大功率風力發電機組的變槳控制系統的製作方法
2023-06-02 22:18:51 3
大功率風力發電機組的變槳控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種大功率風力發電機組的變槳控制系統，所述大功率風力發電機組的變槳控制系統與交流電電性連接，其包括充電裝置、備用電源、驅動器、變槳電機以及控制單元，該充電裝置、驅動器、變槳電機依次電性連接，且該充電裝置與驅動器之間並聯該備用電源和控制單元；該充電裝置將交流電轉換為直流電輸入至驅動器，該驅動器將直流電轉換為頻率和幅值能夠調節的交流電驅動變槳電機轉動，且該充電裝置供該備用電源充電；該充電裝置包括多個分別並聯在交流電與驅動器之間的充電器。本實用新型採用多個充電器並聯連接，不但可以提高系統所需要的功率，而且每個並聯的充電器獨立散熱，延長了設備的使用壽命，同時便於維護。
【專利說明】大功率風力發電機組的變槳控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力電子設備、通訊控制【技術領域】，特別涉及一種大功率風力發電機組的變槳控制系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著風力發電機組設計水平的不斷提高，越來越多的大功率風力發電機組開始設計與應用，大都採用三葉片變槳控制系統。變槳控制系統在風力發電機組中是一種伺服控制系統，它以槳葉的位置為控制對象，通過控制葉片沿其軸向的轉動來改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩，使發電機輸出功率保持穩定的控制方式。它的控制方式有電動變槳控制系統和液壓變槳控制系統。電動變槳控制系統是利用電機的轉動來實現對槳葉位置的調節，一般包括變槳電機、驅動器、控制單元、備用電源。
[0003]如圖1所示的一種變槳控制系統的主拓撲架構圖。圖1變槳控制系統主拓撲架構主要由充電器1、備用電源2、驅動器3、變槳電機4、電源模塊5、控制電路6組成，其中控制單元包括電源模塊5、控制電路6。
[0004]變槳控制系統是保障風力發電機組整體安全性的關鍵環節，系統正常工作時，變槳動作需要的電能主要由三相交流電網提供；當給變槳控制系統供電的電網出現故障或電壓掉電時，設計的備用電源2來提供能量，直接給變槳控制系統供電，保證整套變槳電控系統內部電路正常工作前提下，足以使葉片順槳到安全位置，保證機組安全。
[0005]備用電源2的電能量需要充電器I進行充電補充，圖1中充電器I的輸入端接三相交流電源L1、L2、L3和地線PE，輸出端為直流母線。充電器I在該變槳控制系統中起到兩個作用:第一，轉換成直流電供備用電源進行充電；第二，作為變槳驅動的主迴路，提供變槳的能量轉換。
[0006]隨著風力發電機組設計的葉片和功率越來越大,變槳載荷增大,控制所需的功率和能量也相應增大，上述變槳控制系統所需充電器的功率也相應增大，如果按照目前單個大功率充電器的設計方法，將存在不易散熱，體積大，維護困難等問題。變槳控制系統是變槳變速型風力發電機組的核心子系統之一，它不僅是風力發電機組功率調節的主要手段，同時也是變槳變速型風力發電機組安全停機的唯一手段，這無疑將對變槳控制系統的可靠性提出更高的要求。而且鑑於充電器在變槳控制系統中的重要性，因此，需對變槳控制系統的充電管理控制技術提出更高的要求。
實用新型內容
[0007]有鑑於此，本實用新型要解決的技術問題在於提供一種大功率風力發電機組的變槳控制系統，可提高充電器的輸出功率。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是這樣實現的:
[0009]一種大功率風力發電機組的變槳控制系統,與交流電電性連接,其包括充電裝置、備用電源、驅動器和變槳電機，該充電裝置、驅動器、變槳電機依次電性連接，且該充電裝置與驅動器之間並聯該備用電源；該充電裝置將交流電轉換為直流電輸入至驅動器，該驅動器將直流電轉換為頻率和幅值能夠調節的交流電驅動變槳電機轉動，且該充電裝置供該備用電源充電；所述充電裝置包括多個分別並聯在交流電與驅動器之間的充電器。
