赵晶 成都阜特科技股份有限公司 610000
刘进 成都阜特科技股份有限公司 610000
作者简介：赵晶(1984—)，男，四川攀枝花人，工程师，在职工程硕士，主要从事风力发电控制系统的设计研究。
刘进(1984—)，男，湖南郴州人，工学学士，主要从事风力发电控制系统的软件开发研究。
摘要：
本文结合直驱永磁同步风力发电机组控制系统的控制原理、载荷设计、机械设计等参数要求。采用低压交流变桨控制技术方案，从变桨控制架构设计、后备电源设计、配电架构设计等，实现风力发电机组变桨距控制系统的稳定、可靠运行。
关键词：永磁同步风力发电机 变速变桨距控制 低压交流控制
Summary：According to the requirements of direct drive control system of permanent magnet synonous wind turbine control principle, load design, mechanical design and other parameters. The AC low voltage variable pitch control scheme, the pitch control architecture design, backup power supply design, power distribution architecture design, realization of wind turbine pitch control system is stable, reliable operation.
Key: PMSG Variable speed pitch regulated AC low voltage control
直驱永磁风力发电机低压交流变桨控制 系统设计与应用研究
1 永磁同步发电机简述
1.1 直驱永磁发电机的原理概述
永磁同步发电机转子上使用的是永磁材料励磁，没有励磁绕组，省去了励磁绕组的铜损耗;同时，发电机和风力机通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频器控制系统的作用，来实现风电机组的变速运行。
1.2 直驱永磁发电机的优势介绍
尽管双馈发电机目前占据着市场的绝大部分份额，它的缺点却是不容忽视的。很多中外风电设备制造企业和运营企业，经过多年的艰辛运营不免发现，双馈电机的升速齿轮箱不但效率低，而且故障率高，维修困难，其费用占整个风电设备的比例高达12.9%之多。而直驱式永磁同步发电机免齿轮箱，免转子励磁的特点，则良好地解决了这个问题。特别是直驱永磁发电机具有的优越的低电压穿越能力，为电网的友好运行和未来风电机组的大面积并网，提供了良好的基础。
1.3 直驱永磁发电机的应用现状
直驱发电机在时间上和双馈发电机大约同时出现，但长时间以来相对后者一直发展较慢。但随着双馈发电机缺点的不断显现，和直驱永磁技术的不断改进，直驱永磁发电机获得了跨越式快速发展，在陆地项目中不但得到了广泛的应用，而且在海上机组中也开始崭露头角，大有迎头赶上并超过双馈发电机的势头。采用直驱永磁发电技术的代表企业有金风科技及湘电风能等公司。
2 变桨设计规范
2.1 介绍
该风力发电机组为直驱永磁风力发电机组，额定2500kW。发电机组转速范围从7到14.5rpm，额定转速为10.9m/s，功率输出为2570KW.
变桨距控制系统的最重要目的是控制桨叶实现以下功能：
正常发电时，提供规范的发电机转速。
停机关闭程序时，提供规范的空气动力制动。
风力发电机组安全系统的重要组成部分。
风机启动时，提供启动转矩。
2.2 设计范围
每个独立的桨叶由以下组成部分：
桨叶
减速齿轮箱和变桨电机
后备电源
控制系统
驱动系统
电气和信号联系系统
传动设计参考以下要求：
电机功率、额定力矩参数
电机制动力矩参数
减速装置参数
输出轴和齿轮参数
2.3 功能说明
环境条件
环境温度：-30℃—70℃
湿度：95%
桨叶运行参数
桨叶运行范围：0º—90º
桨叶运行速度：±8º/s
桨叶装配：180º
2.4 极限载荷
概述
表格中是极限载荷情况下齿轮箱和变桨电机的力矩参数，该参数已经包含了1.35的安全系数。
2.5 疲劳载荷
表格中是正常发电情况下，变桨电机的力矩参数。该参数没有参考1.35的安全系数。
3变桨控制系统设计
3.1 变桨控制系统架构设计
图2-1-1 变桨控制系统图
驱动器和电机为低压交流控制技术，低压交流电机不仅制造简单易于维护、价格便宜，更重要的是低压交流电机具备非常好的调速和启动性能。在满足变桨系统桨叶控制性能的同时，大大降低了电能的损耗。
变桨控制系统采用的是三柜交流低压控制方案。将单只桨叶的控制系统和后备电源安装于一个变桨柜中，不仅节省了变桨柜安装空间和生产材料，还使变桨柜器件布局简单清晰，便于现场维护。
后备电源采用超级电容方案，超级电容使用寿命长，充放电次数达到百万次。充放电速度快，能够保证风电变桨系统桨叶运行时的能量存储和释放速度。存储和使用温度宽泛，能够应用于恶劣的运行环境。同时超级电容易于安装和免维护，减少风机变桨故障率和人工成本。
