CN101550906A - 直流电机变桨距系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电装置范围,尤其是一种直流电机变桨距系统。本系统包括电机驱动器、直流电机、超级电容组、升压直流变换器和充电机。充电机的输入端与三相或单相交流电源相连接。超级电容组的一端与充电机的输出端相连接,另一端与升压直流变换器的输入端相连接。升压直流变换器的输出端口通过导线与直流电机的输入端口相连接。当系统出现断电情况时,超级电容支路可瞬间替代三相交流电源为电机系统供电,系统的可靠性得到有效提高。同时由于超级电容的能量利用率高,所以减少了其实际使用容量,降低了系统成本。该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置,提高了紧急变桨的可靠性。

Description

直流电机变桨距系统及其控制方法
技术领域
本发明属于风力发电装置范围,尤其是一种直流电机变桨距系统及其控 制方法。 背景技术
变桨距系统作为大型风电机组的技术核心,可改善桨叶受力状况、获取 最大风量、提高机组的发电效率和电能质量,并可在超高风速下紧急顺桨以 保证风机安全运行。
电动变桨距系统采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节,结构简单,不 存在漏油、卡塞等现象,因而受到广泛关注,而直流电机是电动变桨距系统 中的重要执行机构。
电动变桨距系统采用三相四线制380V电源供电,为实现故障或断电后的 紧急变桨功能,需要储能装置作为系统后备电源供给电机将桨叶调为顺桨位 置。储能装置一般采用蓄电池,但近期超级电容已成为更具竞争力的选择。 超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高 等特点使其在风电领域很有发展前景。
专利CN2736554Y和CN101083404A公布了采用超级电容作为储能装置的 电动变桨距系统,且超级电容与直流母线直接连接。考虑超级电容供电时电 压快速降低的因素,上述方法必须选择容量很大的超级电容才能满足使用要 求,因而超级电容的能量利用率低,经济性差。
专利CN201050444Y公布了基于蓄电池和直流电机的变桨距系统,紧急变
桨时,蓄电池通过简单电路给电机供电,而不经过电机驱动器。这种方案使 得电机可控性变差,而且一旦控制装置出现故障,将难以有效控制电机。 发明内容
本发明的目的在于克服了现有电动变桨距系统的上述缺陷,提供了一种 新型的直流电机变桨距系统。该系统采用了超级电容组,由于超级电容的能 量利用率高,所以减少了其实际使用容量,降低了系统成本;该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置,不但使直流电机的可控性更好,而且提高 了系统的可靠性。
为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案。本发明包括超级电容
组l、升压直流变换器2、直流电机3、电机驱动器4和充电机5。
充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。超级电容
组1的一端与充电机5的输出端相连接,另一端与升压直流变换器2的输入
端相连接。升压直流变换器2的输出端口通过开关K2、开关K3以及导线L4、
导线L5与直流电机3的输入端口相连接。
电机驱动器4包括整流桥6、由电阻R2和开关K1构成的缓冲电路、支
撑电容、由电阻R1与功率开关器件T串接构成的过压保护装置、以及驱动桥7。
驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流电机3相连接。 电机驱动器4的输入端即整流桥6输入端接三相交流电源A、 B、 C,三相交 流电源A、 B、 C经整流桥6和缓冲电路接至直流母线P、直流母线N上,支 撑电容C并接至直流母线P、直流母线N上。过压保护装置并接至直流母线 P、直流母线N上。当直流母线电压过高时,功率开关器件T导通,使部分电 能消耗在电阻R1上,从而降低直流母线电压,提高系统安全性。
驱动桥7由四个功率开关器件T1〜T4构成,其输入与直流母线相连接, 输出与直流电机3相连。
升压直流变换器2的输出经二极管D连接至直流母线。二极管D保证了 电能由超级电容组1经升压直流变换器2流向直流母线。升压直流变换器2 的应用使超级电容可以释放更多的储能,高能量利用率降低了其实际使用容 量,从而使系统成本降低。
系统正常工作时,电机驱动器4接收的电能来自三相交流电源;电源断 电需要紧急变桨时,电机驱动器4接收的电能来自超级电容组1。由于超级电 容经升压直流变换器实现了与直流母线的无缝连接,故网压波动时直流母线 电压的稳定性好;当出现断电情况时,超级电容支路可瞬间替代三相交流电 源为电机系统供电,因此,变桨距系统的可靠性得到有效提高。
