电动变桨距控制系统设计技术问题的探讨

(成都大学信息科学与工程学院, 成都 610106)

0 引 言

针对目前国内阻碍电动变桨距控制系统产品国产化的关键技术问题，开展变桨距控制技术，角位移与电枢电流的检测及其模数转换技术，可靠性、维护性与安全性设计技术，电磁兼容性与防雷电设计技术，变桨距伺服系统试验测试半实物仿真等关键技术的研究[1-6]，并实现突破，提高产品的安全性、可靠性与维修性、降低成本，使产品的性能能满足提高风电的发电效率与发电质量、降低发电成本的要求具有重要意义[7-8]。文中针对这些问题，从变桨距控制系统研制的指导思想和设计原则，关键研究内容，系统设计规范与设计准则，产品的成本控制准则等方面提出了一些措施。

1 风力发电机组控制系统与电动变桨控制系统

一座风力发电塔主要由桨叶、轮毂、机舱、塔架组成。风力发电机组主要有风力机、增速齿轮箱、发电机、变频变流器及风力发电机组控制系统组成。由桨叶、轮毂组成风力机，齿轮箱与发电机安装在机舱内，变频器安装在塔底，而风力发电机组控制系统分布在整座风塔各个部分。

电动变桨距控制系统一般都采用七箱结构，分别为一个变桨控制箱，简称主控箱、三个轴控制箱，简称轴控箱、三个轴蓄电池箱，简称电池箱以及永磁直流伺服电机及配套件、91°与95°限位开关、桨距角绝对编码器、润油泵等辅属部件组成，结构如图1所示。

图1 电动变桨距控制系统结构示意图

2 变桨距控制系统研制的指导思想和设计原则

产品的安全性、可靠性始终放在第一位。由于变桨距控制系统安装在轮毂内，其运行环境恶劣，不但处在高温、低温、高湿、沙尘的自然环境之中，而且处在由于风力机的振动、旋转与突然启停等原因而引起的振动、冲击的机械环境之中；同时，由于风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，为了保证整个电网的安全，要求分散布置的风力发电机组能够无人值班长期连续可靠运行，这些都就对风电的自动控制系统的安全性、可靠性提出了很高的要求。例如在风速过高又因变桨距控制系统故障不能顺桨时，往往会发生桨折塔倒的严重后果；又例如在风力发电机脱网时，如果不及时顺桨，会引起风力机失速而造成机械传动装置严重损坏等。目前，因国产的变桨距控制系统等风电控制系统产品的功能虽然均满足风电的使用要求，但其安全性、可靠性与引进产品尚有差距，使风电整机制造商不敢选用。因此，在变桨距控制系统产品设计中应把安全性、可靠性始终放在第一位。数据的采集与传送、缆线接插、特别是软件的可靠性设计应特别注意。

应注重产品的电磁兼容性设计与防雷设计。变桨距控制系统在风机轮毂中，不但被大功率发电机及其变频变流装置产生的高压交流电场、静电场、电刷电弧、大功率开关器件等工业干扰与微波通讯、无线电信号、雷达等外界高频干扰所包围；而且还受到雷电、静电放电、磁爆等自然界干扰冲击，特别是因雷电损坏风电控制系统的故障时有发生。因此，在变桨距控制系统产品设计中应注重产品的电磁兼容性设计与防雷设计，特别是抗雷电设计与抗静电放电设计，通过滑环交换的信号端口必须并装防雷保护器件。

应注重产品的维修性设计。由于变桨控制系统安装在风机轮毂中，工作时轮毂在高空与桨叶一起旋转，现场调试与维修环境条件苛刻，操作空间又小。因此，在变桨距控制系统产品设计中应注重产品的维修性设计。在以往的产品设计中，维修性设计又常常被忽视。

在设计时应控制产品的直接成本。在提高产品可靠性、安全性、维修性和保证产品质量的同时，需大力降低成本。一方面我国风电发电成本太高，其中风电设备成本费用与使用维修费用高是其主要原因，国外先进水平已达到单位千瓦造价为1 000美元，发电成本为5美分/kW·h，已经具有与火力发电相竞争的能力，目前风电是在国家政策支持下，才有赢利空间；另一方面我国风电设备产能现已过剩，从长远看，风电产品将是价格与质量的竞争。因此，在变桨距控制系统产品在设计时应控制产品的直接成本。

3 关键研究内容

变桨距控制策略研究，主要包括变桨距控制系统结构设计技术，齿圈角位移调节环、电机角速度调节环、电机电枢电流调节环(即电机角加速度调节环)的调节算法等研究。在拟合外环的调节算法时，应兼顾风机功率的良好调节和避免变桨距机构的频繁动作，并要满足三桨叶同步变桨顺桨要求；在拟合内环的调节算法时，应在满足变桨响应时间的同时，避免功率元件与电机过流过热、变桨距机构的振动与冲击等现象发生，确保变桨系统的安全性。

