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摘 要： 风力发电机组变桨控制系统（风电机组变桨系统）是风电机组控制系统的重要组成部分，至今尚无较成熟的国产化产品。本文就交流异步伺服技术的风电机组变桨系统进行研究。
关键词： 风力发电机组； 变桨控制系统； 伺服系统； 交流异步电机
中图分类号：TK414.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0013-01
1 风电机组变桨系统组成和总体结构
风电机组变桨系统主要包括变桨主控制器、伺服系统（包括伺服驱动器、伺服电机及其传感器）、备用电源系统、配电系统、减速箱和传感器等。风电变桨系统采用三套伺服控制系统分别对每个桨叶的桨距角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒 10°，桨距角控制范围为 0 ～92°，电机轴至桨叶驱动轴的减速比约为 1 800 （某1. 5 MW 机组数据），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，电机转角反馈采用编码器，安装在电动机轴上，由伺服驱动器实现转速和转角的闭环控制。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。在轮毂内齿圈上安装位置编码器或位置开关，用于比对电机编码器。在轮毂内齿圈边上还装有 2 个
限位开关（91°和 96°）。变桨系统的供电来自机舱柜提供的三相 380 V（带零线）交流电源（3 ×400 V + N + PE），该电源通过滑环引入轮毂中的变桨系统。
2 风电机组变桨系统中的伺服系统
风电机组变桨系统的核心是3套伺服控制系统，分别用于控制3个桨叶的桨距角，伺服控制技术是风电变桨系统的关键技术之一。根据选用电机的不同，伺服控制系统可以分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类型，交流伺服系统又可分为异步电动机伺服系统和永磁同步电动机伺服系统。
目前国内风电机组变桨系统主流产品如LUST、SSB 等采用的都是直流伺服系统，其主要优点是后备直流电源接入方便且能直接驱动直流电机，串励直流电机起动转矩大，但有电机碳刷维修困难、成本高等缺点。采用矢量控制的交流伺服控制系统代表着伺服控制系统的发展方向，其控制性能已达到或接近直流伺服控制系统，交流电机有结构简单、可靠性高、维护方便等诸多优势，因此在风电变桨系统中采用交流伺服系统正成为发展方向，近年来从国外新引进的风电机组变桨系统也验证了此趋势。交流电机中，永磁同步电机只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动，但其缺点是需要采用编码器来进行转子磁极位置检测，编码器故障可能导致失步，而在风电机组实际运行过程中，电机编码器是较容易损坏的部件之一，其次，永磁同步电机成本较高；异步电机在矢量控制算法方面比永磁同步电机稍显复杂，多了与电机参数相关的磁链观测环节，但总的说来，针对异步电机的矢量控制算法已很成熟，且在编码器故障情况下，它可采用 VVVF方式安全运行，就电机本身而言，异步电机有结构简单、可靠性高、环境适应性好、成本低等优点。风电机组变桨系统的运行环境较为恶劣，综合考虑性价比，采用异步电机的交流伺服系统更具优势，是风电机组变桨系统的发展方向。
3 适用于风电机组变桨系统的交流
异步电机伺服系统一套交流异步电机伺服控制系统主要包括一台交流伺服驱动器、一台交流异步电机和配套的传感器等。
3.1 特点
伺服系统一般为通用性产品，将其应用于风电机组变桨系统时，又有其特殊性。适用于风电变桨控制的专用交流异步电机伺服系统特点主要体现在以下几个方面：（1） 实现位置环、速度环和电流环三环控制。变桨系统的位置指令由风电主控系统运算产生，变桨系统的主要功能是根据风电主控送来的位置指令调整桨叶到相应位置。通用伺服主要实现速度环和电流环控制，位置环一般在上层可编程逻辑控制器（Programmable Logi-cal Control，PLC） 中实现，针对风电变桨系统特点，在伺服控制系统实现三环控制更能提高系统的控制效果和可靠性。（2） 控制方式能根据情况的變化自动改变。在正常情况下，伺服控制系统以三环控制方式工作；在手动操作方式下，伺服控制系统以速度环和电流环两环控制方式工作；在编码器故障情况下，伺服控制系统以 VVVF 开环方式工作。通过不同情况下伺服控制系统工作方式的自动转换，能较好地满足风电机组变桨系统的控制要求。（3） 接收冗余编码器信号。伺服电机轴上安装有一个绝对式加增量输出的编码器用于变桨伺服控制系统的正常闭环控制，同时为了提高测量的可信度，在轮毂内齿圈上安装了一个绝对式位置编码器，用于比对电机编码器测量的正确性。（4） 足够的输入输出通道。变桨系统有一些必要的模拟量输入信号、开关量输入和输出信号需要伺服控制系统来处理，伺服控制系统应满足实际需求。