5升压直流变换器2的输出除了经二极管D连接至直流母线外,同时与直 流电机输入端口通过开关K2、开关K3相连接。发生电源断电故障需要紧急 变桨时,可通过两种方式控制电机: 一是升压直流变换器2和驱动桥7实现 能量由超级电容组1经升压直流变换器2、驱动桥7流向直流电机3; 二是控 制升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2 直接流向直流电机3。两种控制方式均能有效控制电机,而且当一路装置出现 故障时,另一路装置仍可有效控制电机,因此提高了系统的可靠性。
本发明所述控制方法的特征在于:根据三相电源"a、 "b、 "c能否正常供 电控制该系统分别运行于自动变桨或紧急变桨状态。其中:
自动变桨控制方法如下:
1) 当三相交流电源"a、 Wb、 "c正常供电时,断开开关K2、开关K3;
2) 充电机5将超级电容组1充电至其额定电压,控制升压直流变换器2 的输出电压低于直流母线电压;
3) 通过驱动桥7控制直流电机3,此时直流电机的能量来源于三相交流 电源;
4) 判断直流母线电压C/pN是否达到最大允许值,若达到则开通功率开关
器件T使f/pw恢复至正常,否则继续判断"a、 WB、 "c的供电状态。
紧急变桨控制方法如下:
1) 当三相交流电源"a、 "b、 "c没有正常供电时,断开开关K2、开关K3;
2) 若驱动桥7能够正常工作,则通过驱动桥7控制直流电机3旋转,直 至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置,此时直流电机3的能量通过驱动桥7 和升压直流变换器2来源于超级电容组1,之后继续判断三相交流电源wa、 wb、 Mc的状态;
3) 若驱动桥7不能正常工作,则送入驱动桥7中的开关器件的控制信号 全部为关断信号,此时驱动桥7处于关断状态;
4) 闭合开关K2、开关K3;
5) 调节升压直流变换器2的输出电压控制直流电机3旋转,直至直流电 机拖动的桨叶达到顺浆位置,此时直流电机3的能量通过升压直流变换器2
6来源于超级电容组l;
6)继续判断三相交流电源"A、 "B、 "c的供电状态。 本发明具有以下优点:
1) 超级电容的能量利用率高,减少了其实际使用容量,降低了系统成本;
超级电容的充电电源可以根据需要选择单相或三相交流电源。
2) 过压保护装置可有效避免直流母线电压过高,提高了系统安全性。
3) 直流母线电压稳定性好,电网电压波动对变桨距系统性能的影响小,
系统可靠性高。
4) 直流电机具备直流变换器和驱动桥双重控制装置,且二者互为备用, 不仅使电机的可控性更好,而且提高了系统的可靠性。
附图说明
图1是直流电机变桨距系统结构图
图2是直流电机变桨距系统控制方法。 具体实施方式
下面结合图l、图2对本发明作进一步说明:
如图1所示,本实施例包括有超级电容组l、升压直流变换器2、直流电 机3、电机驱动器4和充电机5。
超级电容组1分别与升压直流变换器2的输入端、充电机5的输出端连 接,充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。系统正常 工作时,充电机5将超级电容组充电至额定电压值。
电机驱动器4包括整流桥6、缓冲电路、支撑电容、过压保护装置、驱动 桥7及相应的连接。驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流 电机3相连接。电机驱动器4的输入接三相交流电源A、 B、 C,经整流桥6 和电阻R2、开关K1构成的缓冲电路接至直流母线P、 N上,支撑电容C并 接至直流母线,整流桥6由6个二极管构成。
电阻Rl与功率开关器件T串接构成过压保护装置并接至直流母线。当直 流母线电压过高时,功率开关器件T以脉宽调制控制方式通断,使部分电能 消耗在电阻R1上。驱动桥7由四个功率开关器件T1〜T4构成,其输入与直流母线相连接, 输出与直流电机3相连。T1与T4、 T2与T3分别构成两组,两组分时工作。 通过T1〜T4的开关作用,来自直流母线的电能通过驱动器7再经导线Ll、 L2送入电机3。
升压直流变换器2的输出经二极管D连接至直流母线。二极管D保证了 电能由超级电容1经升压直流变换器2流向直流母线。
系统正常工作时,电机驱动器4接收的电能来自三相交流电源;电源断 电需要紧急变桨时,电机驱动器4接收的电能来自超级电容1。
升压直流变换器2的输出除了经二极管D连接至直流母线外,同时与直 流电机输入端口通过开关K2、 K3以导线L4、 L5相连接。发生电源断电故障 需要紧急变桨时,可通过两种方式控制电机: 一是控制升压直流变换器2和 驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2、驱动桥7流向直流电 机3,此时开关K2、 K3断开;二是控制升压直流变换器2和驱动桥7实现能 量由超级电容组1经升压直流变换器2直接流向直流电机3,此时T1〜T4构 成的驱动桥7处于关断状态,开关K2、 K3接通。两种控制方式均能有效控 制电机,当一路装置出现故障时,另一路装置仍可有效控制电机,因此提高 了系统的可靠性。
