贾宁波
大唐河南清洁能源有限责任公司 河南郑州450000
摘要:目前,电动变桨系统已取代液压变浆系统并被大多数风力机组采用。电动变桨系统作为风力机组功率控制和安全运行的重要执行结构,直接决定风力机组吸收的风能的大小，对于机组的安全稳定运行发挥着重要作用。此处介绍了电动变桨系统的电气结构和运动控制技术要求,分析了系统中变桨控制器、备用电源、变桨电机和伺服驱动器4大部件的功能、特点及设计中需要注意的题。详细介绍了备用电源不同储能元件的方案,不同种类变桨电机的特点及其适用场合,伺服驱动器的不同设计方案，并分别做了比较分析。最后展望了电动变桨系统的发展方向。
关键词:风力机;电动变桨控制;变桨驱动器
1 引 言
变桨机组已经取代定桨机组成为风力机组的主流。变桨系统作为风力机组功率控制和安全运行的重要执行结构，在机组运行中发挥着重要作用。正常情况下,变桨系统按照风力机组主控制器的指令驱动桨叶旋转到达指定的桨距角位置,使风力机组在各种工况下(启动、正常运转、停机)按最佳参数运行,实现并网过程的快速无冲击;在紧急故障时，调节桨距角使桨叶顺桨，进行气动刹车,保证风力机组安全。
风力机组的变桨系统分为液压变桨和电动变桨两大类,其中,液压变桨系统存在非线性、容易泄漏、卡涩等缺点,泄漏不仅容易造成机组运行故障,而且给日常维护带来了不便。
电动变桨系统采用电机配合减速器对桨叶进行单独控制,其结构紧凑、可靠,可独立变桨。只要风机控制器给变桨控制器发出桨距角指令，变桨控制器就会按照--定控制策略控制3个伺服驱动器,驱动电机通过减速器带动桨叶旋转完成变桨。3个桨叶中只要2个桨叶处于顺桨位置即可保证风力机组顺利停机,处于安全状态。我国目前安装的风机主力机型容量在 1.5 - 3.6MW之间,且大多为电动变桨机组。
2 机组对变桨系统的要求
变桨系统工作环境恶劣，长期承受振动、高低温的影响，维护困难，故要求其具有较高的可靠性。在一定桨距角下,风力机组俘获的风能与风速的三次方成正比，特别是在高风速段的变化，引起风力机组俘获风能变化极大。为了保证平稳控制功率，风力机组正常运行时要求变桨速度达到5°s - 7°s。在风力机组出现故障需紧急停机时，原则上要求在机械部件允许的应力下，变桨加速度和速度越快越好，在0.8s内从静止加速到最大速度8s - 10s。为保证功率控制的精度和稳定性，位置误差要求在0.1°以内。
由于桨叶在不同桨距角受到的气动应力不同，风力机组3个桨距角不同步将造成风轮的气动不平衡，严重时会对风力机组的安全运行造成影响。因此对3个桨叶位置定位精度及运动过程的同步性有一定要求，要求同步误差小于1.5°
本质上讲，变桨系统是对同步性能有一定要求的三轴位置随动系统。
3 电动变桨系统的构成
电动变桨系统主要由变桨控制器、备用电源、伺服驱动器和电机4个部分组成。
3.1变桨控制器及备用电源
变桨控制器是变桨系统的中枢，负责与风力机组控制器及伺服驱动器的通讯，以及温度检测与控制、集中润滑、配电管理、监控保护、安全链和人机交互等功能。从安全角度考虑，变桨控制器需在逻辑上保证在维护或者修理状态仅能有1个桨叶离开顺桨位置。
备用电源由储能元件和充电器组成。备用电源需在主电源发生停电故障时为系统供电，使电动变桨系统将桨叶从零驱动到90°的顺桨位置。绝大多数时间里备用电源备而不用，故3个储能元件共用1个充电器，轮换充电，以降低设备成本。
出于对工作环境的考虑，储能元件必须免维护、可倒置、随桨叶旋转时无漏液，且必须满足变桨系统对温度范围、寿命等方面的要求，通常采用蓄电池或者超级电容作为储能元件。
备用电源的容量是变桨系统能否顺利顺桨的关键，采用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）作为储能元件时，其设计容量应满足 3-5 次顺桨的需要；采用锂电池作为储能元件时，其设计容量可比VRLA适当减少；采用超级电容作为储能元件时，其设计容量应满1.5-2次变桨的需要。
风电并网导则要求风力机组具有一定低电压穿越能力。因此变桨系统必须具有相应的在电网故障情况下正常运行的能力，该能力用E-ON功能曲线加以描述。