[0010]作為優選方案，所述大功率風力發電機組的變槳控制系統還包括控制單元，該控制單元包括直流電源模塊和控制電路，所述充電裝置與該驅動器之間並聯連接該直流電源模塊，且該直流電源模塊電性連接該控制電路，該直流電源模塊將由該充電裝置轉換的或該備用電源提供的直流電轉換成該控制電路所需的工作電壓。
[0011]作為優選方案，所述變槳控制系統還包括反饋各所述充電器故障信息至所述控制電路的繼電器。
[0012]作為優選方案，各該充電器與所述控制電路通過PROFIBUS現場總線、CAN總線或RS485總線通訊連接。
[0013]作為優選方案，所述充電器與交流電之間均電性連接有開關。
[0014]作為優選方案，所述開關為空氣開關。
[0015]作為優選方案，各所述充電器成環形連接，且任意相鄰的兩個所述充電器之間連接有控制所述充電器輸出相同電流的均流信號線。
[0016]作為優選方案，所述充電器的數量至少為3個。
[0017]本實用新型達到的技術效果如下:
[0018]1、本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統中多個充電器並聯連接，不但可以提高系統所需要的功率，而且每個並聯的充電器獨立散熱，延長了設備的使用壽命，同時便於維護。
[0019]2、通過通訊控制實現對多個充電器故障識別及充電參數數據信息的監測和控制，使得充電系統能得到及時的故障分析和處理，並為進一步優化設計提供數據信息，提高充電控制系統的智能化水平。
[0020]3、本實用新型採用多個充電器的冗餘設計管理方式，每個充電器的輸入端獨立設計空氣開關，一旦本機出現故障，系統可獨立切出故障充電器的輸入和輸出端，而不影響整個系統其它充電器的正常工作，並且根據系統正常工作所需最少的充電器數量來判斷整機是否停機順槳到安全位置。
[0021]4、本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統中並聯連接的充電器採用均流調節控制，簡單易實現，提高大電流快速充電的穩定性和可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為一種現有的變槳控制系統的結構示意圖；
[0023]圖2為本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統的結構示意圖；
[0024]圖3為本實用新型中N個充電器的均流控制原理示意圖；
[0025]圖4為本實用新型 中N個充電器與控制單元的通訊連接圖；
[0026]圖5為本實用新型充電管理方法的流程圖；
[0027]圖6為監控備用電源控制原理流程圖。
[0028]【主要部件符號說明】[0029]充電器I
[0030]備用電源2
[0031]驅動器3
[0032]變槳電機4
[0033]電源模塊5
[0034]控制電路6
[0035]充電裝置10
[0036]充電器11
[0037]充電器111
[0038]充電器112
[0039]充電器IlN
[0040]空氣開關12
[0041]備用電源20
[0042]驅動器30
[0043]變槳電機40
[0044]直流電源模塊50
[0045]控制電路60。
【具體實施方式】
[0046]如圖2所示，本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統包括充電裝置10、備用電源20、驅動器30和變槳電機40，其中，充電裝置10、驅動器30、變槳電機40依次電性連接，充電裝置10將交流電轉換直流電輸入至驅動器30，驅動器30將直流電轉換為頻率和幅值可調的交流電驅動變槳電機40轉動；且充電裝置10與驅動器30之間並聯備用電源20。
[0047]充電裝置10包括多個分別並聯在交流電與驅動器30之間的充電器11，每個充電器11可以是三相輸入，即充電器11的輸入端連接三相交流電的L1、L2、L3、PE,當然，充電器11還可以是單相輸入，即充電器11的輸入端連接零線和火線。在本實施例中，充電器11的輸入端為三相輸入(如圖2所不)。充電器11將輸入的三相交流電轉換成直流電，直流輸出端為直流母線。在直流母線的正、負極之間並聯備用電源20，其中備用電源20可以為超級電容或者為各種電池，但並不限於此。備用電源20的電能需要充電器11進行充電補充。直流母線上的電壓輸入到驅動器30，驅動器30將直流電轉換成頻率和幅值可調的交流電，為變槳電機40供電。驅動器30根據設計的控制算法來驅動變槳電機40的動作，控制變槳電機40的轉動速度。
