具有儲能功能的變槳伺服驅動器的製作方法
2023-10-04 12:21:54
專利名稱：具有儲能功能的變槳伺服驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種風力發電技術領域的裝置，具體是一種具有儲能功能的變槳 伺服驅動器。
背景技術：
併網型風力發電機組不斷向著大容量發展。目前，新安裝的大容量機組基本都是 變槳機組。在變槳機組中，變槳系統有電伺服變槳和液壓變槳兩種。電伺服變槳距執行機 構採用電機對槳葉進行單獨控制，其結構緊湊、可靠、可獨立變槳。從國內外的情況來看，電 伺服變槳正逐漸取代液壓變槳成為大型風力機變槳系統的主流。電伺服變槳系統與普通伺服系統的一個很主要的區別在於，為滿足電伺服變槳系 統在緊急情況下順槳的需要，設法提供備用電能。目前廣泛採用的辦法是專門配置一套備 用電源系統。備用電源一般採用鉛酸蓄電池或者超級電容作為儲能元件。目前電伺服變槳 系統中的電機伺服驅動器與備用電源系統均獨立設置，如在市場上佔用絕大多數市場份額 的德國LUST公司和SSB公司，國內的電伺服變槳系統的廠商也是如此。備用電源中需配置 充電器為儲能元件充電。為了實現備用電源和伺服驅動器主電源的配合，還需要對備用電 源的投入時機進行適當的控制。由此造成變槳系統的整體結構和控制均複雜化。經對現有文獻檢索發現，現有的技術主要集中在變槳系統的備用電源上，至今未 發現具有儲能功能的變槳伺服驅動器的相關報導。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種具有儲能功能的變槳伺服驅動 器。本發明能保證伺服驅動器在外部電源斷電的情況下維持運行一段時間，具有結構緊湊、 成本低、體積小的優點。本發明是通過以下技術方案實現的本發明包括整流電路、限流電路、儲能電路、制動電路和逆變電路，其中整流電 路的輸入端與電網相連傳輸交流電壓，整流電路的一個輸出端與限流電路的輸入端相連傳 輸直流電壓，整流電路的另一個輸出端與儲能電路的一個輸入端相連傳輸直流電壓，限流 電路的輸出端與儲能電路的另一個輸入端相連傳輸限流後的直流電壓，儲能電路的輸出端 與制動電路的輸入端相連傳輸直流電壓，制動電路的輸出端與逆變電路的輸入端相連傳輸 直流電壓，逆變電路的輸出端與被驅動電機相連傳輸交流電壓。所述的整流電路是三相二極體不控整流橋電路。所述的限流電路包括n個電阻和n個接觸器，其中n個電阻串聯，第一個電阻與 整流電路的一個輸出端相連，第n個電阻與儲能電路的一個輸入端相連，第i個接觸器的一 端與整流電路的一個輸出端相連，第i個接觸器的另一端與第i個電阻和第i+1個電阻的 公共線路相連，1彡i彡n-1，第n個接觸器的一端與整流電路的一個輸出端相連，第n個接 觸器的另一端與第n個電阻和儲能電路的公共線路相連。
所述的限流電路包括m個電阻和n個接觸器，其中n個電阻的一端分別與整流 電路的一個輸出端相連，第一個電阻的另一端與儲能電路的一個輸入端相連，第i個電阻 的另一端與第i_l個接觸器的一端相連，2 < i < n，第i-1個接觸器的另一端與儲能電路 的一個輸入端相連，第n個接觸器的一端與整流電路的一個輸出端相連，第n個接觸器的另 一端與儲能電路的一個輸入端相連。所述的儲能電路包括第n+1電阻、二極體、電解電容和電容單元，其中第n+1電 阻的一端、二極體的一端、電解電容的一端、限流電路的一個輸出端和制動電路的一個輸入 端分別兩兩相連，第n+1電阻的另一端、二極體的另一端和電容單元的一端分別兩兩相連， 電容單元的另一端、電解電容的另一端、限流電路的另一個輸出端和制動電路的另一個輸 入端分別兩兩相連。所述的制動電路包括制動電阻和IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)，其中制動電阻 的一端、儲能電路的一個輸出端和逆變電路的一個輸入端分別兩兩相連，制動電阻的另一 端與IGBT的一端相連，IGBT的另一端、儲能電路的另一個輸出端和逆變電路的另一個輸入 端分別兩兩相連。所述的逆變電路是三相逆變電橋電路。與現有技術相比，本發明的有益效果是由於具有儲能電路，採用本發明的電伺服 變槳系統不必另外再配置備用電源，結構緊湊，有利於縮小整個系統的體積。備用電源中充 電器可靠性要求高，價格昂貴，採用本發明可顯著地降低變槳系統成本。
