电动变桨伺服系统

2024-09-04

电动变桨伺服系统（共7篇）

电动变桨伺服系统篇1

MW级变速变桨风力发电机组是当今风电市场的主流产品,其控制系统主要包括主控系统、变桨控制系统、偏航控制系统和变流控制系统。变桨控制系统是风电控制环节中最重要的一环,在整个机组的控制中起着举足轻重的作用。通过变桨控制可以调节风电机组的叶片节距角,使其随着风速的大小不断变化[1]。在低风速时,使桨叶节距转到合适的角度,以便风轮能够获得最大的启动力矩;当风速高于额定风速时,调节桨叶节距,改变气流对叶片的攻角,从而可以改变风力发电机组获得的动力转矩,使发电机组的输出功率保持稳定。

笔者针对MW级风力机叶片尺寸长(一般几十米,甚至上百米)、质量大(每个叶片重达几顿甚至几十吨)、风速不确定及在整个风轮扫过面上不均匀的特点,采用永磁同步伺服电机代替常规的液压变桨机构,设计了变桨控制系统单神经元PID控制器。仿真结果表明,单神经元PID控制器具有位置跟踪精确、跟踪误差小的特点,达到了预期设计的目标。(1)

1 MW级变速变桨风力机数学模型

假设风以一定的速度和攻角作用在风机叶片上。根据贝兹理论[2],风流经风轮,气流遇到叶片阻隔,在上下表面形成压力差,进而产生升力力矩推动风轮旋转,将风能转换成作用在轮毂上的机械转矩,驱动发电机。根据风机叶片的空气特性,建立风机的数学模型如下[2,3]:

式中:Tm———风轮转矩,N·m;ρ———空气密度,kg/m 3;R———风轮半径,m;ν———风速,m/s;CP———风机的风能利用系数,最大值是贝兹极限59.3%,在实际应用中一般能达到0.4左右;β———桨距角,°;λ———叶尖速比,无量纲值;ω———风轮旋转角速度,rad/s。

上述模型中风能利用系数CP与叶尖速比λ、桨叶节距角β的曲线如图1所示,不同风速下发电机转速及最佳功率曲线如图2所示。

2 变桨原理和变桨方式

变桨距风机是通过叶片沿其纵向轴转动,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使发电机输出功率保持稳定[1]。

当风电机组达到运行的条件时即风速大于启动风速),主控系统发出变桨命令,使变桨伺服电机带动风轮叶片从顺桨位置(节距角约为90°)以一定的速度减小到45°,当转速达到一定值时,再调整到0°左右,直到风力机达到额定转速并网发电;在运行过程中,若输出功率小于额定功率,桨距角保持在0°位置不变,不作任何调节,风力机始终运行在λmax和CPmax状态,以便最大限度捕获风能;若发电机输出功率超过额定功率,变桨控制系统便根据输出功率的大小来调整桨叶节距角,保持发电机组始终运行在恒功率状态。

变桨距系统根据工作方式可以分为统一变桨和独立变桨[4]。统一变桨即风力机组所有桨叶都由一个执行机构驱动,或者3个执行机构同时驱动,但桨叶节距变化相同。由于液压系统扭矩大,所以大型风机的统一变桨距方式一般都采用液压机构。独立变桨距方式指每个桨叶都由独立的变桨距执行机构驱动,如果其中一个变桨距执行机构出现故障,其他两个桨叶仍能调节桨叶节距实现功率调节或者停机顺桨。独立变桨距的桨叶负载分别由单一的执行机构承担,一般采用电机执行方式。笔者模拟了3个叶片独立控制的变桨方式。

山东长星集团1.5MW风力机独立变桨距控制系统结构原理如图3所示。一般来说,独立变桨控制系统硬件设备主要包括变桨距伺服电机、变桨控制器、减速机、编码器、不间断电源UPS等,这些设备连同变桨控制器都安装在塔架上的轮毂内[5]。其中,减速机固定在轮毂上,变桨伺服电机经减速箱与轮毂桨叶内齿圈连接,变桨控制器接收变桨指令(主要包括桨叶转动速度和角度)驱动变桨伺服电机,使其通过主动齿轮带动桨叶轮毂内齿圈,使桨叶按照要求的方向和角度转动。

3 控制器算法及设计

风力机组电动变桨距系统是一个典型的非线性、强耦合控制系统,应用传统的PID控制很难得到满意的控制效果。为此,笔者采用了单神经元PID控制算法进行变桨距调节,可使变桨系统具有更好的跟踪精度和抗干扰能力。

单神经元PID是一种简单的3输入1输出非线性控制方法,该算法通过一定的学习规则来调整权值,从而实现自适应功能。单神经元PID继承了神经元与传统PID的优点,结构简单,具有自学习、自适应能力以及较强的鲁棒性,有效克服了传统PID参数在线整定难的不足[6]。单神经元PID控制方法结构如图4所示。

单神经元自适应PID是通过对加权系数的调整来实现自学习、自组织的功能,权系数的调整是按照有监督的Hebb学习规则实现的,参数调整的学习算法如下:

hI,hP,hD分别为积分、比例、微分学习速率;K为神经元的比例系数,K>0。对积分、比例和微分分别采用不同的学习速率hI,hP,hD,以便对不同的权系数分别进行调整。K值的选择根据具体情况而定,K越大,则快速性越好,但系统超调增大,甚至可能使系统不稳定。当被控对象时延增大时,K必须减小,以保证系统稳定。K选择过小,会使系统的快速性变差。

由于永磁同步电机结构简单、维护方便,只有定子线圈发热,容易实现高速制动及快速制动,特别适合于风力发电机组所在的偏远、恶劣的环境。因此,笔者采用永磁同步伺服电机(PMSM)作为变桨执行机构,避免了液压机构结构复杂、漏油、卡塞等不足[1]。

笔者选用面装式PMSM,忽略铁芯饱和以及涡流、磁滞损耗,选择永磁体基波磁场的方向为d轴,顺着旋转方向超前90°的方向为q轴[7]。规定逆时针旋转方向为正方向,得PMSM的动态描述方程为:

式中:id,iq,ud,uq,ψd,ψq———分别为直轴、交轴的电流、电压和转子磁链;R———电枢电阻;ω———电机转速;p———极对数;Te———电磁转矩;B———摩擦系数;J———电机和负载的总惯量;ψf———电机转子磁链。

一般三相永磁同步电机交流伺服系统包括三相永磁同步电机(PMSM)、速度和位置传感器、整流逆变单元以及控制器等部分。永磁同步电机靠转子上特殊材料的永磁体产生恒定磁场,不需励磁绕组;定子三相电枢绕组接可控的变频电源。在变桨伺服系统中,桨叶节距角位置定位的精度直接影响了发电机输出功率是否稳定,关系到电能品质的好坏[8]。除此之外,伺服电机和负载之间一般均会通过减速箱或减速机连接,减速箱或减速机对伺服电机的速度和转矩波动有一定的抑制作用,因此笔者最终的控制目标是伺服系统的位置跟踪精度。

笔者采用的三环SNPID变桨伺服控制系统结构如图5所示。控制回路主要包括3个闭合回路,分别为位置环、速度环和转矩环。为了达到精确的位置控制,在位置环采用了单神经元PID控制规律;速度环和转矩环则是为了实现快速的跟踪和动态响应,因此采用了P和PI的控制策略。

