作者简介：窦真兰（1980-），女，江苏泰州人，博士研究生，研究方向为风力发电等新能源。

1引言变桨距借助控制技术和动力系统调节叶片迎

风面与纵向旋转轴的夹角，即桨距角，从而改变桨叶的升力和阻力，使桨叶受力情况得到改善。变桨控制系统实现了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，大大提高了整个风电发电系统的发电效率和电能质量[1-3]。

此处基于电动变桨距系统工作原理，先整体设计变桨控制系统的结构，然后详细设计变桨控制系统和备用电源系统，利用有限状态机设计其软件，最后建立了变桨距控制系统进行实验，实验结果证明该系统满足电伺服变桨系统的特殊要求，为在风场中的实际使用提供了参考依据。

2

兆瓦级风电机组变桨距控制分析

2.1

兆瓦级风力机特性及变桨过程分析

根据风力机的空气动力学特性，风力机的输出机械功率为：

P m =C p （λ，β）ρπR 2v 3/2

（1）

式中：ρ为空气密度；R 为风力机叶片半径；v 为风速；β为桨叶的桨距角；λ为叶尖速比；C p 为风力机的功率系数，与λ和β成非线性关系。

理论上，风力机输出功率是风速的立方函数，

随着风速的增加，其输出功率是无限的。但实际变速风力发电机组受到两个基本条件：①所有电路及电力电子器件受功率；②所有旋转部件的机械强度受转速。所以风力机的转速和输出功率是有限度的，超过限度，风力发电机组的某些部分便不能正常工作。

变桨控制技术通过调节β，改变气流对桨叶的功角，进而控制风轮捕获的启动转矩和气动功率，其具体控制过程根据不同的风速状况可分为

起动、

最大风能跟踪、恒转速运行、恒功率运行、停电动变桨距控制系统设计与实现

窦真兰，王

晗，凌志斌，蔡

旭

（上海交通大学，风力发电研究中心和海洋工程国家重点实验室，上海

200240）

摘要：针对变桨距控制系统在风力发电机组中作为出力和制动速度的决定性系统，此处首先研究和分析

了兆瓦级风力机特性、风电机组的变桨过程，以及变桨距控制系统的工作原理，计算了桨叶负荷力矩，然后详细设计了变桨控制系统的整体结构、

伺服控制系统和备用电源系统，再利用有限状态机设计了变桨控制系统软件，最后搭建了变桨距控制系统平台。实验结果验证了电动变桨距不仅能够实现精确的位置控制，还具有快速的动态响应，满足风电机组变桨控制系统的特殊要求。

关键词：风力机；变桨距控制；电伺服；有限状态机中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1000-100X （2011）07-0001-04

Design and Realize of Electric Pitch Control System

DOU Zhen -lan ，WANG Han ，LING Zhi -bin ，CAI Xu

（Wind Power Research Center &State Key Laboratory of Ocean Engineering ，

Shanghai Jiao Tong University ，Shanghai 200240，China ）

Abstract ：The variable pitch control system ，as a decision system ，is very important to limit the output power and brake the speed in wind energy conversion system.The characteristics of megawatt -scale wind turbine ，the process of variable pitch and the principle of variable pitch control system are researched ，the load torque of blade is calculated.Then the overall structure of variable pitch control system ，

electric servo control system and backup power system are designed ，and the software of pitch control system is designed using finite state machine.Finally the platform of vari -able pitch control system is built.The experimental results show that the electric variable pitch control system possess -es the ability of fast dynamic response and can achieve precise position control.Keywords ：wind turbine ；variable pitch control ；electric servo ；finite state machine

Foundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.50907040）；Science Foundation of Shanghai （

No.08DZ1200504，08DZ2210502）1

图3桨叶负荷扭矩随β

的变化曲线

机这5个阶段，如图1所示。变桨工作过程为变桨距控制系统设计提供了理论基础。

2.2电动变桨距系统工作原理

风电机组的3个桨叶分别带有的电驱动

变桨距系统，机械结构主要包括伺服电机、

伺服驱动器、回转支承、减速装置、传感器和2个限位开关等。减速装置固定在轮毂上，回转支承的内环安装在桨叶上，桨叶轴承的外环固定在轮毂上。当变桨距系统上电后，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β的控制。

3

变桨距控制系统总体设计

3.1

变桨距控制系统的结构设计

变桨距控制系统由变桨控制器、伺服驱动器和备用电源系统组成。正常工作时，风机控制器根据风速、发电机功率和转速，发送β至变桨控制

器。变桨控制器实现与风机控制器及伺服驱动器通讯，接收β命令与变桨信息，

给3个伺服驱动器发送β指令，完成温度检测与控制、集中润滑、人机交互等功能。伺服驱动器接收当前β指令驱动电机，伺服电机经减速器带动桨叶旋转到指定位置，实现变桨调距。备用电源系统在电网失电或系统故障情况下给伺服系统供电，保证桨叶安全顺桨。