圖1為本發明的裝置組成連接示意圖；圖2為實施例1的具體組成連接示意圖；圖3為實施例2的具體組成連接示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下 述的實施例。實施例1本實施例為10kW電伺服變槳驅動器，選配電機額定扭矩30Nm，額定轉速2200rpm， 緊急順槳時要求電機以3000rpm的轉速30Nm的轉矩運行，持續時間10s，整個伺服驅動器可 以在電網掉電時維持正常運行3s。如圖1和圖2所示，本實施例包括整流電路、限流電路、儲能電路、制動電路和逆 變電路，其中整流電路的輸入端與電網相連傳輸交流電壓，整流電路的一個輸出端與限 流電路的輸入端相連傳輸直流電壓，整流電路的另一個輸出端與儲能電路的一個輸入端相 連傳輸直流電壓，限流電路的輸出端與儲能電路的另一個輸入端相連傳輸限流後的直流電 壓，儲能電路的輸出端與制動電路的輸入端相連傳輸直流電壓，制動電路的輸出端與逆變 電路的輸入端相連傳輸直流電壓，逆變電路的輸出端與被驅動電機相連傳輸交流電壓。所述的整流電路是三相二極體不控整流橋電路，具體包括第一二極體D1、第
4二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6，其中第一二 極管D1的陰極、第三二極體D3的陰極、第五二極體D5的陰極和限流電路的輸入端分別兩 兩相連，第一二極體D1的陽極與第四二極體D4的陰極相連，第三二極體D3的陽極與第 六二極體D6的陰極相連，第五二極體D5的陽極與第二二極體D2的陰極相連，第四二極體 D4的陽極、第六二極體D6的陽極、第二二極體D2的陽極和儲能電路的一個輸入端分別兩兩 相連。本實施例中整流電路中的六個二極體的額定電壓都為1200V，額定電流都為50A。所述的限流電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第一接觸器K1和第二接觸器 K2，其中第一電阻R1的一端、第一接觸器K1的一端、第二接觸器K2的一端與整流電路的 一個輸出端分別兩兩相連，第一電阻R1的另一端、第二電阻R2的一端和第一接觸器K1的 另一端分別兩兩相連，第二電阻R2的另一端、第二接觸器K2的另一端和儲能電路的另一個 輸入端分別兩兩相連。本實施例中第一電阻R1的阻值是70歐姆，第二電阻R2的阻值是24歐姆，第一接 觸器K1和第二接觸器K2的額定電壓都是600VDC (直流電壓)，第一接觸器K1和第二接觸 器K2的額定電流都是50A。所述的儲能電路包括第三電阻R3、第七二極體D7、電容單元C1和電解電容C2， 其中第三電阻R3的一端、第七二極體D7的陰極、電解電容C2的正極、限流電路的正輸出 端和制動電路的一個輸入端分別兩兩相連，第三電阻R3的另一端、第七二極體D7的陽極和 電容單元C1的正極的一端分別兩兩相連，電容單元C1的負極、電解電容C2的負極、整流電 路的另一個輸出端和制動電路的另一個輸入端分別兩兩相連。本實施例中第三電阻R3的阻值是15歐姆，第七二極體D7的額定電壓是1200V， 第七二極體D7的額定電流是50A，電容單元C1的額定電壓是600V，電容單元C1的容量是 1. 45F，電解電容C2的額定電壓是900V，電解電容C2的容量是4700uF。所述的制動電路包括制動電阻R4和第七IGBT S7，其中制動電阻R4的一端和 第七IGBT S7的源極相連，制動電阻R4的另一端、儲能電路的正輸出端和逆變電路的一個 輸入端分別兩兩相連，第七IGBT S7的漏極、整流電路的負輸出端和逆變電路的另一個輸入 端分別兩兩相連。本實施例中制動電阻R4的阻值是10歐姆，第七IGBT S7的額定電壓是1200V，第 七IGBTS7的額定電流是100A。