在电动变桨伺服控制中,主控制器给出位置命令值,与位置反馈进行比较;位置调节器的输出就是速度调节器的输入,速度调节器输出的是转矩命令值,与反馈值比较后,差值送到转矩调节器中,输出就是转矩电流给定值,并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上,从而达到对转矩的控制。

另外,笔者在电流处还运用了矢量变换的方法。电流由d-q到a-b-c的变换矩阵及反变换矩阵分别为式()和式():

矢量变换的实质是对电机定子电流空间矢量的相位和幅值进行控制对于永磁同步电机而言,控制id=0时,转矩的表达式为可见,采用id=0控制时实现了定子绕组与d轴的完全解耦,通过控制iq就可以很好地控制电磁转矩。

4 仿真程序及结果

仿真系统结构如图5。电机采用面装式PMSM,其参数为:定子电阻为R=1.17Ψ,定子电感为Lq=Ld=4.2mH,电机转动惯量为额定功率为1.75kW,磁链为ψd=0.3Wb,ψq=0.1Wb,额定转速为ηrate=2 500r/min电机极对数为6。系统的输入信号分别采用锯齿波或者式(9)的正弦叠加信号。

对于单神经元PID控制器的实现,首先在Matlab中编辑一个M函数文件并用函数名作为文件名保存,然后用Simulink自定义模块的S-function调用M文件。在M文件中,SNPID的控制算法是以数字形式实现的,控制器采样时间取1ms,hI,hp,hD分别取值为0.4,0.35,0.4;wi(i=1,2,3)初始值取为0.1。速度环比例控制器参数为kP=12,转矩环PI控制器参数为kP,i=60,kI,i=300。

图和图分别为锯齿波和正弦叠加信号输入时系统的位置跟踪曲线。由图可见,笔者所设计的三环SNPID变桨控制系统具有较好的动态响应特性和稳态跟踪精度,达到了预期的设计目标。通过独立变桨距控制策略,可以大大减小阵风对风机所产生的冲击,不仅使风机的整机受力情况大为改善,减小了传动机构和齿轮箱的疲劳程度,而且提高了风能利用率,改善了电能品质。

5 结束语

单神经元PID控制器不仅结构简单,而且能适应环境的变换,具有较强的鲁棒性。由上述可知,笔者对MW级风力机交流变桨伺服系统建立了基于SNPID的三闭环控制器设计,仿真结果表明,该方法可行有效,其参数能够在线整定,获得了较好的控制效果。对于SNPID来说,需要确定各个SNPID控制器的初始权值和学习速率,如何调整或优化参数使系统获得最佳的性能,是今后需要进一步研究的课题。

参考文献

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电动变桨伺服系统篇2

世界各国都在大力发展可再生能源,其中发展最迅速的就是风力发电。国内外,兆瓦级以上的风力机组一般采用电动变桨距控制技术。变桨伺服系统具有多变量、非线性、强耦合等特点,准确数学模型难以建立,而且变桨系统应具有位置无超调、稳态精度高、抗负载扰动能力强和动态响应速度快等特点,传统的PID控制方法难以调和系统响应速度和系统精度之间的矛盾[1],针对以上两点,本文采用自抗扰控制器对电动变桨伺服控制系统进行了详细研究。自抗扰控制器为系统安排了“过渡过程”,解决了PID控制无法调和响应速度和响应精度之间矛盾的难题;同时还使用了扩张状态观测器,对系统的未建模动态,系统扰动进行了综合估计,克服了无法建立系统精确模型的缺点[1]。文中将自抗扰控制应用于异步电机伺服控制系统的电流环和速度环中。仿真结果表明,在交流电动变桨伺服系统中采用自抗扰控制,不仅可以保证伺服系统有较强的抗扰性能,同时实现了快速无超调的准确定位。

2 自抗扰控制器的组成原理

PID控制器在实际系统中的主导地位是不可忽视的。在文献[2]中提出应该从PID控制器的角度出发,利用其优点克服其缺点,克服PID“缺点”的具体办法是:(1)安排合适的“过渡过程”;(2)合理提取“微分”-“跟踪微分器”(Tracking Differentiator,TD);(3)探讨合适的组合方法-“非线性组合”(NF);(4)探讨“扰动估计”办法-“扩张状态观测器”(Extended State Observer,ESO)。研究和发展新的可以应用于实际控制系统的控制方法,按照这样的思想提出了自抗扰控制器。

自抗扰控制器是由微分跟踪器、扩张状态观测器、非线性组合三部分组成。微分跟踪器的功能是安排过渡过程;扩张状态观测器通过系统输入输出来估计系统状态和系统的总扰动;非线性组合利用安排的过渡过程与状态估计之间误差的非线性组合及扰动估计量来生成控制信号。

自抗扰控制器的结构框图如图1所示。

自抗扰控制器克服了经典PID直接求取给定信号和输出信号之间的误差的缺点,而是选择跟踪输入信号和输入信号的n阶导数,输出信号及输出信号的n阶导数,对它们之间的误差进行调整,调整律改用非线性组合的方式,这样可以利用一些非线性函数的好的特性。由于此方法不完全依赖于系统的数学模型,选择在反馈端使用扩张状态观测器对系统的状态和总扰动进行估计,最后对扰动进行补偿。

3 电动变桨伺服系统控制结构

电动变桨系统采用三相交流异步电动机作为执行机构。伺服系统采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制方式。在伺服控制系统中,电流环要求有良好的跟随性能,因此采用自抗扰控制提高其抗扰性能;速度环采用自抗扰控制,在满足电动变桨伺服系统稳态精度要求的前提下,提高系统的动态响应速度,并且对系统的参数变化及非线性具有很强的自适应能力和鲁棒性。电动变桨伺服控制系统如图2所示。

4 电动变桨伺服系统自抗扰控制器设计

4.1 电动变桨伺服系统电流环自抗扰控制器设计

转子磁链定向条件下,异步电机的电压方程为[4]:

由此可得,

可见,转子磁链ψr仅由定子电流励磁分量isd产生,与转矩分量isq无关,定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。而定子电压方程中存在isd与isq的交叉耦合,给控制带来了一定难度。传统的PI调节器的做法是忽略此交叉耦合项,通过调节控制器的参数来抑制耦合项的影响。

为了解决转子磁场定向矢量控制定子电压方程中耦合项的影响,获得更好的动态性能和鲁棒性,电流环采用自抗扰控制器。利用ADRC的特点,系统中的交叉耦合项可归于模型扰动,可采用ESO进行观测和补偿。

基于式(2)所示的励磁电流方程设计ESO,其模型方程为:

同样的,基于式(2)所示的转矩电流方程设计相应的ESO,其模型如下

电流环自抗扰控制器的结构如图3所示。

4.2 电动变桨伺服系统速度环自抗扰控制器设计

由异步电机的运动方程得:

转子磁链定向条件下,

负载转矩T1和转动惯量J随工况不同会发生变化,形成模型扰动,利用ADRC的特点,对于转动惯量变化引起的系统的模型误差和外加扰动,统一采用ESO进行观测和补偿。其模型如下:

速度环自抗扰控制器的结构如图4所示。

5 电动变桨伺服系统控制仿真

本文通过MATLAB进行仿真,来检验自抗扰控制器的性能。电动变桨距执行电机选择异步电机,具体参数为:额定功率4k W,额定电压400V,额定转速1430rpm,定子绕组1.763,定子漏感0.0139H,转子绕组1.80,转子漏感0.00573H,互感0.192H。变桨执行电机阻力矩11.26N·m,桨叶正常变桨速度为7.5°/s。仿真实验中,给定位置即为桨叶的给定节距角,大小为15°。电机带载(Tm=8N·m)起动,进入稳定后,转矩Tm在1s时由8N·m升到12N·m。

