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直驱式风力发电机组变桨系统控制模型
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&&& 直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。这里我们对直驱风力发电机组的变桨系统控制的模型进行探讨。
&&& 1 直驱式风力发电机组简介
&&& 直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。
&&& 直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等（如图1.1 所示）。
&&& 1.1 直驱型风力发电机总体设计方案
&&& 直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下[1]：
&&& 1（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；&&& 2（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；&&& 3（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；&&& 4（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；&&& 5（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；&&& 6（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；&&& 7（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。
&&& 2 直驱风力发电机组变桨特性叙述
&&& 直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。
&&& 对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题，这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析，从而进一步的了解变桨后，对风力发电机组的性能影响
&&& 2.1 不同变桨角度下的特性
&&& 根据叶素理论，当一个叶素在流畅中运动时，叶素的上表面是负压力（吸力）；下表面是正压力。由于压力分布在叶素上而产生的载荷，可以用两个力（升力L 垂直于风向V；阻力D 平行于风向并与升力垂直）和一个力矩（俯仰力矩M）来表示。[2]
&&& 对于变桨距风力机来说，调节变桨也同时意味着调节功角的大小。变桨距风力机的实际工作中，往往也通过轴承机构转动叶片来减小功角α，以此来减小CL，减小升力，扭矩和功率。
&&& 这里我们分析变桨距风机在不同变桨角度下的特性。
&&& 1．首先我们先举例一个风机的电机的功率曲线图。如图2.1 所示：
&&&&&&& 2．我们根据此风力发电机的叶片特性，描绘出该风机变桨角度是0°时，在不同的风速下，叶轮对电机的驱动功率的大小。如图2.2所示：
&&& 2.3．在上述的图表中只列出了变桨角度为0°时的风机的特性曲线，我们再继续描绘变桨角度在10°和20°的情况下，变桨距风机的特性曲线。如图2.3 所示：&
&&& 图 2.3 变桨距风机变桨角为0°,10°,20°时的特性曲线在图中我们很清楚的看到在变桨角分别为10°和20°时，叶轮在不同的风速下对电机的驱动功率。
&&& 为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态。根据图2.3 我们便需要在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度。以满足发电机所处的工作状态再最优状态。例如：在风速为10m/s 的状态下，通过变桨角度分别为0°和10°两个特性曲线的对比。当变桨为10°时，此时曲线与电机功率曲线交点在：叶轮转速为17RMP ，电机功率约为350kW 处。此时的变桨角度如果为0°时，曲线与电机功率曲线的交点为：叶轮转速为8RMP ，电机功率约为100kW 处。由此可见，通过变桨距的调节，能够有效的改善风力发电机组的气动性能。
&&& 表 2.4 变桨距风机在不同风速下的变桨角度注：此表没有考虑到该风机的最大切出风速。