3.2 交流异步电机伺服驱动器
3. 2.1 伺服驱动器硬件系统
系统硬件功能框图如图1 所示。硬件系统主要包括两大模块，以 TMS320F2812 为核心的主控制板和以IPM 功率器件为核心的逆变器主电路板。主控制板的设计针对变桨驱动的要求，充分考虑DSP 的资源和功能特点，使系统具有高可靠性和功能灵活性。控制板除了能够完成伺服系统矢量控制的核心算法外，还具有一个伺服系统所必须的一般通用功能和变桨控制的特殊功能。控制板主要包括模拟信号输入接口、数字 IO 接口、位置和转速信号接口、通信接口、控制接口及其他基本外围功能接口等几部分。交流异步电机伺服控制系统功率板的主电路主要包括：逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电压检测、故障保护等。
图1 以 TMS320F2812 为核心的交流异步电机伺服驱动器
3.2.2 伺服驱动器软件系统
（1） 控制原理。交流异步伺服电机控制采用了基于电机动态数学模型的矢量控制策略。
（2）控制软件的结构。控制软件基于上述策略，采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的成熟控制结构。交流电机都是强耦合的非线性系统，运行过程中在电机参数变化、负载波动等扰动作用下，基于线性控制理论的 PI 调节器很难保证在大的速度和负载变化范围内的动态控制性能，为此，重点针对变桨控制的高低速性能要求，在必要的情况下采用弱磁控制、基于参数辨识的动态自适应控制等算法，解决电机在所需调速范围内对负载的适应性和转速的平稳性，以及转角的高精度控制等问题。
3. 3 伺服系统诊断和保护
变桨伺服驱动器必须有完善的诊断和保护功能，并将诊断状态汇总到 1 个特定的 DO 通道输出，通过中间继电器触点直接进入机组安全链。伺服驱动器正常时，此 DO 状态为高电平，一旦伺服驱动器异常，此 DO 状态变为低电平，安全链动作，机组紧急停机。伺服驱动器诊断状态判断逻辑一部分由硬件实现，一部分由软件实现。
4 结束语
风电机组变桨系统承担着风电机组的控制和保护双重任务。先进方案设计先进、合理，功能能够满足风力发电机组变桨距控制的要求，风电机组变桨系统采用交流异步伺服技术符合技术发展的趋势。
参考文献
[1] 刘光德. 风力发电机组电动变桨距系统的研究[J]. 电机与控制应用，2006，33（10）：31-34.
[2] 李永东. 交流电机数字控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
关键词： 风力发电机组； 变桨控制系统； 伺服系统； 交流异步电机
中图分类号：TK414.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0013-01
1 风电机组变桨系统组成和总体结构
风电机组变桨系统主要包括变桨主控制器、伺服系统（包括伺服驱动器、伺服电机及其传感器）、备用电源系统、配电系统、减速箱和传感器等。风电变桨系统采用三套伺服控制系统分别对每个桨叶的桨距角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒 10°，桨距角控制范围为 0 ～92°，电机轴至桨叶驱动轴的减速比约为 1 800 （某1. 5 MW 机组数据），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，电机转角反馈采用编码器，安装在电动机轴上，由伺服驱动器实现转速和转角的闭环控制。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。在轮毂内齿圈上安装位置编码器或位置开关，用于比对电机编码器。在轮毂内齿圈边上还装有 2 个
限位开关（91°和 96°）。变桨系统的供电来自机舱柜提供的三相 380 V（带零线）交流电源（3 ×400 V + N + PE），该电源通过滑环引入轮毂中的变桨系统。
2 风电机组变桨系统中的伺服系统
风电机组变桨系统的核心是3套伺服控制系统，分别用于控制3个桨叶的桨距角，伺服控制技术是风电变桨系统的关键技术之一。根据选用电机的不同，伺服控制系统可以分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类型，交流伺服系统又可分为异步电动机伺服系统和永磁同步电动机伺服系统。