仿真结果如下所示。图5为定子a相电流,图6(a)、(b)分别为采用PI、自抗扰控制调节器时的转矩输出曲线,图7(a)、(b)分别为采用PI、自抗扰控制调节器时的速度输出曲线,图8(a)、(b)分别为外环采用PI、自抗扰控制调节器时的位置跟踪曲线。

6 结论

从Matlab仿真结果中可以看到整个电动机的定子电流、角度、转速和转矩的变化过程。如图6(b)所示,输出转矩脉动小,电机起动迅速,电机从起动时间仅需要200ms;如图7(b)所示变桨速度曲线平滑且达到了7.5°/s的设计要求;如图8(b)所示,变桨伺服系统运行平稳,变桨位置跟踪准确无超调。与电动变桨PID控制仿真结果相比,电流环、速度环采用自抗扰控制器不但可以有效提高系统的抗扰性能,而且可以在保证位置在无超调的情况下快速跟踪上给定值,具有良好的动态控制性能。由此证明了该伺服控制方案的可行性。

摘要：针对变桨伺服系统非线性、多变量、数学模型难以建立的特性,在电流环和速度环设计了自抗扰控制器,有效解决了传统PI调节器的快速性与超调之间的矛盾。仿真结果表明,电动变桨伺服系统采用以上控制方法,可以保证伺服系统有较强的抗扰性能,同时实现了无超调、响应快,具有良好的动态控制性能。

关键词：电动变桨,伺服系统,自抗扰控制器

参考文献

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电动变桨伺服系统篇3

1 变桨距机构功能

变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。变桨距控制也会对所有由叶轮产生的空气动力载荷产生影响。

在额定风速以上时,变桨距控制可以有效调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生载荷,使其不超出设计的限定值。然而,为了达到良好的调节效果,变桨距控制应该对变化的情况做出迅速的响应。这种高效的控制动作需要变桨距机构具备极高的性能,因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。

在额定风速以下时,桨距角应该设定在能够吸收最大功率的最优值。按照这种原则,当风速超过额定风速时,增加或减小桨距角都会减小机组转矩。增大桨距角,即将叶片前缘转向迎风方向,通过减小攻角来减小机组转矩,称作为顺桨。减小桨距角,即将叶片前缘转向背风侧,通过增大失速角来减小转矩,使升力减小,阻力增加,成为主动失速变桨。对于目前主流的MW级变速恒频风电机组来说,顺桨是更常见的控制策略,只有少数的定速风电机组,采用主动失速变桨的方法[2]。

风力发电机组的发展趋势是容量越来越大,这也导致叶片的尺寸越来越大,从而对叶片强度的要求也更严格。此外,特别是对于大型风轮,在沿着叶片方向不同点的桨距角变化会带来不同的效果,最优的调节效果很难达到。

综合以上,考虑到风电机组的安全和效率,桨距角执行机构是越来越重要。

2 以太网POWERLINK介绍

以太网POWERLINK是一个实时以太网现场总线系统。因为POWERLINK完全遵守IEEE 802.3标准的以太网协议,所以很多厂商的标准配置工具都可以用来管理网络。使用者只需使用标准组件(例如交换机)和标准工具(例如Wireshark网络封包分析软件),就可以在网络的任何地方分析和检查所有的数据通信和线路功能。

POWERLINK MAC的寻址依照IEEE 802.3,每个设备的地址都是惟一的。

EPL数据链路层以标准的以太网CSMA/CD技术(IEEE802.3)为基础,但是CSMA/CD的工作原理决定了它不能实现通信的确定性,于是EPL引入SCNM机制,实现了数据通信的确定性。

SCNM给同步数据和异步数据分配时槽,保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介,从而彻底杜绝了网络冲突的发生。SCNM由EPL网络中的管理节点MN来管理,其他的节点称为控制节点CN。

SCNM规定在一个EPL网络中只有一个激活的MN,MN配置网络中所有可用的节点。只有MN可以独立地发送数据,CN只有在得到MN允许的情况下发送数据[3]。

图1为以太网POWERLINK的软件架构。

以太网POWERLINK最小循环时间为100μs,能保证0.1 ms的系统同步。因此符合运动控制系统的高性能需求,在本文中将探讨将其用于电动变桨距系统的可行性。

3 变桨距伺服系统分析

电动变桨距系统的核心部件之一就是驱动机构。在调速传动系统中永磁同步电动机(PMSM)和感应电机相比有显著的效率优势。永磁同步电机(PMSM)用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,以电子换向实现了无刷运行。

在永磁同步电机中,建立固定于转子的参考坐标系,取永磁体励磁磁场轴线为d轴,顺着旋转方向超前d轴90°电角度的轴线为q轴,同时垂直于d轴和q轴的轴线为0轴。以A相绕组轴线为参考轴线,d轴与参考轴之间的电角度为θ,坐标图如图2所示。

在dq旋转坐标系中,对于多级同步电动机,转矩方程为:

式中:id,iq为dq轴定子电流;φd、φq为dq轴定子磁链;Lq,Ld为dq轴定子电感;φf为转子上的永磁体产生的磁势;p为极对数。

在非凸极的永磁同步电动机的特定情况下,绝大部分的自然磁通是在d轴上(ψrd>>ψrq)。

此外,定子电流矢量值为:

对于给定值is为了优化电动机的输出力矩,最合适的策略是将id设置为0,于是定子电流合成矢量与q轴电流相等,只要能够检测出转子位置(d轴),使三相定子电流的合成电流矢量位于q轴上。

此时力矩可表示为:

因此通过分别控制id、iq则可实现电动机力矩、速度和位置的有效控制。图3为本文电动变桨距系统的控制示意图。

本系统采用三环(位置环、速度环和电流环)PID控制策略。电流环和速度环作为系统的内环,位置环为系统的外环,电流环满足内环控制所需要的控制响应速度,速度环的作用增强系统抗负载扰动能力,抑制速度波动,而位置环则保证系统的静态精度和动态跟踪能力,本系统采用此架构保证了该伺服系统具有快速动态响应、宽调速范围和良好的鲁棒性[4,5]。

4 变桨距系统硬件架构

图4为基于以太网POWERLINK的电动变桨距系统的系统示意图。在EPL网络中,CPU为管理节点,而3个伺服驱动器为被控节点。

变桨距控制器通过现场总线和安装在机舱内的风电机组控制系统进行通信。风电机组控制系统按照当前的风速、发电机速度、功率等给变桨距控制器发送变桨控制命令。变桨距控制器按照该命令通过以太网POWERLINK给3个伺服驱动器下达控制指令,从而驱动3个电动机。

图4显示了3个伺服驱动器作为小型集线器,形成的以太网POWERLINK的树形拓扑。

此外,变桨距控制器还将变桨距系统的动作情况反馈给风电机组控制系统。

本文所述的电动变桨距系统,每个叶片都具有独立的桨距驱动系统,包括独立的伺服驱动器、电动机、齿轮箱等。电机通过行星齿轮箱驱动的小齿轮与变桨距轴承内环的轮齿啮合,叶片螺接在轴承内环上。每个驱动系统都有独立的后备电源,在机组脱网时提供后备电源以确保叶片能够及时顺桨。