&&& 实际的风机设计中，要将变桨角在不同角度下的特性曲线细化，选出其在不同风速下最优化的变桨角度值。利用对风机在不同变桨角度的特性。在设计风力发电机组的时候，可以结合到以下3 点：
&&& 保护风力发电机组，防止过载。&&& 最小化风机的结构载荷。&&& 优化控制模拟的变桨区域。
&&& 3 针对直驱型风力发电机组的变桨控制模型
&&& 这里我们采用闭环控制用于风机正常运行时控制叶片桨矩角，或者变速风机的叶轮转速。在变速变桨矩调节的控制器的类型：变频器在使叶轮转速通过控制发电机的反作用力矩改变的同时，把发电机与电网分离。在高风速时，该力矩保持在额定水平而用桨距控制来调节叶轮的转速进而也就是功率输出。
&&& 3.1 变速桨距调节控制器
&&& 这种控制器模型适用于变速风力机，该类机器使用变频器将发电机转速从电网的固定频率中分离出来，并用桨距控制来限制超过额定风速时的功率输出。其控制回路图示于图3.1 。
&&&&& 3.2 稳态参数
&&& 稳态运行曲线可以用图3.2 所示的扭矩-转速图来描述。低于额定转速时，也既从点A 到H 。然而在额定转速以上，叶片桨距被调节到并保持在所选定的由L 标明的运行点。 事实上，变化着的桨距变更了定风速的曲线，迫使其通过需要的运行点[3] 。
&&&& 一旦在H 点达到额定扭矩，在所有更高的风速中，扭矩需求量保持常数，并由桨距控制来调节叶轮的转速。在点H（此处扭矩达到最大值）与（此处开始桨距控制）L 之间允许有一小段余量，以防在低于和高于额定扭矩的控制模式之间作过度频繁的模式切换。然而，可能不需要这个余量，此时点H 与L 重合。与使用失速调节控制器的情形一样，假如需要线段可能会收缩为一点。 很明显，确定稳态运行曲线所需的参数有：
&&• 最小速度，S1 &&• 定叶尖速比模式中的最大速度，S4 &&• 高约定速度（S5）的速度设置点。它可能与S4 相同。 &&• 最高稳态运行速度。它通常与S5 相同。 &&• 高于额定值的扭矩设置点，QR。 定义恒定尖速比曲线BG 的参数Kλ ，或一个查验表。
&&& 3.3 动态参数
&&& 为了与测算控制回路的动态特性，必须规定速度传感器和桨距传感器的动态响应，以及控制器的实际算法，该算法用来计算响应测得的转速信号的桨距和发电机扭矩需要量。图 3.3 显示了用于产生桨距和扭矩需要量的控制回路。在额定值以下扭矩需要量回路有效，反之则桨距需要量回路有效。
&&& 低余额定值时，速度设置点在S1 与S4 之间切换。在低风速情况下，该点在S1, 而扭矩需要量输出被限定在一个最大值上，该最大值由最佳叶尖速比曲线BG 给出。这使得运行点循着轨迹ABG 移动。高风速情况下，设置点变到S4, 而扭矩需要量输出被限定到一个最小值上，该最小值也由最佳叶尖速比曲线给出，同时使运行点循着轨迹BGH 移动, 并导致QR 的最大值。当达到H 点时，随着桨距控制回路在速度超过S5 时变为有效，扭矩保持恒定。
&&& 结论与展望
&&& 这里简单的对直驱型发电机组变桨控制模型进行探讨。此控制模型在直驱式风力发电机组概念设计中的一部分。由于直驱式发电机组在我国目前还没有形成大规模的产业化。我们对直驱型的风机设计还在不断的进行探讨和摸索当中。同时还要通过长期的试验和收集数据，对模型进行细化、修正和完善。姜兴华金风科技股份有限公司主要参考文献目录&&& 1. 金风62/1200 风力发电机组介绍，金风公司产品资料，2005 年. &&& 2. John F.Walker & Nicholas Jenkins ，风能技术，JOHN WILLEY & SONs，1997 &&& 3. balded for wind0ws 原理手册，1996
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VIP公司推荐8.1变桨系统原理
整个系统结构如上图所示，包括三个相对独立的变桨轴箱，分别编号为轴箱 A、轴箱 B 和轴箱 C，以及与各轴箱连接的伺服电机、位置传感器和限位开关。每个轴箱单独控制一个 桨叶，轴箱与轴箱、轴箱与电机之间通过电缆连接。电机通过减速箱连接至桨叶法兰齿轮。 电机减速齿轮和法兰齿轮装置为轮毂部件。
系统外部进线经滑环接入系统，其进线有 3*400V+N+PE 三相供电电源回路，PROFIBUS-DP 通讯回路，其次还有安全链回路。如图 1 所示。以上三路由机舱柜引出连接至 A 柜，再由 A 柜连接至 B 柜，B 柜到 C 柜。三相电源在送入下一轴箱前倒换了相位，以避免各轴箱加热器、 电机风扇等单相负载均使用同一相供电而造成三相电源不平衡。
三个轴箱内部布置基本相同，布置详见安装说明，其右侧 A 区安装电容 2C1、2C2、2C3、2C4，四个电容串联接线，以及安装有进线开关
1Q1、1F2，接线端子