图2为直流电机变桨距系统控制方法。根据三相供电电源的状态控制该 系统分别运行于自动变桨或紧急变桨工况,即"a、的、"c正常供电时,系统 工作于自动变桨工况,否则工作于紧急变桨工况。其中-
自动变桨控制方法如下:
(1) 当三相交流电源"a、 MB、叱正常供电时,断开开关K2、 K3;
(2) 充电机5工作,将超级电容组l充电至其额定电压;
(3) 升压直流变换器2工作,将超级电容组l的输出电压升高至低于直 流母线电压t/PN;
(4) 通过驱动桥7控制电机3,此时电机的能量来源于三相交流电源;
(5) 判断直流母线电压C/pN是否达到最大允许值,若达到则开通器件T 使t/m恢复至正常,否则继续判断"a、 "b、 "c的供电状态。紧急变桨控制方法如下:
(1) 当三相交流电源"a、的、"c没有正常供电时,断开开关K2、 K3;
(2) 若驱动桥7能够正常工作,则通过驱动桥7控制电机3旋转至电机 的直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置,此时直流电机3的能量通过驱动桥7 和升压直流变换器2来源于超级电容组1,之后继续判断"a、 "b、 "c的供电 状态;
(3) 若驱动桥7不能正常工作,则送入驱动桥7中四个开关器件T1〜T4 的控制信号全部为关断信号,此时驱动桥7处于关断状态;
(4) 闭合开关K2、 K3;
(5) 调节升压变换器2的输出电压控制电机3旋转,至直流电机拖动的 桨叶达到顺浆位置,此时电机的能量通过升压变换器2来源于超级电容组1;
(6) 继续判断"a、 "b、 "c的供电状态。

Claims (4)

1、直流电机变桨距系统,包括电机驱动器(4)和与电机驱动器(4)相连接的直流电机(3),其特征在于:还包括超级电容组(1)、升压直流变换器(2)和充电机(5);充电机(5)的输入端与三相或单相交流电源相连接;超级电容组(1)的一端与充电机(5)的输出端相连接,另一端与升压直流变换器(2)的输入端相连接;升压直流变换器(2)的输出端口通过导线(L4)、导线(L5)与直流电机(3)的输入端口相连接,开关(K2)串联在导线(L4)上、开关(K3)串联在导线(L5)。
2、 根据权利要求l所述的直流电机变桨距系统,其特征在于:所述的电机驱 动器(4)包括整流桥(6)、由电阻(R2)和开关(Kl)并联构成的缓冲电路、 支撑电容(C)、由电阻(Rl)与功率开关器件(T)串接构成的过压保护装 置、以及驱动桥(7);其中:整流桥(6)的输入端接三相交流电源,三相交 流电源经整流桥(6)和缓冲电路接至直流母线(P)、直流母线(N)上,支 撑电容(C)并接至直流母线(P)、直流母线(N)上,过压保护装置并接至 直流母线(P)、直流母线N上;驱动桥(7)的输入端连接到直流母线(P) 与直流母线(N)上,驱动桥(7)的输出端与直流电机(3)相连接。
3、 根据权利要求2所述的直流电机变桨距系统,其特征在于:所述的升压直 流变换器(2)的输出端通过二极管(D)连接至直流母线(P)与直流母线(N) 上。
4、 一种权利要求2所述的直流电机变桨距系统的控制方法,其特征在于,该 方法包括以下步骤:根据三相交流电源能否正常供电控制该系统分别运行于 自动变桨或紧急变桨状态。其中:自动变桨控制方法如下:1) 当三相交流电源正常供电时,断开开关(K2)、开关(K3);2) 充电机(5)将超级电容组(1)充电至其额定电压,控制升压直流变 换器(2)的输出电压低于直流母线电压;3) 通过驱动桥(7)控制直流电机(3),此时直流电机的能量来源于三 相交流电源;4) 判断直流母线电压C/m是否达到最大允许值,若达到则开通功率开关器件(T)使C/pN恢复至正常,否则继续判断三相交流电源的供电状态。 紧急变桨控制方法如下:1) 当三相交流电源没有正常供电时,断开开关(K2)、开关(K3);2) 若驱动桥(7)能够正常工作,则通过驱动桥(7)控制直流电机(3) 旋转,直至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置,此时直流电机(3)的能量通 过驱动桥(7)和升压直流变换器(2)来源于超级电容组(1),之后继续判 断三相交流电源的状态;3) 若驱动桥(7)不能正常工作,则送入驱动桥(7)中的开关器件的控 制信号全部为关断信号,此时驱动桥(7)处于关断状态;4) 闭合开关(K2)、开关(K3);5) 调节升压直流变换器(2)的输出电压控制直流电机(3)旋转,直至 直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置,此时直流电机(3)的能量通过升压直流 变换器(2)来源于超级电容组(1);6) 继续判断三相交流电源的供电状态。
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