本系统采用三相永磁同步电动机内嵌参数芯片解码器,所有和电机相关的机械和电气信息都存储在该芯片中,只要将电动机和伺服控制器连接起来,上电后,伺服控制器会对电动机进行参数识别,自动配置控制参数。如果电动机出现故障需要更换,只要选择同型号的电动机,在伺服驱动器方面,不需要另外进行参数设置。

5 变桨距系统软件架构

本系统的输入输出控制过程是通过桨距角控制器执行正常的控制功能来实现变桨调节,并辅以高性能的后备电源。

本系统软件架构和核心是一个具有特定功能的变桨系统软件库(EStop),除了完成运动控制功能外,还负责以太网POWERLINK的监测、电动机温度监测和直流母线电压监测。如果检测到以太网POWERLINK故障,则根据预置的参数(位置、速度、加速度、减速度)驱动变桨距执行机构将叶片顺桨。直流母线电压值和当前电动机的温度值可通过软件功能块进行读取,桨距角控制器可根据当前值进行判断分析,决定后续的控制过程。

该软件库具有一个单独外部触发接口,如果主程序检测到其他故障,也可通过该接口触发该软件库的顺桨功能。此外,当故障(软件故障或轴单元故障)消除后,也可通过复位指令重新激活该功能块。对于大型叶片来说,叶轮之间的不对称载荷更为明显,这对疲劳载荷的产生有很重要的影响作用,原则上根据每个叶片的具体情况通过独立变桨控制有可能减弱这些影响[6,7]。

本文论述的电动变桨距系统可以实现独立变桨距功能(IPC),EStop软件库可以同时接受三组不同控制指令,分别对3个电机进行控制,控制指令为目标位置、速度、加速度、减速度。图5为该电动变桨距系统的控制程序示意图。

6 地面拖动测试

由于变桨距系统工作于高于地面几十米之上的风力机轮毂之内,现场调试较为困难。因此控制系统的调节性能及其可靠性必须在风机安装之前完成绝大部分的试验,为此建设了基于模拟负载的全功率测试台进行相关测试。

为更真实模拟风力扰动时的桨叶载荷变化对变桨距系统的影响,构建了如图6所示的变桨距测试平台,采用与变桨电机(M1)同轴对接的三相永磁同步电机(M2)作为的负载电机。变桨电机的转矩与速度响应如图7所示。图7是模拟变桨距系统在桨叶节距角变化即变桨电机按接收到的指令运动时,桨叶负荷突变的情况下变桨电机的输出响应。

从测试结果来看,电动变桨距系统在变桨叶节距角的过程中,变桨电机对外部载荷发生变化时能有效、快速地做出响应,并可靠地保持或运动到指定的位置。

7 结束语

本文给出了基于实时以太网POWERLINK的电动变桨距系统,并能支持独立变桨距控制技术。通过以太网POWERLINK,3台电机可以独立地接受桨距控制器的控制指令,连续地在顺桨位置和工作位置之间安全稳定地运行。在此基础上搭建了基于模拟负载的全功率变桨距系统的测试平台。测试结果表明,该电动变桨距系统在桨叶载荷变化时即风速扰动情况下,响应快、精度高,运行稳定,是一款性能优越的电动变桨距系统。

摘要：工业以太网是控制网络的发展方向,Ethernet POWERLINK(EPL)是一种可满足最苛刻实时要求(4级)、并已投入到工业自动化及运动控制系统应用的工业以太网。主要探讨应用Ethernet POWERLINK于即时运动控制系统的方案,以及实现一个以实时以太网为基础的MW级风电机组电动变桨距系统,并引入了基于模拟负载的变桨距试验平台方案,在该平台上进行了地面功能测试,给出了测试结果。

关键词：工业以太网,风电机组,电动变桨距系统,实时

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电动变桨伺服系统篇4

变桨距机构是变速恒频风电机组的核心部件之一。变桨距是指借助控制技术和动力系统, 改变安装在大型风力发电机轮毂上的叶片的桨距角大小, 从而改变叶片的气动特性, 使桨叶和整机的受力状况大为改善, 在紧急情况下还可以实现气动刹车的功能。国外大型风力发电机组尤其是MW级以上的风电机组一般采用电动变桨距控制技术。我国风力发电事业正处于快速发展阶段, MW级风电机组的电动变桨距控制系统尚处于试验、改进阶段。结合国内外MW级风力发电机组的发展现状, 对MW级风电机组的电动变桨距系统进行简要分析。

1 变桨距系统概述

1.1 风机的2种变桨距机构

根据变桨执行机构的动力形式不同, 大型MW级风电机组变桨距系统的驱动方式主要有液压和电动2种方式[3]。液压执行机构具有转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点, Vestas, Gamesa等公司的风力发电机采用了液压变桨距技术[4]。但液压传动结构复杂, 存在泄漏、渗油的隐患, 且液压油受温度影响大, 影响液压的刚度、液压阻尼比等。近年来, 随着电力电子技术、电机设计和控制理论等的发展, 电动执行机构以适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染和维护方便等优点得到了广泛的应用, GE Wind, Enercon, Repower, Nordex等公司的风力发电机都是采用了电动变桨技术[4]。

1.2 风机变桨的工作原理

变桨距调节型风力发电机组是指通过变桨驱动装置, 带动安装在轮毂上的叶片转动, 改变叶片桨距角的大小, 从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩。其工作过程为:当风电机组达到运行条件时, 控制系统命令变桨系统将叶片桨距角调到一定的角度, 当风轮转速达到一定时, 再将叶片桨距角调节到0°附近, 直到风力机达到额定转速并网发电;在运行过程中, 当风速低于额定风速时, 发电机输出功率小于额定功率, 桨距角保持位置不变, 不作任何调节;当风速超过额定风速时, 发电机输出功率超过额定功率, 系统根据输出功率的变化调整叶片桨距角的大小, 使发电机的输出功率保持在额定功率, 保证风力发电机安全、稳定的工作。

2 电动变桨距系统

目前, 大型风电机组普遍采用具有独立变桨驱动系统的三桨叶结构[5]。电动变桨距系统由3套独立的变桨装置组成, 变桨系统如图1所示, 图1中只给出一个桨叶的变桨执行机构, 其他2个桨叶与此相同。变桨系统由控制器、伺服电机、伺服电机驱动器、后备电源、制动电阻、减速机构、电机编码器、叶片角度编码器以及限位开关等部分组成。其中后备电源可以采用铅酸蓄电池串联或超级电容串并联来实现。当变桨系统收到来自主控变桨命令时, 伺服电动机带动减速机构的输出轴小齿轮旋转, 小齿轮与桨叶回转支承的内环相啮合, 从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转, 实现了改变叶片桨距角的目的。根据电机编码器与叶片角度编码器的角度反馈值实现桨距角的闭环控制, 从而完成3个桨叶的定位和同步控制。

目前应用于风电机组的电动变桨距系统方案主要有直流伺服电机驱动与交流伺服电机驱动2种方案。采用直流电机方案时, 图1所示的伺服电机驱动器与伺服电机分别为直流伺服驱动器和直流伺服电机;采用交流电机方案时, 伺服电机驱动器与伺服电机分别为交流伺服驱动器和交流伺服电机。