目前变桨控制系统基本有3种结构：结构1为3个的伺服驱动器分别使用的备用电源，具有最高的安全性能，当电网电压断电需要紧急停机时，3个备用电源分别为各自的伺服驱动器及伺服电机供电保证安全顺桨，如图2所示。结构2中3个伺服驱动器共用1个备用电源，虽节省了硬件成本，但安全性能比结构1大大降低。若唯一备用电源出现故障，桨叶将无法完成顺桨，风机因此无法停机，从而导致重大事故。结构3中将唯一备用电源置于机舱中，通过电滑环为伺服驱动器供电，此结构成本与结构2相近，但因备用电源离伺服驱动器较远并经过电滑环，多了1个环节，

在安全性能上较差。综合考虑后，采用结构1作为兆瓦级电伺服变桨控制系统拓扑结构。

3.2变桨距控制系统中的伺服控制系统设计

电伺服变桨系统关键是选择执行机构伺服电机。基于风力机组变桨距系统的特点，采用三相永磁同步电机（PMSM ）

作为变桨系统的伺服电机。根据空气动力学，风力机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T c ；空气动力作用在桨叶上产生的气动力矩T a ；桨叶绕其纵轴转动产生的惯性力矩T m ；桨叶重心偏离桨叶变距轴产生的重力矩T g ；运动副摩擦力产生的力矩T f ；

变桨距驱动机构产生的变桨驱动力矩T M 。从安全角度出发，取T M 关为设计变桨距机构的变桨驱动力矩的计算力矩，T M 关=T f +T m -T c 。

以2MW 风力机为例，根据风力机参数和翼型参数，得到作用在桨叶上的负荷扭矩与β的变化曲线，如图3所示。从关桨到开桨时，T M 先从小变大，然后又变小，在β=39°时，T Mmax =40416N ·m 。

根据桨叶负荷扭矩变化规律，伺服电机的选型首先考虑电机额定转矩以及最大转矩，保证伺服电机必须能够带动风机桨叶较大负载；其次伺服电机转动惯量小，响应速度快，能够达到最大转速，保证在有效范围内将β调整到指定位置。综合考虑一定安全裕量，选择额定功率为7.5kW ，额定转矩为32N ·m 的面装式PMSM 作为变桨伺服电机。PMSM 在d ，q 坐标系下定子电压方程为：

u d =R s i d +p Ψd -ωr Ψq ，u q =R s i q +p Ψq +ωr Ψd

（2）

图

2

变桨距控制系统结构框图

图1

风力机运行区域功率-风速变化曲线

2

图6

变桨距控制系统软件的状态图

图5电伺服驱动器硬件结构图

式中：u ，i ，R s ，L d ，Ψ分别为定子电压、电流、绕组电阻、电感、转子磁链；下标d ，q 表示其d ，q 轴分量，Ψd =L d i d +Ψf ，Ψq =L q i q ，Ψf 为永磁体对应的转子磁链；ωr 为转子旋转电角速度；p 为微分算子。

PMSM 的运动方程为：T e =J θ咬r +B θ觶r +T l ，T e 为电磁转矩，J 为转动惯量，B 为衰减系数，θr 为转子位置，T l 为负载扰动及不确定扰动。忽略电机定子绕组损耗和磁场储能，PMSM 的输出扭矩可表示为：

T e =3p n （Ψd i q -Ψq i d ）/2=

3p n [Ψf i s sin β+（

L d -L q ）i s 2sin2β/2]/2（3）

式中：p n 为极对数。

考虑到风速随机不可预测性，变桨负荷的快速波动性，故要求变桨控制系统动态响应快、运行平稳、能够实现精确定位和快速跟踪，基于转子磁

场定向的PMSM 矢量控制系统对转矩控制的平滑性保证了变桨距系统的良好动态特性[4-6]。以转子磁链方向为q 轴方向，i d =0，即T e =3p n Ψf i q /2，当Ψf 恒定时，定子电流i q 决定了T e 。通过分别控制i d ，i q ，

可实现对电机转矩、转速和位置的有效控制。在电动变桨距伺服控制器中，电动变桨距伺服系统采用位置环、速度环、电流环3闭环控制，其中位置控制器用于实现位置的精确控制，速度控制器环和电流控制器分别用于实现快速跟踪和动态响应，控制器结构如图4所示。

变桨时，风机主控制器给定参考桨距角θ*与伺服电机位置反馈θr 进行比较后，作为位置控制

器的输入；位置控制器的输出ω*作为速度调节器的输入，经过速度控制器，其输出i q *作为电流给定值；电流给定值与实际检测值的差值送给电流控制器，输出控制电压，利用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM ）算法对三相逆变器的电压进行控制，实现电流、转速和位置的控制，其中速度控制器和电流控制器均采用PI 调节器，而位置控制器采用基于模糊推理的自调整PID 位置控制策略，通过模糊规则推理与决策，在线自适应调整PID 参数。