电网电压突然跌落到15％的额定电压，持续时间可达3s，然后电网恢复到额定电压的80％。在此过程中，变桨系统需要维持正常工作。由曲线可知，电动变桨系统在80％的额定电压下应该可以长期工作，即80％额定电压时不应切换到备用电源，且此电压下驱动器能够提供所需的力矩和转速来保证变桨系统的正常运行；输入电压降低到额定电压的80％以下，电动变桨系统可以切换到备用电源工作。在输入电压低至15％额定电压下变桨系统仍可工作，持续时间最长可达3s。在进行备用电源的容量设计时，必须考虑完成EON功能曲线所需的能量。
3.2变桨电机
电机是变桨动作的最终执行元件，其特性对变桨系统的性能有着重要影响。在变桨系统中，可采用的电机主要有4种:有刷直流电机、感应异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机。
感应异步电机结构简单、可靠性高、但体积稍大，适用于环境条件恶劣、不易维护但控制精度要求稍低的场合；无刷直流电机和永磁同步电机功率密度高、体积小、控制精度高，非常适用在对安装空间有严格要求的场合。
直流电机控制简单、控制性能好，在变桨系统上取得了广泛应用。但是直流电机的电刷和换向器不仅降低了电机的可靠性，也增加了电机长度，对在轮毂这种狭小空间内的安装使用造成了不利影响。矢量控制技术解决了交流电机在伺服驱动中的动态控制问题，使交流伺服驱动系统的性能可与直流伺服系统相媲美，而且总体成本更低。变桨系统中，有刷直流电机必定被交流伺服电机所取代。
3.3伺服驱动器
伺服驱动器根据变桨控制器发过来的指令，驱动电机旋转，通过减速器后带动桨叶旋转，完成对桨叶角度的随动控制。变桨系统通常采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制方式。按照位置环闭环位置的不同，伺服驱动器功能可分为位置伺服控制和速度伺服控制两类。
由伺服驱动器完成速度伺服功能时，变桨控制器向伺服驱动器发出速度指令，并实时统一协调，以此保证变桨系统的同步。该控制方式下，伺服驱动器接口少，功能要求较低。
由伺服驱动器完成位置伺服功能时，出于对3个桨叶变桨同步性的考虑，变桨控制器向伺服驱动器同时发出位置指令和速度指令，即以指定的速度到达指定位置。该控制方式下，各部件间功能耦合少，连接简单，但对伺服驱动器功能要求较高。
与大多数伺服系统不同，考虑到风力机组的安全，变桨系统伺服电机的D端均安装有刹车盘。在风力机组正常运行时，刹车盘处于松开状态，不对运行产生任何影响；当由于机组故障或者电网失电等原因，风力机组停止运行、桨叶在顺桨位置时，刹车盘处于刹车状态，防止桨距角因风漂移或其他原因桨叶误动。
4电动变桨的发展和展望
综合国内外情况，电动变桨正逐渐取代液压变桨成为大型风力机变桨系统的主流。在目前的电动变桨系统中，速度传感器、位置编码器多采用旋变和光电编码器，成本较高。研究采用低成本传感器或少用传感器，甚至采用无传感器来实现变桨控制的功能值得进行深入研究。按照对变桨系统桨距角控制策略的不同，变桨控制可分为两类:①同步变桨，即每个桨叶按照同一个目标桨距角同步调节；②异步变桨，即每个桨叶按照不同的目标桨距角调节。目前商业化的变桨系统均采用同步变桨控制，该控制也逐步被越来越多的研究人员所掌握。国外对于异步变桨的研究领先于国内，但尚无大规模化实际应用。在风机工作过程中，由于高度方向风切变、风力机组对风误差、塔影效应、叶轮垂直倾角的影响，整个风轮扫掠面上的风速并不均匀，桨叶在风轮扫掠面的不同位置受的风力及产生的旋转扭矩变化较大，且塔影效应也对受力和扭矩造成影响，这将造成桨叶的扭矩波动和拍打震动。扭矩的波动将引起作用在风轮、传动轴、齿轮箱上的扭矩负载波动，带来风机机械强度、振动、疲劳寿命和电能质量等方面的问题。异步变桨控制使每个桨叶的桨距角异步地按照一定规律变化，可使桨叶在整个旋转平面内受力趋向均匀，消除扭矩波动，从而减弱扭矩波动引起的一系列问题。由于电动变桨系统采用电机配合减速器对桨叶进行单独控制，所以结构上支持异步变桨控制。异步变桨控制策略要求电动变桨系统具有更高的变桨速度、动态响应能力和位置控制精度，以数秒为周期的频繁正反转运行、更低的损耗和更高的可靠性。为了适应变桨控制的发展趋势，进行积极的研究和探索，为异步变桨控制的应用奠定技术基础，这将是电动变桨系统进一步努力的方向。
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