2.1 直流电动变桨

电动变桨距系统采用直流伺服电机方案时, 采用的直流伺服电机主要有串激直流电机与永磁直流电机2种。

串激直流电机的励磁绕组与定子电枢绕组之间通过电刷和换向器相串联, 励磁电流与电枢电流相同, 它的原理如图2所示。

其数学模型如下:

式中:K1, K2为系数;T为输出扭矩;n为速度。由式 (1) 可得:

由式 (1, 2) 可以看出串激电机定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大, 转矩近似与电枢电流的平方成正比, 在电压不变的情况下, 转速随转矩或电流的增加而迅速下降。串激直流电机适合应用在大转矩应用场合, 但是电机的转速变化率大, 速度得不到精确的控制[6]。采用直流串激电机方案的电动变桨系统得到了较为一定的应用, 其中SSB, MOOG2大公司的电动变桨产品中都有此种方案。

由于电枢和励磁回路串联, 2个绕组中电流方向相同, 不能用改变电流方向的方法来进行电机制动或反向运行。电机的正向制动或改变电机运行方向, 电枢绕组或串励绕组的极性必须反向。可以通过在串励绕组中使用整流桥, 改变电枢与励磁绕组的电流方向, 来实现电机机械的四象限运行。增加整流装置后的原理如图3所示, 通过电枢绕组或串励绕组的极性反向改变电机运行方向的原理如下:当电源输入为上正下负时, 电枢、励磁电流流向分别为IA1-A2, ID1-D2;当电源输入变为上负下正时, 电枢、励磁电流流向分别为IA2-A1, ID1-D2, 其中电源端子1, 2接直流伺服驱动器的输出。

永磁直流电机由永磁体代替电励磁, 无换向器和电刷, 其数学模型简单。永磁直流电机的电压与速度关系曲线线性度好, 电流与转矩成线性关系。永磁直流电机的正反向运行只需改变电枢绕组施加电压的极性。由于定子磁场是恒定的, 所以这类电机对电压变化的响应非常快。

直流电机的工作电压等级相对较低, 在电动变桨距系统采用直流电机的方案中, 在出现进线主电源掉电和直流伺服驱动器故障的情况下, 可以通过后备电源的接入实现顺桨, 并通过触发限位开关实现电源的切断。但是直流电机存在结构复杂、体积重量大、维护难的问题。

2.2 交流电动变桨

随着电力电子技术、微处理器、电机控制技术的迅速发展, 以交流伺服电机为执行电动机的交流伺服系统具有可与直流伺服系统相媲美的性能, 并能够充分发挥交流电动机的优势, 现代伺服系统驱动控制也逐渐朝着交流伺服电机驱动控制的方向发展。电动变桨距系统采用交流伺服电机方案时, 采用的交流伺服电机主要有感应异步电机与永磁同步电机 (PMSM) 2种。

感应异步电动机制造容易, 价格低廉, 不需要特殊维护。但电机运行时转子发热比较严重, 同时转子电阻随温度而变化将影响磁场定向的准确性。PMSM采用永磁体代替普通同步电机的励磁绕组, 从而省去了励磁线圈、滑环及电刷。PMSM的定子结构与普通的感应电机相同, 由三相绕组及铁芯构成。与感应电动机相比, PMSM不需要励磁电流, 可以显著提高功率因数, 而且在稳定运行时没有转子电阻损耗[6]。以二极式PMSM为例, PMSM的等效结构坐标图如图4所示。

在交流电机的矢量控制中, 建立在d-q坐标系下的PMSM数学模型[7], 其电压方程:

磁链方程:

对于表面式永磁同步电机, Ld=Lq=L, 所以PMSM转矩方程:

机械运动方程:

以上各式中的ud, uq, id, iq分别为d-q轴的电压和电流;Ld, Lq分别为d-q轴电感;r为定子电阻;P为电机的极对数;ψf为永磁体与定子交链的磁链;Te为电磁转矩;TL为负载转矩;J为转动惯量;ω为转子电角速度。由式 (5) 可见, 在PMSM矢量控制中, 只要能很好地控制定子电流的励磁电流分量id, 保持d轴磁链ψd幅值恒定, 则转矩只受定子电流的转矩电流分量iq控制, 电机的电磁转矩与转矩电流分量iq成正比。通过这样的矢量控制, PMSM就能获得与直流电动机调压调速近似的性能。

常用的交流电机工作电压相对较高, 在后备电源的选择上比采用直流电机方案难度大, 可以采用特殊设计的低压大电流交流伺服电机。相比直流伺服电机, 交流伺服电机具有体积小、重量轻、结构简单、大转矩输出等优点。

2.3 2种方案比较

(1) 和直流伺服电机相比, 交流伺服电机具有体积小、重量轻、结构简单、功率密度大、维护方便等优点。随着风力发电机单机容量的持续增大, 对电动变桨距系统的容量提出了更高的要求, 采用交流电机具有一定的优势。 (2) 和交流伺服系统相比, 在伺服电机驱动器出现故障时, 直流伺服电机的电枢两端接入后备电源后可以完成顺桨动作, 保证风力发电机3个桨叶的有效顺桨。交流伺服驱动器一旦出现故障, 与之相连的交流电机不能通过接入后备电源的方式完成对桨叶的顺桨工作。所以伺服驱动器故障的情况下, 采用直流电机的方案有一定的优势, 但是3套伺服驱动器同时坏掉的机率较小, 应从整体上统一考虑。 (3) 直流伺服电机的数学模型简单, 其电枢电压与速度、转矩与电流的线性度较好, 运动控制相对简单, 目前直流伺服驱动器电路较多的采用H桥式拓扑。交流伺服电机内部电磁关系复杂, 但是通过现代电机控制理论来驱动交流伺服电机, 能够实现比直流伺服系统性能更佳的交流伺服系统。交流伺服驱动器的电路须采用三相全桥的拓扑结构。

综上所述, 交流伺服系统在具有直流伺服系统众多优点的基础上, 还在价格成本、运行稳定性、可维护性等诸多方面具有相当的优势。随着全球风电技术的迅猛发展, 风力发电机单机容量的持续增大, 风电机组对电动变桨距系统的容量、可靠性等方面提出了更高的要求。相比直流伺服系统, 电动变桨距系统采用交流伺服系统作为其执行机构具有较大的优势。

3 结束语

电动变桨系统具有造价低廉、适用性广、结构简单和便于维护的优点, 为绝大多数风机制造商所广泛采用, 电动变桨技术已经成为风力发电机变桨技术的主流。随着风力发电机组单机容量的不断增大, 电动变桨距系统采用交流伺服电机的方案将是一种趋势。

参考文献

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[6]姜飞龙.永磁同步电机伺服系统控制研究[D].杭州:浙江大学, 2006.