[0048]多個充電器11並聯充電方式，使得每個並聯的充電器11相對單個大功率充電器而言，散熱控制更容易，且體積小、重量輕，便於機組運行的維護。
[0049]另外，本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統還包括一控制單元，該控制單元包括直流電源模塊50和控制電路60，充電裝置10與驅動器30之間的正、負電極間並聯連接直流電源模塊50，且直流電源模塊50電性連接控制電路60，直流電源模塊50將由主迴路的直流母線上的電壓換成控制電路60中的控制器及電氣元件所需的工作電壓，在本實施例中，所述工作電壓為24V。
[0050]其中，各充電器11與三相交流電之間均電性連接有開關，在本實施例中，所述開關為空氣開關12。一旦某個充電器11出現故障，則系統可以通過相對應的空氣開關12獨立切除故障的充電器11的輸入端和輸出端，而不影響整個系統中其他充電器11的正常工作。
[0051]此外，為避免出現單個充電器11的負載過大而產生過熱現象，還需要在多個充電器11之間均流控制。各充電器11成環形連接，且任意相鄰的兩個充電器11之間連接有控制充電器11輸出相同電流的均流信號線。每個充電器11有兩組均流信號線，每組均流信號線主要包括三根信號線，分別為本機信號電流、另一個充電器的電流信號和信號地。充電器11的數量至少為3個。
[0052]如圖3所示為本實用新型N個充電器均流控制原理示意圖。其中，N33。與充電器111相鄰的兩個充電器分別為充電器IlN和充電器112。則充電器111通過連接充電器IlN的均流信號ΙΝ__、充電器112的均流信號12__和本機的電流信號I1--，所連接的均流信號參與PID比例積分微分運算，控制輸出均流大小；與充電器112相連的兩個充電器分別為充電器111和充電器113，則充電器112通過連接充電器111的均流信號、充電器113的均流信號I3-ave和本機電流信號12_，所連接的均流信號參與PID比例積分微分運算，控制輸出均流大小；充電器IN連接的均流信號和本機信號ΙΝ_.分別參與PID比例積分微分運算，控制輸出均流大小。N個充電器形成閉環控制，最終N個充電器通過均流電路的控制，實現每一個充電器的輸出電流為N個充電器總電流的平均值。
[0053]均流電路調節控制簡單易實現，可提高大電流快速充電的穩定性和可靠性。當然還可以通過通訊方 式來傳遞各個充電器的電流等參數以達到均流充電的效果，但是該控制方式相對於本實用新型所涉及的均流控制更複雜，且實時性不高。
[0054]本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統還包括反饋各充電器11的故障信息到控制單元中的控制電路60中的繼電器(圖中未示出)。當充電器11出現輸入端過壓、欠壓、缺相、三相掉電以及輸出過壓等故障現象時，可通過所述繼電器的硬體觸點形式將故障信息反饋到控制電路60中的控制器中。但是為識別充電器的故障類型，各充電器11與控制電路60通過PROFIBUS現場總線、CAN總線或RS485總線通訊連接。圖2和圖4所示為CAN總線通訊連接，但並不以此為限。通過對系統通訊協議幀格式、指令、波特率等應用數據進行定義應用通訊協議，使各充電器11定時向控制電路60發送充電器11的相關數據信息，從而實現對所有充電器的故障識別和充電參數數據信息及時、準確的傳遞，最終確保機組能夠正常、安全運行。
[0055]如圖5所示為本實用新型充電管理方法的流程圖，使用本實用新型大功率風力發電機組的變槳控制系統的充電管理方法包括以下步驟:
[0056]步驟700、設定整機系統正常運行時充電器正常工作的最少數量，並開啟充電器的監控狀態。
[0057]這裡主要是控制電路60中的控制器通過通訊連接的方式實現硬體和軟體監控多個充電器的工作狀態。通過對系統整體的功率能量計算和對每個充電器的功率能量的計算，設定出現多少個充電器故障後，整機系統仍然正常工作，如出現故障的充電器數量超過系統設定的最少數量，則整個系統進行安全停機。[0058]步驟701、檢測充電器是否正常工作，如果是則執行步驟702，否則自動切除故障充電器。