目前国内风电机组变桨系统主流产品如LUST、SSB 等采用的都是直流伺服系统，其主要优点是后备直流电源接入方便且能直接驱动直流电机，串励直流电机起动转矩大，但有电机碳刷维修困难、成本高等缺点。采用矢量控制的交流伺服控制系统代表着伺服控制系统的发展方向，其控制性能已达到或接近直流伺服控制系统，交流电机有结构简单、可靠性高、维护方便等诸多优势，因此在风电变桨系统中采用交流伺服系统正成为发展方向，近年来从国外新引进的风电机组变桨系统也验证了此趋势。交流电机中，永磁同步电机只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动，但其缺点是需要采用编码器来进行转子磁极位置检测，编码器故障可能导致失步，而在风电机组实际运行过程中，电机编码器是较容易损坏的部件之一，其次，永磁同步电机成本较高；异步电机在矢量控制算法方面比永磁同步电机稍显复杂，多了与电机参数相关的磁链观测环节，但总的说来，针对异步电机的矢量控制算法已很成熟，且在编码器故障情况下，它可采用 VVVF方式安全运行，就电机本身而言，异步电机有结构简单、可靠性高、环境适应性好、成本低等优点。风电机组变桨系统的运行环境较为恶劣，综合考虑性价比，采用异步电机的交流伺服系统更具优势，是风电机组变桨系统的发展方向。
3 适用于风电机组变桨系统的交流
异步电机伺服系统一套交流异步电机伺服控制系统主要包括一台交流伺服驱动器、一台交流异步电机和配套的传感器等。
3.1 特点
伺服系统一般为通用性产品，将其应用于风电机组变桨系统时，又有其特殊性。适用于风电变桨控制的专用交流异步电机伺服系统特点主要体现在以下几个方面：（1） 实现位置环、速度环和电流环三环控制。变桨系统的位置指令由风电主控系统运算产生，变桨系统的主要功能是根据风电主控送来的位置指令调整桨叶到相应位置。通用伺服主要实现速度环和电流环控制，位置环一般在上层可编程逻辑控制器（Programmable Logi-cal Control，PLC） 中实现，针对风电变桨系统特点，在伺服控制系统实现三环控制更能提高系统的控制效果和可靠性。（2） 控制方式能根据情况的變化自动改变。在正常情况下，伺服控制系统以三环控制方式工作；在手动操作方式下，伺服控制系统以速度环和电流环两环控制方式工作；在编码器故障情况下，伺服控制系统以 VVVF 开环方式工作。通过不同情况下伺服控制系统工作方式的自动转换，能较好地满足风电机组变桨系统的控制要求。（3） 接收冗余编码器信号。伺服电机轴上安装有一个绝对式加增量输出的编码器用于变桨伺服控制系统的正常闭环控制，同时为了提高测量的可信度，在轮毂内齿圈上安装了一个绝对式位置编码器，用于比对电机编码器测量的正确性。（4） 足够的输入输出通道。变桨系统有一些必要的模拟量输入信号、开关量输入和输出信号需要伺服控制系统来处理，伺服控制系统应满足实际需求。
3.2 交流异步电机伺服驱动器
3. 2.1 伺服驱动器硬件系统
系统硬件功能框图如图1 所示。硬件系统主要包括两大模块，以 TMS320F2812 为核心的主控制板和以IPM 功率器件为核心的逆变器主电路板。主控制板的设计针对变桨驱动的要求，充分考虑DSP 的资源和功能特点，使系统具有高可靠性和功能灵活性。控制板除了能够完成伺服系统矢量控制的核心算法外，还具有一个伺服系统所必须的一般通用功能和变桨控制的特殊功能。控制板主要包括模拟信号输入接口、数字 IO 接口、位置和转速信号接口、通信接口、控制接口及其他基本外围功能接口等几部分。交流异步电机伺服控制系统功率板的主电路主要包括：逆变器、整流器、辅助电源、隔离驱动、电流电压检测、故障保护等。
图1 以 TMS320F2812 为核心的交流异步电机伺服驱动器
3.2.2 伺服驱动器软件系统
（1） 控制原理。交流异步伺服电机控制采用了基于电机动态数学模型的矢量控制策略。
（2）控制软件的结构。控制软件基于上述策略，采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的成熟控制结构。交流电机都是强耦合的非线性系统，运行过程中在电机参数变化、负载波动等扰动作用下，基于线性控制理论的 PI 调节器很难保证在大的速度和负载变化范围内的动态控制性能，为此，重点针对变桨控制的高低速性能要求，在必要的情况下采用弱磁控制、基于参数辨识的动态自适应控制等算法，解决电机在所需调速范围内对负载的适应性和转速的平稳性，以及转角的高精度控制等问题。
3. 3 伺服系统诊断和保护
变桨伺服驱动器必须有完善的诊断和保护功能，并将诊断状态汇总到 1 个特定的 DO 通道输出，通过中间继电器触点直接进入机组安全链。伺服驱动器正常时，此 DO 状态为高电平，一旦伺服驱动器异常，此 DO 状态变为低电平，安全链动作，机组紧急停机。伺服驱动器诊断状态判断逻辑一部分由硬件实现，一部分由软件实现。
4 结束语
风电机组变桨系统承担着风电机组的控制和保护双重任务。先进方案设计先进、合理，功能能够满足风力发电机组变桨距控制的要求，风电机组变桨系统采用交流异步伺服技术符合技术发展的趋势。
参考文献
[1] 刘光德. 风力发电机组电动变桨距系统的研究[J]. 电机与控制应用，2006，33（10）：31-34.
[2] 李永东. 交流电机数字控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，2003.