所述的逆變電路是三相三橋臂逆變電橋，具體包括第一 IGBT SI、第二 IGBT S2、 第三IGBT S3、第四IGBT S4、第五IGBT S5和第六IGBT S6，其中第一 IGBT SI的源極、第三 IGBT S3的源極、第五IGBT S5的源極和制動電路的一個輸出端分別兩兩相連，第一 IGBTS1 的漏極和第四IGBT S4的源極相連，第三IGBT S3的漏極與第六IGBT S6的源極相連，第五 IGBT S5的漏極與第二 IGBT S2的源極相連，第四IGBT S4的源極、第六IGBT S6的源極、第 二 IGBT S2的源極和制動電路的另一個輸出端分別兩兩相連。本實施例的工作過程1、整個伺服驅動器的輸入端輸入380V交流電，整流電路將交流電整流為直流電；2、經過第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3給電容單元C1充電，經過第一電 阻R1和第二電阻R2給電解電容C2充電，電容單元C1的初始充電電流約為5A，經292s後
5電容單元C1的電壓上升到344V，充電電流下降為1.8A;3、閉合第一接觸器K1 (將第一電阻R1旁路)，此時通過第二電阻R2和第三電阻 R3給電容單元C1充電，再經過103s時間後，電容單元C1的電壓上升到468V ；4、閉合第二接觸器K2(將第二電阻R2也旁路)，通過第三電阻R3給電容單元C1 充電，再經過175s時間後，電容單元C1的電壓達到交流峰值電壓537V。本實施例從開始充電到電容單元C1達到537V的總時間約為10分鐘，此時通過適 當的控制方法可控制IGBT，使本實施例伺服驅動器變槳電機正常工作。5、當輸入端的380V交流掉電時，電容單元C1通過第七二極體D7向逆變電路供 電，同時通過控制方法控制IGBT使得本伺服驅動器驅動變槳電機完成順槳動作。根據順槳所需時間、掉電時維持正常運行3s的要求和電機的功率可以計算出需 要的總能量為122KJ。電容單元C1的電壓從537V降低到300V時釋放的能量可達到144KJ， 滿足順槳對能量的需求。實施例2如圖3所示，本實施例與實施例1的區別在於所述的限流電路包括第一電阻 R1、第二電阻R2、第一接觸器K1和第二接觸器K2，其中第一電阻R1的一端、第二電阻R2 的一端、第二接觸器K2的一端與整流電路的正輸出端分別兩兩相連，第二電阻R2的另一端 與第一接觸器K1的一端相連，第二接觸器K2的另一端、第一接觸器K1的另一端、第一電阻 R1的另一端和儲能電路的一個輸入端分別兩兩相連。本實施例中第一電阻R1的阻值是94歐姆，第二電阻R2的阻值是33歐姆，第一接 觸器K1和第二接觸器K2的額定電壓都是600VDC，第一接觸器K1和第二接觸器K2的額定 電流都是50A。本實施例的工作過程1、整個伺服驅動器的輸入端輸入380V交流電，整流電路將交流電整流為直流電；2、經過第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3給電容單元C1充電，經過第一電 阻R1和第二電阻R2給電解電容C2充電，電容單元C1的初始充電電流約為5A，經292s後 電容單元C1的電壓上升到344V，充電電流下降為1.8A;3、閉合第一接觸器K1 (將第一電阻R1旁路)，此時通過第二電阻R2和第三電阻 R3給電容單元C1充電，再經過103s時間後，電容單元C1的電壓上升到468V ；4、閉合第二接觸器K2(將第二電阻R2也旁路)，通過第三電阻R3給電容單元C1 充電，再經過175s時間後，電容單元C1的電壓達到交流峰值電壓537V。本實施例從開始充電到電容單元C1達到537V的總時間約為10分鐘，此時通過適 當的控制方法可控制IGBT，使本實施例伺服驅動器變槳電機正常工作。5、當輸入端的380V交流掉電時，電容單元C1通過第七二極體D7向逆變電路供 電，同時通過控制方法控制IGBT使得本伺服驅動器驅動變槳電機完成順槳動作。根據順槳所需時間、掉電時維持正常運行3s的要求和電機的功率可以計算出需 要的總能量為122KJ。電容單元C1電壓從537V降低到300V時釋放的能量可達到144KJ， 滿足順槳對能量的需求。現有技術中電容儲能電路和伺服驅動器是相互獨立的，為此還需要為電容儲能電 路另外配置充電器。電容的充電器工作時間短，但是所需功率大，可達數千kW，體積大，不利
6於在變槳系統這種對空間敏感的系統中的安裝，且對可靠性要求高，成本高。上述兩個本實 施例的優點在於將普通的伺服驅動器和儲能電路結合起來，利用電阻限流電路完成對儲能 電路的充電功能，取消了額外的超級電容充電器，有效地簡化了系統結構、降低了變槳系統 的整體成本。
