关于变桨系统中驱动器和电机的几点体会 点击：8845 | 回复：44
针对开发变桨控制中的体会发表如下说明，参照国外标准：由我公司提供指标让桂林星辰开发其风力发电变桨控制系统中的驱动装置，但该装置还在试用阶段，该产品性能特性还需要有进一步观察的必要，且在使用过程中发现该装置并非全是理想的，需要进一步改进的必要，增强其全面保护。而电机使用的是南洋的开发的串励直流电机，和桂林星辰推荐使用的江苏栗阳市宏达电机厂生产的宽速度永慈直流伺服电机。 针对目前永磁电机有许多争议，尤其是启动力矩不如串励电机大，变桨系统是一个长时间工作的系统，永磁电机发热量大，在散热条件不好的情况下容易发生退磁现象，在遭受雷电袭击的情况下，电机退磁的速度会加快，影响收桨的速度，因此在选用电机过程中需要谨饬，桂林星辰在不生产永慈直流伺服电机前推荐江苏栗阳市宏达电机厂生产的宽速度永慈直流伺服电机作为与他们的驱动器配套使用，该电机性能特性还不错。因此认为在选型方面需要考虑更专业的厂家做各个部件。尤其是要有业绩，在行业中很重要的。
变桨距风力机组的桨距角参考值可由风速、电机转速和发电机输出功率三个参数来独立控制，但由于风速难于精确测量，而且在整个风轮扫掠面上的风速并不相等，所以本文不用风速作为变桨控制量，而选择发电机转速作为控制桨距角的变量。其控制策略如图3所示。
图3 控制策略框图
发电机速度反馈信号和速度给定值之间的误差作为PID控制器的输入，PID控制器给出桨距角参考值，但是由于桨距角的变化对于风速而言是非线性的，当风速在额定值附近时，较小的风速变化也需要桨距角改变一个较大的角度才能使输出稳定转速。所以在风速超过额定不多的风速阶段，需要较大的PID控制器增益；而在超过额定风速较多的高风速段，较大的风速变化只需要一个较小的桨距角改变量就可以使输出稳定转速，在此风速段PID控制器的增益可以较小。所以控制器所需的增益大小和所需的桨距角基本成线性反比关系，由此提出
系统提出了通过查表计算的方式选择不同的控制器增益的控制策略。即在原有控制系统中加入一个增益调度控制器，当系统检测到不同桨距角的位置时，增益调度控制器会根据不同的桨距角的位置调动不同的增益，使PID控制器在所需桨距角较小时有较大的增益，在所需桨距角较大时有较小的增益，并且通过限幅值限制桨距角的最大值与最小值，当PID整定出的桨距角通过通讯报文的形式发送桨距角的位置信号给变桨控制器实现对桨叶控制。因此建立桨叶控制系统精确定位与主控系统数据动态交接是非常重要和必要的，也是变桨控制系统研究与开发的核心所在。
5电动变桨距控制动态数学模型建立
当变桨控制器接收到主控PID整定出的位置信号，需要把位置信号转换成电压信号精确控制电机，寻找合适的控制模型是必要的。参照LUST变桨控制系统我们选用了带前馈预处理的位置闭环PID控制数学模型。
，
图4 动态数学模型
6变桨控制器的设计
6.1系统的硬件构成
由于主控系统是通过通讯发送位置指令控制桨叶的运动控制，实现对三桨叶的同步运动和风电机组自身特点决定了独立变桨控制系统采用直流伺驱动方案。其构成由直流伺服系统、伺服电机、后备电源、轮毂，变桨控制器构成。其优点是：启动性能好；刹车机构简单，叶片顺桨后风能转速可以迅速下降；额定点以前输出功率饱满；额定点以后输出功率平滑，风能叶根承受的动、静载荷小。电动变桨距系统结构如图所示。系统参数与接口
设计依据参照LUST 1.5MW双馈式风力发电机组变桨距系统设计。
6.2 软件编程
6.2.1 PLC配置方案