同步变桨系统一致性问题研究篇5

风能是清洁、可再生、蕴藏量大的新型能源,是世界上最具增长潜力的新型能源。随着能源的紧缺问题越来越严重,变桨距控制技术作为风力发电系统的关键技术之一,已成为世界各国能源技术领域研究的热点［1］。风力机组的变桨系统分为液压变桨和电动变桨两大类。电动变桨应用比较广泛,而液压变桨系统存在非线性、容易泄漏等缺点,在机组安全运行和检修方面,电动变桨具有比较大的优势。

目前,国内外风电变桨距控制主要有二种方法,即同步变桨距控制和独立变桨距控制［2］。同步变桨距控制是在主动失速型机组的基础上发展起来的,也是目前世界范围内应用最广、最为成熟的技术。同步变桨系统通过保持叶片的最佳攻角,即保证风机获得较好的气动性能,从而使变桨控制的风电机组有可能在不同风速下始终保持其风轮能量的最佳转换效率,使高速传动主轴输出的功率最大。

但是,由于风机各风轮叶片在实际运行中受力情况是不同的,导致变桨过程中桨叶位置会出现偏差,可能会影响风机的输出功率和风机运行的安全稳定性能。本文就统一变桨系统中3个桨叶实时位置的一致性问题进行分析,并提出了加入速度调节器的方法,通过MATLAB仿真和实验来进行验证［3］。

1变桨系统性能要求

由于风场所处位置的特殊性,风机工作的环境十分恶劣。变桨系统长期在高温或低温下工作,维护困难,对于其有较高的可靠性要求。为了保证平稳控制风机功率,风力机组在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. 8 s内从静止加速到最大速度8° /s ~ 10° /s。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［4 － 5］。

由于桨叶在不同桨距角受到的力不同,风力机组3个桨距角不同步将造成风轮的不平衡,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°。

2影响同步变桨的因素

由于风速在高度上存在与高度相关的切变,风速在整个风轮扫掠面内是不相同的。风速会随高度的增加而增加,增加的程度是由风的切变现象决定的。计算风速的高度切变一般用的公式为统计公式。

式中V0距地面H0米观测到的风速,H0为测的风速V0时所在高度,一般H0的值为10 m,V是高度H的风速,H为风速V时的高度。

统计公式在统计计算上是基本准确的,它的缺点是对地面粗糙度长度因素考虑不够。考虑地表面粗糙长度z0后,上式变为以对数法表示如下［6］:

此式适用范围为30 m ~ 50 m高度。H和H0为距零风速平面的高度。

对n取值计算时可按下式:

目前,WM级风机高度一般都在60 ~ 90 m左右,与之相对应的桨叶直径也有30 ~ 40多米,风轮的最高与最低点的高度差还是比较大的,不能忽略由于高度差而引起的风速变化。

假定桨叶处于静止状态,令空气以相同的相对速度吹向叶片,作用在桨叶上的气动力将不改变其大小。由此可知,气动力只取决于相对速度和攻角的大小。

由于风机风轮扫掠面内风速的不同导致实际运行中的风机叶片在一个扫掠面内的尖速比是不同的［7］,按照升力系数和攻角以及阻力系数和攻角的关系可以知道各叶片得到的升力和阻力是不同的,这样风机在运行中就存在额外的阻力差。尤其是在实际运行中,风机桨叶处于上、下位置时所得到的升力存在明显的不同,即叶轮运行中存在额外阻力不同,会导致电动变桨过程中电机负载力矩不同。变桨过程中速度不一致,导致3个桨叶的位置出现一定的差值,会影响风机运行的性能。

3同步方案

为避免三个桨距角不一致造成的对风机运行的不利影响,可以采取以下两个方案之一加以解决。

方案一

从硬件的角度,功率大的电机设计时的转动惯量也比较大, 对于同一负载转矩来说,提高电机功率可以缩短电机到达要求转速的时间。但是这一方法对于功率的充分利用上来说,有点浪费,功率因数和效率都不高,且造成电能浪费。而对于轮毂这种较为狭小的安装空间,此方案受到一定的限制。

方案二

通过加入合适的控制策略加以解决［8］。在速度给定时加入速度调节模块,增加3个桨叶之间的运动一致性。这种控制策略的主要思想是将某一台电机的速度反馈同其它电机的速度反馈分别作比较,然后将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信号,增益用来补偿各个电机之间的转动惯量的不同［9 － 10］。对于轴i的反馈信号为:

式中 Δωi为反馈的转速矫正量; ω1,ω2, ω3分别为轴1,轴2,轴3的转速值; k1,k2,k3为增益调节参数。

这种控制策略能够保证同步性的精度要求,并且适合多电机使用,符合同步变桨一致性的要求。

4仿真验证

仿真中,采用永磁同步电机三环控制系统,位置环采用PI调节,速度调节采用变频调速,SPWVM矢量控制方式。电机额定功率6. 6 k W,额定转矩30 N·m,过载转矩90 N·m,额定转速2 100 r/min。

考虑到桨叶处于不同位置时,存在不同风阻。桨叶上收到的阻力不同,电机的负载转矩也不同。给定的负载力矩按照正弦量T = 45 + 30sin( wt + ) 变化,三个桨叶对应的变桨负载力矩初始角分别设为 π/6,5π/6,3π/2,周期为3πs( 9. 4 s) 。给定最大转速为2 100 r/min,目标位置为90°。

从图2没有采用同步控制策略时的3个电机转速曲线中,很明显可以看出由于负载不同,直接影响到电机从启到达额定转速的时间,3个轴分别在不同时间达到给定转速,而之前的速度差则会使得3轴的位置产生偏差。

从图2中的3个轴位置曲线,可以看到由于转速的不同,影响到了位置的一致性。两轴之间最大位置的差值达到了3°,在这种情况下,桨叶力矩会产生严重的偏移,使得杆塔发生倾斜震荡,甚至严重的会导致风机倒塌。

通过提高电机功率的方法,使得原本达到给定转速较慢的电机能够更快的达到给定转速,缩短达到给定转速的时间。仿真中,采用的电机改为额定功率9. 9 k W,额定转矩41. 4 N·m,额定转速2 300 r/min。

图3为大功率情况下仿真转速和位置波形,与原转速波形比较, 可以看出对原本较快到达额定转速#3轴而言没有有任何改变,但是对于转速上升比较缓慢的#2轴有明显的改善,#2轴到达额定转速的时间也缩短了,使得3轴到达指定位置的时间相当一致。

由于转速差的减小,位置差也明显减小了,说明通过增加电机功率可以解决由于负载变化,引起的桨距一致性问题。速度响应性能和一致性的提高使得位置差可以保持在0. 05度之内。

在速度环的速度给定输入前加入速度调节模块,该电机与另两个电机的转速差分别乘上一个比例系数的总和作为速度调节模块的输出,这样可以减少3个轴之间的速度差,从而达到减小位置差的作用。从图4中可以看到原本上升速度较快的#3轴转速变化变慢了,而原本上升速度较慢的#2轴转速变化变快了。因为功率的问题限制的原因,无法使得3个轴都跟上#3轴,无法将时间缩短到原来#3轴到达给定位置的时间。

5平台实验

本实验平台由伺服控制和负载运行两部分组成。主要的设备组成是永磁同步电机,减速齿轮箱,磁粉制动器,PLC和伺服驱动器。PLC实现位置环控制以及状态监测功能,伺服器实现速度环和电流内环控制,变负载通过磁粉制动器来实现,电机的实际参数和之前仿真时所用的参数一致。进行变桨一致性实验时,所有的参数和设置与MATLAB仿真是完全一致。

PLC通过电压输出来控制电源转换器来为磁粉制动器提供电流输入,电压与负载输出关系为T = 100 × V,电压输出如图5所示。

在未加入速度调节模块前,3个轴的转速和位置有一定的偏差,其曲线如图6( a) ,6( b) 所示。从图6( a) 中可以看到3轴到达额定转速的时间不同,最快与最慢的相差了0. 3 s左右,也就是这导致了,位置差最大处出现了2 1度的偏差,也就是#2轴达到额定转速的时候,如图6( b) 所示。