1X1、1X2，转换开关6S1、6S2。左侧底部 B 区安装电源管理模块 1G1，交流伺服驱动器 2U1，以及加热器 1E1。考虑到 B 区散热需求，功率器件均安装于散热板上。C 区为控制板，C 板一侧装有合页，作夹层设计安装于 B 区上方，C 板安装有控制 PLC，24V 电源 2T1、2T2，温度控制开关 1S1，接线端子排
2X1、4X1，继电器组以及控制空开
2F2、2F3、2F4、1F4、1F5。轴箱背面为外部接线插头，其连接都经过过压保护端子 4X1。轴箱正面装有系统总开关和模式转换开关。
桨叶的位置由电机内置的光电编码器送出信号至 PLC 运算获得。为了校准和监视桨叶位置，桨叶上装有两只接近开关，一只负责 3°~5°桨叶位置监视与校准，另外一只负责 90°桨叶位置监视与校准。正常情况下，桨叶运行区间为 0°到 89°。当系统顺桨时，桨叶收回至 89°。若 PLC 本身或与伺服通讯故障，收桨超过 95°，触发限位开关，此时伺服断电、电机抱闸。95°限位开关作为变桨系统最后一条安全措施，保证了系统的安全运行。
系统每个轴箱均由一套独立 PLC 控制。PLC 需完成的控制任务有：1、轴箱作为风机主控的 从站接受主控发送的指令信号，并且回传本轴运行状态，三个轴箱 PROFIBUS-DP 通讯站号分别 设置为 51、52 和 53。2、监视变桨系统的运行状态，当出现异常情况时断开安全链，通知风机 进入紧急状态。3、PLC 通过 CAN 总线连接伺服驱动器，控制电机到达所需位置。
由于变桨系统工作环境温度范围大，当温度较低时，为了避免 PLC 等控制器件失效， 系统安装有轴箱加热装置 1E1。温度设定由 1S1 温控开关控制。当轴箱内部温度低于 5℃时， PLC 不启动，1S1 启动 1E1 模块加热，高于 15℃时，加热器断电。当温度高于 5℃，1S1 控 制 PLC 正常启动。当系统启动后，其工作热耗散可维持正常工作温度。另外当轴箱内部温 度大于 50℃时，PLC 启动 1E1 散热风扇。
本设计选用超级电容模组参数为 500F，16V。4 个模组串联，工作电压 60V，最大持续放电电流可达 150A。电源管理模块将系统电源和充电模块合二为一，超级电容模块并联于直流母线上，主备电源在紧急模式下可无延时切换。系统选用宽输入电压范围的
24V 开关电源为 PLC 和继电器等控制器件供电。
正常工作时变桨系统接受主控制指令控制桨叶到达设定位置。当风机系统故障，安全链断开时，变桨系统进入紧急模式，桨叶以 9°/S 迅速顺桨至安全位置，保护了风机的安全运行。若变桨系统交流供电故障，则整个系统由超级电容供电，8 秒左右后变桨系统进入紧急模式，这样的设计满足了风机低电压穿越的要求。另外，由于本实用新型三个轴箱均由独立的 PLC 系统控制，若一台轴箱故障，另外两台接收到安全链断开信号后可保证风机系统安全停机。
8.2变桨系统逻辑原理
TR变桨系统由三个功能和结构相同的轴柜组成，每个轴柜结构如图所示：
1、自动模式下，变桨PLC接受风机主控位置指令，经过前馈与比例环节运算输出速度指令，通过CAN通讯传给AC2变频器，变频器完成速度环与电流环运算驱动电机至指定位置，以下是各核心部件功能。
2、变频器与电机：直接从DC Link获取能量，正常情况下，接受PLC速度指令，完成驱动功能，当PLC或CAN通讯故障时，直接驱动变桨至限位开关动作停止。
3、PLC控制器：接受风机主控指令，完成位置环运算，控制变桨跟随风机主控位置指令，返回变桨状态至风机主控，同时监视变桨自身状态，完成各种逻辑保护功能及其它辅助回路控制。
4、电源管理模块：从滑环获取主电源，维持DC Link电压恒定，当主电源故障时，通过综合报警信号告知PLC电源出现故障。
5、超级电容：正常工作时，支撑DC Link电压。主电源故障时，作为后备电源为变桨提供足够的顺桨能量。
6、每个轴柜都有完全独立的控制及功率驱动部分，三柜之间无任何联系。
7、当系统输入主电源出现故障时，变桨系统依靠后备电源顺桨，其它情况均依靠主电源供电。
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&&变​桨​控​制​系​统​包​括​三​个​主​要​部​件​,​驱​动​装​置​-​电​机​,​齿​轮​箱​和​变​桨​轴​承​。​从​额​定​功​率​起​,​通​过​控​制​系​统​将​叶​片​以​精​细​的​变​桨​角​度​向​顺​桨​方​向​转​动​,​实​现​风​机​的​功​率​控​制​。​如​果​一​个​驱​动​器​发​生​故​障​,​另​两​个​驱​动​器​可​以​安​全​地​使​风​机​停​机​。
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