角位移与伺服电机的电枢电流的检测及其模数转换技术，在强干扰、高低温、高湿、振动冲击的恶劣环境下，角位移与电枢电流的检测及其模数转换不但要响应时间短、而且数据平稳准确。

可靠性、维护性与安全性设计技术，硬件的可靠性、维护性、安全性设计技术:包括电子元器件的测试、筛选、老化等技术，降额设计技术，结构的防振动、防冲击、防湿、防腐、电磁屏蔽、热设计技术，模块化设计技术等；软件的安全性、维护性、可靠性设计技术:包括软件安全性分析技术，软件安全性设计方法，软件部件或软件单元的内聚强、耦合弱的设计方法，模块化结构设计方法，软件设计的避错、查错、纠错与容错设计技术等。电磁兼容性设计技术，主要包括箱体结构防电磁干扰设计技术，电路与印制电路板电磁兼容性设计技术，电气布线电磁兼容性设计技术，变桨距控制系统电磁兼容性的试验测试技术等。防雷电设计技术，主要包括吸收雷电波的防雷组件的设计技术、保护接地技术等。变桨伺服系统试验测试半实物仿真技术，主要包括半实物仿真平台设计技术，风速模型、桨叶气动力模型、变桨负载仿真模型拟合等。

4 系统设计规范与设计准则

硬件的可靠性、维护性、安全性设计规范与设计准则，伺服驱动器中的大功率半导体器件，往往由于过压、过流、过热、PWM桥电路短路等原因而容易损坏。因此，伺服驱动器是变桨距控制系统可靠性与安全性的关键单体，对它的保护设计非常重要。应包括：过载、直流母线电压过高/过低、电枢电流过大与变化过快、大功率器件过热、角位移传感器输出错误等保护；在CAN总线通信、RS232/485通信中，在选择通信方式与制订通信协议时，应采取避错、查错、纠错与容错等措施，保证数据传递的可靠性；在系统成本增加不多情况下，尽可能对输出的信号采取回读措施：设计回读在板电路或者外接测试电缆形成系统输出/输入自闭环；选用质量等级高的器件，并采取严格的测试、筛选、老化等技术措施，以进一步提高器件质量和确保其可靠性；采用降额设计技术，降低晶体管等半导体器件电流、电压应力，进一步提高器件可靠性和降低由于温升产生的不稳定性；箱体的设计一方面应采取防振动、防冲击、防腐的技术措施；另一方面应合理协调防尘、防湿、电磁屏蔽与防过热对箱体的防护要求；要做好变桨距控制系统的模块化设计。控制器、伺服驱动器、蓄电池及其控制装置等均作为独立部件设计，而构成部件的角位移检测与处理模块、电流检测与处理模块、微处器模块、变流模块等也作模块化设计。部件之间、模块之间的信号交換与线缆连接也设计得尽量简单。以便于故障诊断与故障件的更换，提高了可靠性、可维修性，也便于模块的更换与升级。

软件的安全性、维护性、可靠性设计规范与设计准则，对于软件的安全性设计，在软件设计时应采用安全性分析技术(如软件故障树分析及故障危险分析)，找出安全性关键功能及其控制软件，如有：与安全相关的故障处理功能、与安全相关的中断处理功能、启动安全关键行为的信号的功能等；并采取相应的软件安全性设计方法，如有：安全性关键功能受控于两个独立的输入、安全性关键信息不用一位逻辑来表示、非授权存取的控制、程序走飞后具有自复位功能等。在软件的维护性设计方面，在进行软件设计时，使软件部件与软件单元的内聚强，而它们之间的耦合弱。软件系统应具有良好的模块化结构，具有程序加载和卸载功能，具有激活和停止某一个进程(或模块)功能，具有备用进程(或模块)机制，具有安全控制及容错控制的“使能”功能等。产品必须具备用于调试和检测的监控程序、离线自动-半自动测试程序，并提供相应的人-机界面，显示测试结果信息。

软件的可靠性设计方面。在软件设计时可采用的可靠性设计技术有避错、查错、纠错与容错四个方面，如有：采样滤波(剔除跳点或防抖动程序) ，检纠错码、判定数据有效范围、检查累加和、识别特殊标记(如帧头帧尾码)、口令应答，重要数据校验保护设计(奇偶校验、和校验、CRC校验等)，重要控制“通行证”设计，合理性检查与判决程序，总线通信、信息交换、接口握手的超时设计，定时检查或巡查、自测试自诊断程序设计：如对重要的接口信息状态检测、对重要的控制过程的状态及其控制结果的检测、对故障状态的检测、对总线通信状态的检测、故障定位与屏蔽等，断点再启动，重启(“热启动”、“软启动”等)，程序走飞的陷阱设计，“看门狗”等。在数学计算中，而对于数据的极端情况的处理，更应注意，决不能让系统因此而意外停机或作出意外反应。