加入速度调节模块后,3个轴的转速和位置曲线如图7 ( a) ,7 ( b) 所示。3个轴基本可以同时达到额定转速,位置偏差也就消除了。当然整体到达指定位置的时间比原来最快的轴所花的时间要多,这是因为电机功率和伺服控制限制,也是为了确保一致性性能。

6结束语

电动变桨伺服系统篇6

关键词：风力发电机组,电伺服独立变桨,永磁同步电机,位置控制,模糊自适应PID

0引言

风能作为可再生的绿色能源,已经受到世界各国的普遍重视,成为了最具有大规模开发和商业化发展前景的新能源。变桨距控制技术是风力发电技术中的一项重要内容,通过控制动力系统调节桨叶迎风面与纵向旋转轴的夹角( 即桨距角) ,以改变桨叶的升力和阻力。相应的变桨距控制系统在风速低于额定风速时,其变桨控制器将桨叶的桨距角置于零度附近,不做变化,近似等同于定桨距调节; 在额定风速以上时,变桨距控制作用,调节桨叶桨距角,将输出功率限制在额定值附近; 在紧急故障时,调节桨距角使桨叶顺桨,降低风轮转速,减小对风力机负载的冲击,提高系统寿命。总之,变桨控制技术大大提高了整个风电发电系统的发电效率和电能质量[1,2]。据最新资料显示,Nordex公司的N90 - 2500 k W风电机组、GE公司的3. 6 MW风电机组、Repower公司的5 MW风电机组等都采用电动变桨系统。

电伺服独立变桨控制系统常采用位置、速度和电流三闭环的永磁同步电机( PMSM) 控制系统,其位置控制器直接影响系统的定位控制和位置跟踪性能。PMSM本身具有非线性、强耦合特性,对外部桨叶负载扰动和参数变化比较敏感,难以建立精确的数学模型。此外,变桨控制系统还同时面临着许多不确定的外部干扰因素,如风剪切、湍流、塔影等。在系统控制方面要求位置控制器在位置偏差偏大时能够快速跟踪,位置偏差偏小时能够平滑运行并精确定位。变桨控制系统的这些特点对控制器性能提出了较高的要求。

常规的PID很难满足变桨控制系统的快速动态响应、稳态运行平稳以及定位精度高等特性,且不受参数变化和外界扰动的影响。为了克服这一缺点,文献[3]采用模糊控制策略,提出将论域缩小,采用多层模糊控制器等,使输入输出特性趋于平缓,改善系统的稳态特性,优点是无需建立被控对象的数学模型,对被控对象的时滞、非线性和时变性具有较强的适应能力,对干扰后噪声具有很强的鲁棒性,但是其本身消除系统误差的性能比较差, 难以达到较高的控制精度; 文献[4]提出采用滑模模糊控制,虽然具有较强的抗参数扰动能力,但是无法消除抖动问题; 文献 [5]提出单神经元自适应PID控制,主要是在忽略PMSM非线性因素的情况下,采用线性控制策略控制PMSM,在一定程度上对负载扰动具有鲁棒性,但在很多情况下不能达到理想的暂态性能; 文献[6]采用模型参考自适应控制( MRAC) 策略,以参考模型的输出调整控制规律来适应控制过程中参数的变化、干扰等不确定因素,在一定程度上获得了较为满意的控制效果,但是当控制系统及控制目标发生较大程度的改变时,MRAC往往由于参考模型固定、无法调节,而导致系统控制性能的下降,甚至导致系统的不稳定[7]。

针对以上控制策略的不足,本文综合模糊控制和PI控制策略,设计一种基于模糊推理的自调整PID的电伺服变桨控制系统的位置控制器,它通过模糊规则推理与决策,在线自适应调整PID参数( 每次在线修改PID三个参数时只需模糊推理判断一次) ,不仅使变桨控制系统控制灵活、控制精度高、实时适应性强等优点,而且还能抑制各种非线性、参数时变等因素对变桨控制系统的影响,具有较强的鲁棒性。在独立变桨控制系统仿真平台基础上,搭建了电伺服独立变桨驱动控制系统的硬件平台,实验结果验证了电伺服独立驱动控制系统能够实现精确定位和快速跟踪。

1变桨距载荷计算和伺服电机选型

电伺服独立变桨系统由变桨控制器、伺服驱动器和备用电源系统组成,三个桨叶可实现独立变桨[8,9]。当电伺服变桨距系统上电后,伺服电机带动减速机的输出轴小齿轮旋转,而小齿轮与回转支承的内环相啮合,从而带动回转支承的内环与桨叶一起旋转,实现了桨距控制。

桨叶作为被控对象,是伺服闭环控制的一个环节,它直接关系到伺服电机的选型以及伺服控制策略的有效性,因此准确计算变桨距载荷,建立桨叶负荷模型对独立变桨系统的电伺服驱动控制器研究至关重要。同时只有确定风机变桨时桨叶所能承受的载荷,伺服电机、减速器相对应的功率、转矩和尺寸等参数才能被具体确定。

1.1变桨距载荷的计算

风力机的变桨距机构在工作状态下,作用于桨叶变距轴上的阻力矩主要包括: 桨叶本身质量离心力产生的惯性力矩Mc、空气动力作用在桨叶上产生的气动力矩Mz、桨叶绕其纵轴转动产生的惯性力矩Mm、桨叶重心偏离桨叶变距轴产生的重力矩Mg、弹性变形引起的力矩Me、由变桨机构各摩擦而产生的摩擦阻力矩Mf[10]。

( 1) 桨叶本身质量离心力产生的惯性力矩

风轮在工作时,旋转桨叶在自身质量的离心力作用下产生惯性力矩。假设在运动过程中不存在因为桨叶变形而对旋转桨叶产生阻力的弹性力矩,取长度距离为dr的桨叶微元为研究对象, 考虑根部为圆柱形及轮廓的存在,Mc表示为:

其中 ρb为玻璃钢桨叶材料密度; Ωr为风轮转速; β 为桨叶各截面的桨距角,J为转动惯量。

( 2) 空气动力作用在桨叶上产生的气动力矩

根据桨叶几何特性、风轮转速、风速和桨距角,利用叶素理论能够计算出桨叶上的载荷。但是由于气动力产生的力矩相对离心力引起的惯性力矩Mc较小,且气动力矩引起的力矩方向是使桨距角 β 增大的方向,为了简化运算,可忽略它[10]。

( 3) 桨叶绕其纵轴转动产生的惯性力矩

由于变桨系统为位置系统,要求具有快速响应速度,因此必须考虑Mm的影响。根据动力学,惯性力矩为:

其中Jb为桨叶纵轴转动惯量; 为桨叶最大变桨速度; t为桨叶变距速度从0变化到wpmax的最小加速时间。

( 4) 其它力矩

本文假设桨叶轴位于风轮旋转平面内,并且均匀通过各截面重心,则Mg= 0。同时不考虑桨叶变形问题,则Me= 0。

定义桨叶顺桨时产生的变桨力矩方向为正向,则开桨时产生的变桨力矩为负值。根据上述前面详细分析的作用于桨叶变距轴上的阻力矩和方向,变桨距驱动机构所承受的变桨驱动力矩表示为:

关桨时:

开桨时:

从安全角度出发, 取M关= Mc+ Mf+ Mm作为变桨机构的驱动力矩MP。依据2 MW风机桨叶的翼型参数和气动参数,计算出风机的变桨载荷,其与桨距角的变化曲线如图1所示。当桨叶从关桨状态转变为开桨状态时,MP先从小变大,然后又逐渐变小,并在 β= 39( °) 时,MP_Max= 40 416 N·m,这也反应了由离心力引起的变桨力矩对桨叶变桨驱动力矩影响最大。

1.2伺服电机的选型

在风力发电机组出现紧急故障需要立即顺桨并停机时,原则上要求在机械部件允许的应力下,变桨系统能够在0. 8 s内从静止加速到最大速度10 ( °) /s。另外为了保证风力发电机组输出功率的稳定性以及精度性,要求变桨位置误差要求在0. 01 ( °) 以内,因此对于伺服电机的选型,首先考虑伺服电机的额定转矩及最大转矩,其次考虑伺服电机转动惯量小,响应速度快。在减速箱的齿轮比确定为1 800的前提下,根据紧急顺桨的变桨速度为10 ( °) / s,要求伺服电机最大转速为每分钟3 000转,因此考虑一定安全裕量,确定额定转速为每分钟2 000转,额定转矩为31. 8 N·m,最大转矩为187 N·m,额定功率为7. 5 k W的永磁同步电机作为电伺服变桨系统的伺服电机。

2电伺服独立变桨控制器的设计

考虑到风速的随机不可预测性及桨叶负荷的快速波动性,变桨控制系统要求动态响应快、稳态运行平稳,因此PMSM采用基于转子磁场定向的矢量控制策略,满足制系统的动态响应快、精确定位和快速跟踪等硬性指标要求。本文设计的电伺服独立变桨驱动系统采用位置环、速度环、电流环三闭环控制,其控制如图2所示。当风机变桨时,变桨控制器给出桨距角给定 β*( 对应于伺服电机给定角度 θ*) ,与伺服电机位置反馈 θr进行负比较,作为位置调节器的输入,位置调节器的输出 ω*作为速度调节器的给定输入。速度给定与电机实际速度的负比较,经过速度调节器,输出iq*作为电流给定值; 电流给定值与实际的电流的负比较经过电流调节器,输出控制电压对三相逆变器的电压进行控制,实现对电流、转速和位置的控制[8]。其中电流环结合空间矢量脉宽调制技术,大大减少了转矩脉动,提高了动态响应的快速性和稳态运行的平稳性。

对电伺服独立变桨驱动控制器的设计,按照先内环后外环的原则,设计的控制器依次为电流控制器、速度控制器和位置控制器。考虑到电伺服独立变桨驱动控制系统的位置控制器需要具有很强的适应性: 在位置偏差较大时能够快速跟踪; 在位置较小时能够平滑运行并精确定位,无静态误差,有很强的抗干扰能力。另外电伺服变桨驱动系统存在的某些不确定因素,如被控对象PMSM的非线性、强耦合和参数时变等特性,桨叶负载变化,外部干扰因素等,因此电伺服独立变桨驱动系统的位置控制器采用基于模糊推理的自调整PID控制策略,在线自适应调整PID参数 ( 即每次在线修改PID三个参数时只需模糊推理判断一次即可) ,如图2的虚线框部分所示。

模糊自适应PID控制器以桨距角偏差e和偏差变化率ec作为输入,利用模糊规则在线对PID参数调整,满足任意时刻对PID参数整定的要求。本文电伺服独立变桨驱动控制系统的位置控制器采用一种有效的模糊自调整方案,通过引入一个函数 αP( t) 作用于PID的参数KP和KI( KD= 0 ) ,使动态系统响应迅速、稳态运行无误差,该控制方案的简单在于每次在线修改PID参数时只需模糊推理判断一次。

其中KI0和KP0是经过常规调试后确定的PI参数的初始值; γP为比例增益的调整系数,γP∈( 1,1. 4) ; βP为积分时间的调整系数,βP∈( 0. 6,1) 。

αP( t) 的在线调整由模糊推理实现: 首先将位置偏差e和位置偏差率ec模糊化转换为输入量E和EC,其中隶属度函数采用高斯函数; 然后结合具体受控过程及实际调试经验,采用最大— 最小推理方法确定模糊推理规则,推理产生模糊变化量M,如表1所示,它反映 αP在动态过程中应具有的变化趋势的模糊决策; 最后通过重心法解模糊得到m( t) ,在线调整 αP。

其中 ηP为正常数,在线调整 αP的变化速度,一般取 ηP= 0. 1; αP( 0) = 1,αP( t) ∈( 0,1) 。

3电伺服独立变桨控制系统实验研究

7. 5 k W电伺服独立变桨控制系统由PLC控制器、PMSM、伺服驱动器、备用电池系统、减速箱、滑环和电气总开关等组成,位置控制器采用基于模糊推理的自调整PID位置控制策略设计。在实际风机变桨时,桨距角给定为25( °) ,桨叶在45( °) 和20( °) 之间进行变桨动作,电伺服独立变桨驱动系统稳态实验结果如图3所示。

在整个运动过程中,变桨平稳、无超调、具有良好的位置跟踪性能和一致性,如图3( a) 和( b) 所示,开始变桨时,变桨电机转速能够迅速达到每分钟2 000转,对应于桨叶转速为7( °) /s,加速度为15( °) /s2; 在快到达指定位置时,变桨电机转速迅速降为零; 在恒速过程中,变桨电机转速保持稳定,无超调,如图3 ( c) 所示。图3( d) 为折算到电机侧的三个桨叶的实际扭矩,图3( e) 为三个桨叶的变桨电机PMSM的电流,其变化规律与仿真规律相吻合, 验证了电伺服控制策略以及控制器的正确性和有效性。总体上, 电伺服独立变桨系统运行稳定、精确定位和快速跟踪,满足大型风机变桨所需的响应速度和伺服精度。

4结束语

电动变桨伺服系统篇7

关键词：双馈风电机组,建模,变桨距

目前,绝大多数兆瓦级以上变速恒频风电机组多采用双馈异步发电机,双馈发电机定子侧接入电网,转子绕组由频率、幅值和相位可调的电源供给低频交流励磁电流。双馈发电机因其即具有异步发电机的原理,又具有同步发电机的工作特性,已经成为世界风电与控制领域的研究热点之一。双馈风电机组在低风速时通过调节转子转速使机组运行于最优功率系数附近;高风速时通过变桨距技术,限制输出功率在额定功率附近。

1 双馈风电机组模型

为对变桨距控制系统进行建模与仿真,必须具备完整的双馈风电机组模型,双馈风电机组模型如下。

1.1 风力机模型

其中,Pw为风机所捕获的机械功率(W),,ρ为空气密度(kg/m3),R为风力机半径(m),V为风速(m/s),α为风向角,θ为偏航角,cp(β,λ)为风能利用系数。

1.2 传动系统模型

1.3发电机模型

式中,u表示电压,φ表示磁链,i表示电流,Ls表示定子电感,Lr为转子子,下标s

表示定子侧,下标r表示转子侧。

则定子输出功率方程为

1.4 变桨距控制系统建模

随着风速的增大,风轮转速逐渐上升,当风速高于额定风速后,风轮转速受到限制,因此只需要通过调节桨距角就能改变Cp,从而将风机捕获机械功率限制在额定值附近。变桨距控制系统框图如下。

2仿真结果分析