權利要求
一種具有儲能功能的變槳伺服驅動器，包括整流電路、限流電路、制動電路和逆變電路，其特徵在於，還包括儲能電路，其中整流電路的輸入端與電網相連傳輸交流電壓，整流電路的一個輸出端與限流電路的輸入端相連傳輸直流電壓，整流電路的另一個輸出端與儲能電路的一個輸入端相連傳輸直流電壓，限流電路的輸出端與儲能電路的另一個輸入端相連傳輸限流後的直流電壓，儲能電路的輸出端與制動電路的輸入端相連傳輸直流電壓，制動電路的輸出端與逆變電路的輸入端相連傳輸直流電壓，逆變電路的輸出端與被驅動電機相連傳輸交流電壓；所述的儲能電路包括第n+1電阻、二極體、電解電容和電容單元，其中第n+1電阻的一端、二極體的一端、電解電容的一端、限流電路的一個輸出端和制動電路的一個輸入端分別兩兩相連，第n+1電阻的另一端、二極體的另一端和電容單元的一端分別兩兩相連，電容單元的另一端、電解電容的另一端、限流電路的另一個輸出端和制動電路的另一個輸入端分別兩兩相連。
2.根據權利要求1所述的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，其特徵是，所述的限流 電路包括n個電阻和n個接觸器，其中n個電阻串聯，第一個電阻與整流電路的一個輸 出端相連，第n個電阻與儲能電路的一個輸入端相連，第i個接觸器的一端與整流電路的 一個輸出端相連，第i個接觸器的另一端與第i個電阻和第i+1個電阻的公共線路相連， 1彡i彡n-1，第n個接觸器的一端與整流電路的一個輸出端相連，第n個接觸器的另一端 與第n個電阻和儲能電路的公共線路相連。
3.根據權利要求1所述的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，其特徵是，所述的限流電 路包括n個電阻和n個接觸器，其中n個電阻的一端分別與整流電路的一個輸出端相連， 第一個電阻的另一端與儲能電路的一個輸入端相連，第i個電阻的另一端與第i_l個接觸 器的一端相連，2 < i < n，第i-1個接觸器的另一端與儲能電路的一個輸入端相連，第n個 接觸器的一端與整流電路的一個輸出端相連，第n個接觸器的另一端與儲能電路的一個輸 入端相連。
4.根據權利要求1所述的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，其特徵是，所述的整流電 路是三相二極體不控整流橋電路。
5.根據權利要求1所述的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，其特徵是，所述的制動電 路包括制動電阻和IGBT，其中制動電阻的一端、儲能電路的一個輸出端和逆變電路的一 個輸入端分別兩兩相連，制動電阻的另一端與IGBT的一端相連，IGBT的另一端、儲能電路 的另一個輸出端和逆變電路的另一個輸入端分別兩兩相連。
6.根據權利要求1所述的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，其特徵是，所述的逆變電 路是三相逆變電橋電路。
全文摘要
一種風力發電技術領域的具有儲能功能的變槳伺服驅動器，包括整流電路、限流電路、儲能電路、制動電路和逆變電路，其中整流電路的輸入端與電網相連傳輸交流電壓，整流電路的一個輸出端與限流電路的輸入端相連傳輸直流電壓，整流電路的另一個輸出端與儲能電路的一個輸入端相連傳輸直流電壓，限流電路的輸出端與儲能電路的另一個輸入端相連傳輸限流後的直流電壓，儲能電路的輸出端與制動電路的輸入端相連傳輸直流電壓，制動電路的輸出端與逆變電路的輸入端相連傳輸直流電壓，逆變電路的輸出端與被驅動電機相連傳輸交流電壓。本發明不必另外再配置備用電源，結構緊湊，有利於縮小整個系統的體積，且顯著降低變槳系統的成本。
文檔編號H02M5/45GK101976955SQ20101029218
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者凌志斌, 蔡旭, 蔡翔 申請人:上海交通大學;上海藍瑞電氣有限公司