5 电磁兼容性与防雷电设计技术规范与设计准则

对于电磁兼容性设计技术规范与设计准则方面，产品的电磁兼容性设计应考虑产品抗外界电磁干扰与抑制产品对外电磁干扰两方面。一般应从降低干扰源的干扰强度、衰减干扰从源到受体的传递能量、提高干扰受体的抗扰动能力这三个方面采取技术措施，如有：防电磁干扰箱体结构设计包括：设计选用所使用的金属等电磁屏蔽材料，设计隔舱化结构，设计入出箱体线缆的滤波器，设计射频密封垫等；板卡输入输出端口接入静电放电、抗电磁干扰滤波器；电路的电磁兼容性设计包括：元器件选择与位置布置，脉冲前后沿和电路的设计，接地和隔离设计，板卡级滤波器设计，特别是关键电路(如晶振、高频电路)和印制走线的位置选择、去耦、屏蔽和隔离等。电路的抗扰与稳定裕度设计包括：滤波、隔离、匹配、输出回读等电路抗扰设计；在稳定裕度设计时应充分考虑动态时序竞争，以及电气元器件的温漂、时漂、环境(如供电)对稳定裕度的影响和变化；电子、电气布线的电磁兼容性设计技术措施有：线缆的分隔敷设、屏蔽与接地，信号传送线的阻抗匹配等。布线包括各单体之间的接线与各单体内部的连线；变桨控制系统的电磁兼容性设计应满足相关国标要求。防雷电冲击设计技术规范与设计准则主要包括，变桨距控制系统的所有出入口端，特别是电源接入端口，应接入防雷组件吸收雷电波，通过滑环交换的信号端口必须并装防雷保护器件；防雷接地保护设备的防静电接地、屏蔽接地等其它接地点应远离防雷接地。接地保护是非常重要的环节，良好的接地将确保控制系统免受不必要的损害，达到安全保护的目的。

6 模块化设计准则

硬件模块的分割和设计应考虑：整体性原则：模块功能不可太小、零碎、牵涉其它零部件太多；继承性原则：采用以前成功和可用的部件或设计(下兼容)，不受或少受因技术发展带来的外购件更新造成的影响，以及本身使用范围广、寿命长(上兼容)；安全性原则：功能模块的输入和输出接口在上电或复位时，在其它的与之相关的模块不使用或未接入时，必须是确定的、已知的、安全和可靠的，特别是涉及执行机构的模块绝对不能产生使产品误动作的输出；通用化原则：在增加产品成本不多情况下，驱动器应考虑对直流伺服电机、交流异步伺服电机、交流同步伺服电机的适用性。

软件模块化设计时应考虑：软件模块的内聚性要强、模块间的耦合性要弱，模块与模块之间的信息传递，最好采用参数化的形式；功能模块的输入和输出接口，应利于程序的更改、模块的测试；要尽量减少模块内引用和修改的全局变量，以增强模块的扩展性；进入该模块和退出该模块后，系统资源(如内存等)的平衡，以防止耗尽系统资源，而使系统崩溃。

7 线路选用与设计准则

采用通用的电气元器件和部件：如显示器件、电源；成熟技术和典型线路可以按需要更换参数直接选用；新设计逻辑电路必须进行静态负载计算、动态时间计算、时序分析；新设计模拟电路必须进行线路原理分析、参数计算、静态动态输入输出性能分析、扰动影响分析等。

8 产品的成本控制准则

设计者从产品的方案设计开始到最终的工程设计中均应进行成本控制，为此应注意如下几点：对批量生产的产品而言，硬件成本是永远的，而软件成本是一次性投入，因此在不影响产品功能情况下，用硬件和软件均可实现的，应优先考虑后者；利用已有批量化生产的产品部件和外购通用元件、部件；减少产品设计中使用元件的种类，增加同一元件的使用数量；对基本配置外功能的扩展采用添加元件或者选择模块实现；设计前咨询元器件多家供货商，优先使用高质量、低价格、信誉好、供货及时、售后服务好的厂家或供货商；加强产品的可靠性、维修性设计，减少产品售后的服务成本与用户的使用成本。

9 结束语

文中对电动变桨距控制系统产品国产化的关键技术问题，从变桨距控制系统研制的指导思想和设计原则、关键研究内容、系统设计规范与设计准则、电磁兼容性与防雷电设计技术规范与设计准则、模块化设计准则等方面提出了一些可供参考的措施。