由于变桨控制系统涉及变桨驱动使能，变桨电机温度，变桨电机电流，电池充电回路，电机转速计数器，限位开关等信号。其中，输入数字量约30路；模拟量约7路；温度量约4路；输出数字量约15路；此外，还需要用到变桨电机转速测量高速计数信号6路SSI。为了满足需求，采用了施耐德M340系列PLC。M340有多款不同容量和内置通讯接口的处理器可选。提供最大容量最多可达256K字的数据/程序内存，M340的模块化I/O系统提供了包括开关量、模拟量和专用模块在内的多种I/O模块。M340系列处理器的程序和数据是以文件的形式在内存中存储的。处理器文件分为程序文件和数据文件,程序文件可高达256个 ,包括处理器信息、梯形图主程序、中断子程序及其他用户根据需要编制的子程序文件;数据文件包括与外部 I/O及所有梯形图程序使用的与指令相关的数据信息。并且可以具有自定义的通讯协议的485通讯端口，和总线通讯的CANOPEN接口，高速的运算速度。
6.2．2 系统的软件设计
本系统的主要功能都是由PLC来实现的，当满足风力机起动条件时，主机通过通讯发出指令给从机变桨控制系统M340使叶片桨距角从90°匀速减小；当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，PLC控制执行电机，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。在停电或者驱动器出现故障的情况下，备用电源驱动电机直接停机
1通讯功能的建立
2 逻辑程序的编辑
编制说明
本手册可作为2.0WM变桨控制系统采购与设计的技术文件。风力发电系统主要机型可分为变桨变速型和定桨定速型，随着单机容量的增加和对并网要求的提高，变桨变速型的风机逐渐成为主流和发展趋势。变桨变速型风机中采用变桨距控制系统进行桨叶角度的调节，其主要功能为：在正常发电工况下调节风机桨叶的迎风角，从而对输入功率进行动态调节，提高风能利用率；在故障状态下利用储能机构完成顺桨控制，保护风机的整体安全。变桨控制技术在风力发电系统中是与变频发电技术并列的几项关键技术之一，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的调节、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。目前变频发电系统和传动系统都已有国产化技术，但变桨控制系统特别是作为主流发展方向的电动伺服变桨控制系统基本除我公司开发的1.5MW变桨控制系统外，国内还没有产业化技术。基于对1.5MW变桨控制系统研发的基础，提出一套针对2.0MW风力发电机组变桨控制系统解决方案及技术要求。
手册从2.0MW风力发电机组变桨控制系统总体方案设计，系统组成及技术参数确定，调试满足技术要求等部分进行规范，为东汽研制2.0MW风力发电机组变桨控制系统提供重要的技术保证和技术支持
总体方案设计：
基于1.5MW变桨变速型控制系统开发的经验，提出东汽2.0MW风力发电机组变桨变速型控制系统解决方案。整体方案包括变桨控制器，变桨距伺服电机与伺服驱动器、备用电源系统、传感器等。
变桨控制系统采用三套直流电机伺服控制系统分别对每个桨叶的桨角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒 ，桨叶控制范围0°-90°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，电机转角反馈采用光电编码器，安装在电动机轴上，采集电机转动角度，由伺服驱动系统实现转速速度闭环控制和变桨控制器实现的转角位置闭环控制。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。在轮毂内齿圈的安装第二个转角传感器，直接检测内齿圈转动的角度，即桨距角变化，该传感器作为冗余控制的参考值。当电机输出轴、联轴器或转角传感器出现故障时，会出现两个转角传感器所测数据不一致的现象，控制器即可据此判断此类故障。在轮毂内齿圈边上还装有两个接近开关，起限位作用( 和 )。