变桨控制系统与主控制系统通讯采用CAN总线通讯方式。CAN总线通讯特点是可以点对点、一点对多点以及全局广播几种传送方式，通信速率高、直接通讯距离远，抗干扰能力强，将CAN总线通讯应用于变桨距控制系统，实现了3个桨叶控制系统能独立与主控制系统实时通讯，保证了变桨控制系统的稳定和安全运行。
92°和95°两个限位开关保护变桨控制安全。当桨叶处在92°限位开关位置时，变桨系统立即停机，变桨系统不受通讯控制，但可通过主控系统发出的旁路信号，远程启动变桨系统。当桨叶处在95°限位开关位置时，变桨系统立即停机，变桨系统锁死，必须通过人工手动启动变桨系统。
桨叶位置通过电机编码器和桨叶编码器同时完成计算，保证了桨叶位置计算的精确性。
3.2变桨安全链设计
图2-2-1 变桨安全链
变桨系统分为3柜控制，每个变桨柜内有一台独立的PLC实现独立变桨功能。
主控安全链输出信号传输给每一个柜子的继电器，作为输入保持信号，继电器再传输给PLC，当该信号断开时，3个变桨柜同时执行紧急顺桨。
变桨控制器监控所有安全信号，任意一个安全信号触发PLC输出一个紧急信号，变桨安全链将被断开，主控控制器将会立即接收到紧急信号。
每一台PLC都通过CAN-BUS数据线与驱动器相连，如果他们之间失去通讯，驱动器将直接进入紧急工作状态进行顺桨(顺桨速度由驱动器自身决定)，与此同时PLC输出紧急信号断开变桨安全链，主控控制器将会立即接收到紧急信号，通知其它两个变桨柜进行紧急顺桨。当触发到92°限位开关时电机停止转动，(这个开关同时与驱动器和PLC相连)。
如果一个驱动器损坏，PLC输出紧急信号断开变桨安全链，主控控制器将会立即接收到紧急信号，通知其它两个变桨柜进行紧急顺桨。保证风机安全性。
3.3 配电设计
图2-3-1 配电设计
电源管理模块设计为3相400VAC输入，直流电压输出可调(60-100VDC)。
直流电压变换模块可以实现直流宽电压范围的输入和输出功能，一个直流电压转换模块给继电器和外部设备供电，另一个直流电压转换模块给PLC控制模块供电。
超级电容组和驱动直接连在直流母线上，在电容和母线之间没有开关或接触器，这种构造可以实现低电压穿越功能。
后备电源采用超级电容方案，超级电容具有充电时间快、工作和存储温度宽泛、使用寿命长等优点。超级电容目前广泛的应用于风力发电系统。
3.4桨叶位置精度计算
桨叶位置的精度控制，采用的设计方案为双编码器控制，一个安装于变桨电机、另一个安装于桨叶，通过不通的软件算法，将电机编码器和桨叶编码器计算出来的桨叶位置进行比较，相差2°/s变桨控制系统会收桨停机，保证风机的运行安全。同时将桨叶位置偏差报警上报于主控制系统。编码器器的选型为SSI多圈24位编码器。
桨叶位置的计算公式为：
通过计算可得桨叶位置的精度为0.032º，可以满足国18条关于变桨系统桨叶位置精度的要求。
3.5 超级电容顺桨能力计算
顺桨时间计算：
注释：90度为桨叶行程度数，8度/S为客户要求紧急顺桨速度
单次顺桨的容量计算为：
注释：7500W为电机额定功率，根据客户的电机额定功率来计算
电容的有效容量(有效放电深度：90VDC-40VDC)
U低的数据可以参考两个方面：1、超级电容组的放电最低电压。2、电机运行需要的最低电压。
电机最低电压的计算公式为：
有效电能放电次数：
3.6 加载测试
主要测试变桨在各种速度运行下加载的20Nm、55Nm、75Nm、120Nm、160Nm时的变桨电机电流。同时还测试了额定加载力矩55Nm时的变桨阶跃响应和跟踪主控正弦给定状况。
3.6.1 变桨系统变速控制
测试方法
按照2-6-1-1方式进行给定变桨速度和加载，进行测试。
测试数据
表2-6-1-1速度控制数据
测试结果
变桨系统在额定加载55Nm，变桨速度在-8Deg/s~8Deg/s时变桨电流电流在157A左右，在瞬间极限负荷下电机电流在300A左右。在最大负载160Nm的情况下仍能达到6°/s的变桨速度。整体性能满足机组运行要求。
3.6.2 变桨系统桨角阶跃控制(额定加载)
测试方法
通过主控制器控制，按照表2-6-2-1依次阶跃给定变桨桨角，监视变桨系统响应时间。
测试数据
原始数据：加载55Nm-阶跃-TestPara.txt
表2-6-2-1变桨阶跃给定桨角及响应时间
图2-6-2-1阶跃变桨桨角监控
图2-6-2-2阶跃变桨速度监控
图2-6-2-3阶跃变桨电流监控
测试结果
变桨系统响应时间大约200ms，能满足变桨控制要求。
3.6.3 变桨系统正弦控制(额定加载)
测试方法
通过主控制器控制，按照周期40s，桨角50~90Deg正弦给定变桨桨角，监视变桨系统跟随主控给定情况。
测试数据
原始数据：加载55Nm-桨角正弦.txt
图2-6-3-1加载变桨桨角监控
测试结果
变桨系统跟踪主控给定状况良好，能满足变桨控制要求。
4 结论与建议
该低压交流变桨控制系统目前已经成功应用于风电场，并已经成功通过低电压穿越测试。该风电场设计为19台单机容量为2.5MW风力发电机组，总装机容量为47.5MW。目前风机安全稳定运行。
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图2-6-3-2加载变桨速度监控
图2-6-3-3加载变桨电流监控
