兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计

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电动桨叶调节已成为现代风电机组的标准特征，与固定角度系统相比具有显著优势。变桨距控制系统可实现风电机组在整个运行范围内运行角度和输出功率的优化控制。作为限制出力和制动速度的决定性系统，变桨系统的安全可靠性十分重要。

1 兆瓦级风电机组的变桨距控制策略直驱式风电机组采用的主控制策略是：低于额定风速时，跟踪Cpmax曲线，以获得最大能量，低于额定风速且发电机转速达到额定值或者小于切出风速且高于额定风速时，跟踪PIa]曲线，并保持输出稳定；高于切出风速时，停机保证机组安全，避免灾难发生。

变桨距控制技术简单来说，就是通过调节桨叶的桨距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制轮捕获的气动转矩和气动功率。变桨过程分为启动过程、欠功率状态、恒功率状态及停机过程。启动过程，变桨系统调节轮毂叶片获得比较大的气动扭矩，来使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩，当风力较弱时，提供整个宽度给空气流，而随着风速增加，在额定风速后，叶片入射角可减小，限制功率输出，使功率平稳，保护机械和电路系统，同时可以降低载荷，停机过程，提供很大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，避免机械刹车造成的惯性力太大而造成的伤害。

2.变桨系统总体设计目前，兆瓦级风电机组普遍采用独立变桨距的三桨叶结构。变桨系统-般包括控制器、伺服驱动器、变桨距伺服电机、传感器、减速箱、不间断电源(UPS)和齿盘等。其中传感器部分包括位置传感器和两个限位开关(o度和90度)。

2.1变桨距控制系统的主体部分风速计、风向标和发电机转速分别产生风速、风向角及发电机转速作为整个变桨距控制系统的控制参数。图中只画了-个桨叶的变桨距控制系统，另外两个与图中类似。主控制器根据风速、风向角和发电机转速，产生变桨命令值并发送至机舱拈，机舱拈再将其传送至轮毂拈，轮毂拈根据命令值控制变桨伺服控制系统实现变桨。

2 2变桨距控制系统的可靠性设计- 般的风电机组从购买、运输、装机到现场调试需要数千万的资金，-旦变桨距控制系统不正常工作，整个风电机组很可能会产生灾难性的事故，进而给社会带来巨大的经济损失。

变桨电机制动器提升、继电器超速测试、叶片紧急系统复位与变桨驱动器共同组成制动装置 制动装置的特点是空气动力学制动刹车单独由变桨距控制，桨叶获得充分的刹车作用。即使-个桨叶刹车制动失败，其它二个叶片也可以安全结束刹车的过程，提高了整个系统的安全性。UPS电源作为制动系统的备用电源，提供给故障或者维修时候可以快速准确地收回桨叶。DC维护开关作为UPS电源是否需要维修的标记。

2.3变桨距系统中的伺服控制系统服系统与-般的反镭制系统-样，是由主控制器、受控对象、反馈测量装置以及比较器等部分组成，主控制器是按预定的控制规律调节输入信号，以使系统产生所希望的输出，受控对象-般指机器的运动部分，通常包括功率放大器、执行机构、减速器以及内反镭路等，如图中的PwM驱动拈和直流伺服电机即为受控对象 反馈装置是传感器检测单元，它测量输出变量，并将其转换为电信号反馈到系统的输入端，叶片限位开关、非接触式位移传感器、电流传感器和光电编码器为系统的反馈装置。

主控制器内部集成了伺服控制系统的位置调节器、速度调节器和电流调节器，即所谓的位置环、速度环和电流环。电流调节器的作用有两个：-个是在启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用。

因为此时速度调节器呈饱和状态，其输出信号-般作为极限给定值加到电流调节器上，电流调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最大值上，从而实现快速加减速和电流限流作用 电流调节器的另-个作用是使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强。如果没有电流环，扰动会使绕组电流随之波动，使电机的速度受影响。虽然速度环可以最终使速度稳定，但需要的时间较长。如果有电流环，由于其时间常数小，电流调节器会使受扰动的电流很快稳定下来，不至于发展到对速度产生大的影响。因此系统的快速性和稳定性得到改善。速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之差按-定规律进行运算，4 l科技 博览并通过运算结果对电机进行调速控制。由于电机轴的转动惯量和负载轴的转动惯量的存在，使速度时间常数较大，系统的响应较慢。位置调节器的作用是将检测到的位置给定信号与位置反馈信号的差值，并进行P1D调节后，输出速度指令至速度调节器。经过位置外环、速度中环、电流内环三个闭环调节器的校正，控制信号经过功率接口驱动伺服电机。

3.变桨距控制软件设计控制软件采取有限状态机模式，根据当前的状态决定采取的策略与行为，以消息触发状态转换，完成相应业务操作。如图I，软件状态机共7个状态：手动叶片变桨模式、紧急状态、初始化状态、等待位置状态、启动位置状态、发电状态和停止状态，相应状态转换条件如图1所示。

图l变桨距控制软件状态转换图手动叶片变桨模式中有两种控制方式：①、开环控制：叶片1，2或3能够向上或向下变桨，但在任何时间只有-片叶片能在顺桨位置。

②、闭环控制：-片叶片或全部叶片能够变桨到-个预先设置的目标桨距角，这时要求DC电池接通转子开关并且转子没有锁定◆急状态下执行3个操作：①、紧急看门狗被移除；②、蓄电池对DC变桨电机供电；③、三片叶片-次紧急变桨到顺桨位置。当叶片已到达目标位置，在变桨电机上的制动器降落。

发电状态中桨距角由启动位置以-定速度减小到待机角度(本文风机为15。)。若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3。(本文风机桨距角在3。左右时具有最佳风能吸收系数)。发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3。不变；当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，利用变桨控制算法控制伺服控制系统使叶片变桨至工作位置。即当功率反馈信号超过给定值时，叶片向迎风面积减小方向转动-个角度，小于给定值就向迎风面积增加方向转动-个角度，使输出功率维持在额定功率附近。此时，软件运动控制器不工作。

停止状态下叶片被软件运动控制器变桨到等待位置。轮毂将停止转动。

当系统在状态转变过程中检测到故障，则自动进入停止状态。而如果当系统在运行状态中检测到故障，并且这种故障是致命的，那么工作状态不得不从运行直接到紧急状态，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20。/S。这样可以立即实现紧急停机而不需要通过暂停和停止，提高变桨距风力机的安全性。

4.结束语变桨距控制状态机以对各传感器数据的处理为基础，为便于软件集成和演化，需设计独立于程序的实时数据库，设计可配置的组合条件库，实现程序与数据的低耦合。