变桨距控制系统的供电来自主控制室向上提供的三相400V(带零线)的交流电源，该电源通过滑环引入轮毂中的变桨系统，机舱内部智能充电器将交流电整流成直流电经蓄电池后向逆变单元和备用电源供电。如果交流供电系统出现故障，需要一套备用电源系统向伺服控制器供电，在一段设定的允许时间内将桨叶调节为顺桨位置。备用电源主要由基于铅酸蓄电池的储能机构和充放电管理模块构成，充放电管理模块向储能机构供电，并实现充放电过程的控制管理
拟采用直流永磁伺服电机实现桨叶驱动。直流电机伺服控制器硬就件分为控制电路和功率逆变电路两大部分。传统伺服控制采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的控制结构。其中位置环采用比例加前馈方式实现。采用上述控制结构，在参数变化不大、解耦较完全的线性化、准线性化系统中能得到较好的控制性能。但变桨控制系统中负载惯量大（一个桨叶重量可达7吨），负载转矩波动大（风速变化时桨叶风阻变化很大），如何在大扰动下实现快速准确的角度控制，从而稳定输入功率，针对伺服系统工况特性的、基于参数辨识实现系统的动态自适应控制算法，从根本上解决伺服系统调节器参数调试困难、适应性差的问题；基于负载转矩观测和速度观测提出转矩脉动抑制策略，提高系统在大范围负载变化和扰动情况下的速度平稳性；基于电机轴码盘和桨叶轴的绝对位置传感器进行位置预测和容错处理算法，提高速度控制精度和可靠性备用电源是系统发生故障时使桨叶回到顺桨状态的保障，是风机系统中安全级别最高的部件。方案中采用蓄电池实现储能。使用专用充电装置对蓄电池的充放电进行管理，在不同的温度情况下实现对温度补偿功能。在充电初期实现大电流快速充电，充电时间短。随着的电流的下降进入恒压充电状态，当充电器检测到充电电流足够小的时候，进入涓流充电，其到对电池的保护作用
除电网掉电故障外，为了提高风力发电机组运行安全性，必须认真考虑控制系统的安全保护。项目中将重点设计与研究以下保护措施：
雷电安全保护：多数风机都安装在山谷的风口处、山顶上、空旷的草地、海边海岛等，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，变桨控制系统大多为电子器件，容易因雷电感应造成过电压损坏，因此需要考虑防雷问题。一般使用避雷器或防雷组件吸收雷电波。本设计严格按照BSZ2雷击区标准设计。
安全保护：一般风速达到25米/秒（10分钟）即为停机风速，机组必须按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必须90度对风控制。
参数越限保护：各种采集、监控的量根据情况设定有上、下限值，当数据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。
过压过流保护：当装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过流时所进行的保护。通常采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过流保护器等
开机关机保护：设计机组开机正常顺序控制，确保机组安全。在小风、大风、故障时控制机组按顺序停机。
位置反馈故障保护：为了验证冗余编码器的可利用性及测量精度，将每个叶片配置的两个ENCODER采集到的桨距角信号进行实时比较，冗余编码器完好的条件是两者之间角度偏差小于2°；所有叶片在91°与95°位置各安装一个限位开关，在0°方向均不安装限位开关，叶片当前桨距角是否小于0°，由两个ENCODER传感器测量结果经过换算确定。
低电压穿越保护:当电网电压波动在0.8UN到1.1UN正常，频率波动在47.5HZ-51.5HZ其系统可以保持正常的工作。
除系统掉电外，当下列任何一种故障情况发生时，所有轴柜的硬件系统应保证三个叶片以10°/s的速度朝90°方向顺桨：
任意轴柜内的从站与PLC主站之间的通讯总线出现故障，
由叶轮过速、偏航限位开关串联组成的风机安全链以及与安全链串联的两个叶轮锁定信号断开（24V DC信号）；
