軸分量;

ωr——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度;

φf——永磁體對應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈;

p——微分算子。

PMSM的運(yùn)動方程為

式中:J——轉(zhuǎn)動慣量;

B——衰減系數(shù);

θr——轉(zhuǎn)子位置;

Tl——負(fù)載擾動及不確定的擾動。

忽略電機(jī)定子繞組損耗和磁場儲能，PMSM的輸出扭矩可表示為

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的PMSM矢量控制系統(tǒng)，令 id=0，則 Te=3pnφfiq/2，即當(dāng) φf恒定時，定子電流的q軸分量iq代表了電磁轉(zhuǎn)矩Te，通過分別控制id和iq，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。

考慮到槳葉負(fù)荷的快速波動性，電動變槳距控制系統(tǒng)要求動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和快速跟蹤等，基于轉(zhuǎn)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(tǒng)的良好動態(tài)特性。

電動變槳距控制系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制，其中位置環(huán)用于實(shí)現(xiàn)位置的精確控制，速度環(huán)和電流環(huán)分別用于實(shí)現(xiàn)快速的跟蹤和動態(tài)響應(yīng)，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(jī)位置反饋θr進(jìn)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(jīng)過速度控制器，其輸出iq作為電流給定值;電流給定值與實(shí)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(diào)制算法對三相逆變器的電壓進(jìn)行控制，使電機(jī)獲得圓形磁鏈，實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速和位置的控制。

圖8 電動變槳距控制結(jié)構(gòu)框圖

3.3 電動變槳距控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計

電動變槳距控制系統(tǒng)的控制框圖如圖9(a)所示，其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖9(b)所示，按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，設(shè)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(shè)計。電流環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為

其中:Km=1/RS;Tli=Lq/RS;Ti= τv+Toi。

為使電流環(huán)有較快的響應(yīng)，σ≤5%，選取ζ=0.707，Ki×Ti=0.5，電流控制器的參數(shù)設(shè)計為

(2)速度控制器的設(shè)計。速度環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為

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

由于電動變槳距控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，當(dāng)h=5時，Ⅱ型系統(tǒng)具有較好的跟隨和抗擾動性能。

圖9 電動變槳控制系統(tǒng)控制

Ⅱ型系統(tǒng)中頻寬h:

速度控制器的參數(shù)設(shè)計為

(3)位置控制器的設(shè)計。位置環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為

其中:Tw=nsdJ/9.55Tsd;

Kw——電機(jī)實(shí)際速度和伺服速度指令的比值;

Tw——單位速度階躍響應(yīng)時間;

nsd——設(shè)定速度;

Tsd——設(shè)定電磁轉(zhuǎn)矩。

作為連續(xù)跟蹤控制，位置伺服不希望出現(xiàn)超調(diào)與振蕩，以免位置控制精度下降，故將位置環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，即ζ=0，系統(tǒng)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(shù)設(shè)計為

在電動變槳距控制系統(tǒng)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(tǒng)的良好性能。

3.4 電動變槳距系統(tǒng)仿真

根據(jù)電動變槳距系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理，利用Simulink搭建基于id=0的PMSM電動變槳距控制系統(tǒng)仿真模型。槳距角給定信號如圖10所示。基本仿真過程為首先風(fēng)力機(jī)處于順槳位置，第10 s開始功率調(diào)節(jié)(60°－40°－50°－20°)，第25 s正常關(guān)機(jī)，槳葉順槳至90°。

圖10 槳距角的給定

電動變槳距控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖11所示。由圖分析可知，電動變槳系統(tǒng)能夠根據(jù)給定槳距角，準(zhǔn)確輸出槳距角，位置無超調(diào)。在變槳過程中，變槳速度為10°/s，電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，與槳葉負(fù)荷轉(zhuǎn)矩保持同步平衡。另外當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠在8 s內(nèi)使槳葉順槳，保護(hù)風(fēng)機(jī)安全。

總體來說，電動變槳距系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)特性，能夠滿足高性能電動變槳距系統(tǒng)的精確槳葉位置控制和快速動態(tài)響應(yīng)等性能要求。

圖11 電動變槳距控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)語

液壓變槳和電動變槳，在功能方面，沒有優(yōu)劣之分;在性能方面，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，兩種變槳形式各有各的特點(diǎn)。本文針對兩種變槳距控制，從變槳系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理、變槳系統(tǒng)控制、控制器設(shè)計等方面進(jìn)行了研究，給實(shí)際變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論支持。另外對大型風(fēng)機(jī)的液壓變槳距系統(tǒng)采用SimHydraulics工具箱進(jìn)行液壓系統(tǒng)元器件的建模和仿真，以及對大型風(fēng)機(jī)的電動變槳距系統(tǒng)采用Simulink工具箱進(jìn)行電動系統(tǒng)元器件的建模和仿真，不僅直觀地反映了變槳距系統(tǒng)的動態(tài)特性，而且液壓系統(tǒng)與電動系統(tǒng)可以無縫連接，從而可實(shí)現(xiàn)整個大型風(fēng)電機(jī)組的全工況仿真，為加快大型風(fēng)電機(jī)組的研制提供有力的理論保證。

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