3.3变桨距控制系统中的备用电源系统设计

根据变桨控制系统的EON 要求，备用电源系

统直流电压等级为311V ，容量满足3～5次顺桨，在网侧电压发生脱网或突然跌落到15%的额定电压时，需提供3s 的供电；当电网电压恢复后到

85%的额定电压时，

备用电源系统自动切出；若在3s 内，电网电压仍不能恢复到85%额定电压，

备用电源应给伺服控制供电，使其立即顺桨。

正常情况下，变桨控制系统在85%的额定电压下可长期工作，仅在电压跌落15%额定电压或电网电压脱落时，备用电源系统才投入工作，其连接方式如图5虚线框所示。

备用电源系统由储能元件和充电器组成。根

据桨叶负荷扭矩的最大值和安全变桨速度，同时考虑电池放电能力、温度对蓄电池容量的影响、蓄电池老化、蓄电池中各电池的不一致性等条件，确定使用单体容量为7.2Ah ，端电压12V 的铅酸蓄电池进行26节单体串联。3.4

变桨距控制系统软件的状态机设计

控制软件采用有限状态机模式，根据当前状态决定采取的策略与行为，以消息触发状态转换，完成相应的操作。软件状态机共有6个状态：开机、待机、正常模式、手动模式、紧急模式1、紧急模式2，相应的状态转换条件如图6所示。

（1）开机

电网供电正常时，变桨控制器、伺服

控制器上电初始化；变桨控制器与风机主控制器和伺服控制器通讯连接；启动人机界面，显示此时桨叶位置及开关量输入信号；正常进入待机状态。

图4电动变桨距伺服控制结构框图

电动变桨距控制系统设计与实现

3

电力电子技术Vol.45，No.7

July2011 Power

Electronics

图7实验波形

（2）待机人机界面中选择分别进入正常模式、手动模式、紧急模1，2。

（3）正常模式此模式为系统主要模式，变桨控制器接收风机主控制器发送的桨叶目标角度、桨叶速度等命令值，并发送给3个驱动器，同时激活虚拟主轴，驱动电机转动到给定的桨距角位置，并将当前桨叶、电机、伺服驱动器、备用电源等当前状态反馈给风机主控制器。在需要切换到手动调试时，先返回到待机，再转换到手动模式。

（4）手动模式用于系统停机时，调试人员调试桨叶，校准桨叶根部的编码器和电机转子侧编码器。在手动完全调试成功后，需要切换到正常模式，需先返回到待机，再切换到正常模式。在调试过程中出现任何错误直接进入紧急模式2，以保证调试人员的人身安全。

（5）紧急模式1用于在待机模式和正常模式时，变桨控制系统发生一般故障，而此类故障不影响风机整体安全性或者无需立即停机修复，仅需操作员在人机界面上确认并排除故障，系统再切换到待机模式；若故障无法排除，直接切换到紧急模式2，风机紧急顺桨停机，工作人员到现场检修。

（6）紧急模式2在开机、待机、正常模式、紧急模式1、手动模式下，出现致命故障，直接进入紧急模式2。此时变桨控制器将故障信号发送给风机主控制器，风机主控制器接收到故障信号后会立即发送顺桨指令给变桨控制系统，直接顺桨停机。故障排除后，重新切换到开机状态。

4变桨距控制系统的实现与实验

4.1变桨控制系统实现

变桨系统除了要求驱动器具有较快的响应速度（10°/s）和较高的位置控制精度（0.01°）外，还要求3个伺服具有同步性，保证3个桨叶的位置角误差在1.5°范围内。变桨控制软件程序中设定虚轴为同步运动的主轴，3个伺服电机作为从轴，主从比设定为1∶1，跟随虚拟主轴同步运动。

4.2实验结果与分析

给定β=90°，变桨方向为顺桨的方向。3个桨叶的位置响应曲线如图7a所示。可见，3个桨叶能够同时在10s时到达90°，整个运动过程中，位置误差在0.01°范围内平稳、无超调、具有良好的位置跟踪性能和一致性。单桨叶位置和速度波形如图7b所示，电机转速能在680ms内迅速达到3000r·min-1，对应于桨叶转速为9.9999°/s，加速度为15°/s2；在快到达指定位置时，转速迅速降为零；在恒速过程中，转速不受桨叶变负荷影响一直保持稳定，无超调，抗扰动性能良好。总之，变桨距控制系统能稳定运行，具有很好的动、静态特性，能够满足高性能伺服系统精确桨叶位置控制和快速动态响应等性能要求。

5结论

首先对大型风电发电机组电伺服变桨过程进行分析，阐述了电动变桨距系统的工作原理，计算了桨叶负荷扭矩，然后针对变桨控制系统的特殊需求，对其总体结构进行了分析和设计。基于风力发电机变桨驱动力矩的变化规律，设计了永磁同步电机矢量控制伺服系统以及备用电源系统，另外采用有限状态机设计了变桨控制系统的软件。最后采用硬件实验平台对变桨控制系统进行了仿真测试。实验结果验证了理论分析和系统设计的正确性，表明此处提出的变桨控制器性能优异，为风场中的实际应用提供了参考依据。

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