[0059]並聯中的每個充電器11輸入迴路獨立設計，一旦充電器11出現故障，系統會自動開啟相對應的空氣開關12，以切除該充電器11，而其他充電器11仍能正常工作。
[0060]步驟702、統計並聯充電器正常工作的數量。
[0061]步驟703、判斷是否超出設定的充電器正常工作的最少數量，如果是，則變槳控制系統執行停機，否則變槳控制系統正常運行，並繼續監控充電器的工作狀態。
[0062]通過通訊方式，實現對各個充電器11單獨運行的遠程啟停等控制，從而調整變槳控制系統的正常運行或者停機，節省系統運行維護的頻率和時間，提高了整機系統的性能和可利用率，也提高了系統的自動控制程度。
[0063]如圖6所示為監控備用電源控制原理流程圖。如圖6所示，在本實用新型中變槳控制器根據設定的條件來判斷是否開始執行監測系統中備用電源的壽命，一旦檢測到需要測試備用電源的壽命的指令，則通過通訊方式(通訊方式可以是PROFIBUS，CAN或RS485)執行遠程控制充電器關閉指令，並實時監控系統中備用電源放電的電流電壓等參數，通過計算公式和軟體算法來實現對備用電源的壽命等參數計算，並判斷備用電源的壽命等參數是否正常，如果備用電源的壽命等參數指標不在設計要求範圍內，則執行停機和維護處理，從而進一步保證整機的安全可靠性；否則，遠程控制充電器恢復正常工作。
[0064]本實用新型通過通訊方式對每個充電器進行遠程啟停等控制，實現對備用電源的充電、放電控制及參數監控，從而可以達到對備用電源的參數和壽命的智能監控，進一步提高系統的安全性。
[0065]以上所述，僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種大功率風力發電機組的變槳控制系統，與交流電電性連接，其包括充電裝置、備用電源、驅動器和變槳電機，該充電裝置、驅動器、變槳電機依次電性連接，且該充電裝置與驅動器之間並聯該備用電源；該充電裝置將交流電轉換為直流電輸入至驅動器，該驅動器將直流電轉換為頻率和幅值能夠調節的交流電驅動變槳電機轉動，且該充電裝置供該備用電源充電；其特徵在於，所述充電裝置包括多個分別並聯在交流電與驅動器之間的充電器。
2.根據權利要求1所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，所述大功率風力發電機組的變槳控制系統還包括控制單元，該控制單元包括直流電源模塊和控制電路，所述充電裝置與該驅動器之間並聯連接該直流電源模塊，且該直流電源模塊電性連接該控制電路，該直流電源模塊將由該充電裝置轉換的或該備用電源提供的直流電轉換成該控制電路所需的工作電壓。
3.根據權利要求2所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，所述變槳控制系統還包括反饋各所述充電器故障信息至所述控制電路的繼電器。
4.根據權利要求2所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，各該充電器與所述控制電路通過PROFIBUS現場總線、CAN總線或RS485總線通訊連接。
5.根據權利要求1所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，所述充電器與交流電之間均電性連接有開關。
6.根據權利要求5所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，所述開關為空氣開關。
7.根據權利要求1所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，各所述充電器成環形連接，且任意相鄰的兩個所述充電器之間連接有控制所述充電器輸出相同電流的均流信號線。
8.根據權利要求7所述的大功率風力發電機組的變槳控制系統，其特徵在於，所述充電器的數量至少為3個。
【文檔編號】F03D7/00GK203614323SQ201320695770
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】胡清陽, 李慶江, 張黎傑 申請人:北京天誠同創電氣有限公司