无论任何一个ENCODER 出现故障，还是同一叶片的两个ENCODER测量结果偏差超过规定的门限值；
任何叶片桨距角在变桨过程中两两偏差超过2°；
构成安全链、释放回路中的硬件系统出现故障；
任意系统急停指令。变桨调节模式时，预防桨距角超过限位开关的措施：
91°限位开关；到达限位开关时，变桨电机刹车抱闸；
轴柜逆变器的释放信号及变桨速度命令无效，同样会使变桨电机静止。
变桨电机刹车抱闸的条件：
轴柜变桨调节方式处于自动模式下，桨距角超过91°限位开关位置；
轴柜上控制开关断开；
电网掉电且备电电源输出电压低于其最低允许工作电压；
控制电路器件损坏；
除上述条件外，变桨电机刹车应处于松闸位置，由系统控制变桨电机处于静止位置。
系统整体性能与参数：
2．1 元件需求规范
风扇寿命为2年（外部可更换）
为变桨电机提供电源的频率转换器和超级电容寿命为10年
其余的系统元件寿命为20年
所有元件每年至少维护一次
2．2环境条件（分三级）
贮藏[1] 变桨系统的元件要与大气隔绝，包装好在塔筒、机舱或是库房中贮藏
运输[2] 桨系统控制箱的元件要与大气隔绝，通过公路，铁路，飞机或轮船等运输
运行[3] 变桨系统元件将用在内陆及沿海地区的风机上。
2．3 系统的环境条件定义如下
贮藏及运输 -40°C to +60°C
运行 -30°C to +50°C
相对湿度 5% to 100%
风场 海平面以上<4000
振动
0 – 0.4Hz最大位移振幅 0.8m
0.4 – 100Hz最大加速振幅 5m/s²
100 – 1000Hz最大速度振幅 5mm/s²
3.3 旋转环境
变桨电机和变桨控制箱位于旋转轮毂内。变桨系统的所有旋转元件与旋转轴之间的距离小于1.5m。风轮最大转
速不能大于20rpm
1）防雷击装置（揭制从滑环传导过来的瞬间过电压）
2）轴控制器，
3）带有充电监视的电池充电器（一套）
4）充电自动切换
各位高手，我司有做一款风电变浆后备电源专用的智能充电管理模块，是按照德国要求设计开发的。本充电器的负载是18节（LC-P127R2P松下）电瓶串联，按浮充电方式对其充电电压进行温度补偿，每节电瓶补偿值为20mV/℃。最高充电电压为262V(-20℃时)，最低为237V(+50℃时)。20℃时充电值为247.5V是基准值， 充电电流限定值为1.1A。 保护：由2只常闭继电器给出故障信号，电瓶电压过高（高于273VDC）；电瓶电压过低（低于161VDC）故障报警。由1#常闭继电器给出信号。电瓶电压正常时继电器吸合，电压过高或者过低都经1秒后继电器释放。 电瓶受损或断线报警，由2#常闭继电器给出信号。充电器每5秒检测1次电瓶，检测方法是令其（电瓶和充电器）以3A电流放电10ms。如果电压降低到191V以下，连续出现2次确认为故障。2#继电器释放。连续2次检测到电压高于210V，确认为正常，2#继电器吸合。
阈值 ON OFF
电瓶连接正常 210V 191V
电瓶电压过低 161V 166V
电瓶电压过高 273V 267V
过热保护：以热敏电阻做传感器，温度高于90℃降低限流值为0.5A。
充电器过载及短路保护：本机采用电流型PWM集成控制器，自带过流保护功能。故障时能有效关闭脉冲，阻断开关电路工作。
电瓶充电电压温度补偿
采用LM335做传感器，监测电瓶温度。传感器若断线，按20℃充电电压247.5V运行。
恒压精度：≤0.5%；恒流精度：≤1%；电压纹波VPP≯±1V；
外型尺寸：250×100×112mm；
重量：2.5Kg。
效率：不低于 85%；
环境温度：-30℃~50℃；
自然冷却；
防护等级：IP20；
如有需要用到的话，可联系一下，可能送样机检测。谢谢！电话：13162306566 QQ:670718534 颜生
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