CN101976955B - 具有储能功能的变桨伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电技术领域的具有储能功能的变桨伺服驱动器,包括:整流电路、限流电路、储能电路、制动电路和逆变电路,其中:整流电路的输入端与电网相连传输交流电压,整流电路的一个输出端与限流电路的输入端相连传输直流电压,整流电路的另一个输出端与储能电路的一个输入端相连传输直流电压,限流电路的输出端与储能电路的另一个输入端相连传输限流后的直流电压,储能电路的输出端与制动电路的输入端相连传输直流电压,制动电路的输出端与逆变电路的输入端相连传输直流电压,逆变电路的输出端与被驱动电机相连传输交流电压。本发明不必另外再配置备用电源,结构紧凑,有利于缩小整个系统的体积,且显著降低变桨系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种风力发电技术领域的装置,具体是一种具有储能功能的变桨伺服驱动器。
背景技术
并网型风力发电机组不断向着大容量发展。目前,新安装的大容量机组基本都是变桨机组。在变桨机组中,变桨系统有电伺服变桨和液压变桨两种。电伺服变桨距执行机构采用电机对桨叶进行单独控制,其结构紧凑、可靠、可独立变桨。从国内外的情况来看,电伺服变桨正逐渐取代液压变桨成为大型风力机变桨系统的主流。
电伺服变桨系统与普通伺服系统的一个很主要的区别在于,为满足电伺服变桨系统在紧急情况下顺桨的需要,设法提供备用电能。目前广泛采用的办法是专门配置一套备用电源系统。备用电源一般采用铅酸蓄电池或者超级电容作为储能元件。目前电伺服变桨系统中的电机伺服驱动器与备用电源系统均独立设置,如在市场上占用绝大多数市场份额的德国LUST公司和SSB公司,国内的电伺服变桨系统的厂商也是如此。备用电源中需配置充电器为储能元件充电。为了实现备用电源和伺服驱动器主电源的配合,还需要对备用电源的投入时机进行适当的控制。由此造成变桨系统的整体结构和控制均复杂化。
经对现有文献检索发现,现有的技术主要集中在变桨系统的备用电源上,至今未发现具有储能功能的变桨伺服驱动器的相关报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种具有储能功能的变桨伺服驱动器。本发明能保证伺服驱动器在外部电源断电的情况下维持运行一段时间,具有结构紧凑、成本低、体积小的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明包括:整流电路、限流电路、储能电路、制动电路和逆变电路,其中:整流电路的输入端与电网相连传输交流电压,整流电路的一个输出端与限流电路的输入端相连传输直流电压,整流电路的另一个输出端与储能电路的一个输入端相连传输直流电压,限流电路的输出端与储能电路的另一个输入端相连传输限流后的直流电压,储能电路的输出端与制动电路的输入端相连传输直流电压,制动电路的输出端与逆变电路的输入端相连传输直流电压,逆变电路的输出端与被驱动电机相连传输交流电压。
所述的整流电路是三相二极管不控整流桥电路。
所述的限流电路包括:n个电阻和n个接触器,其中:n个电阻串联,第一个电阻与整流电路的一个输出端相连,第n个电阻与储能电路的一个输入端相连,第i个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第i个接触器的另一端与第i个电阻和第i+1个电阻的公共线路相连,1≤i≤n-1,第n个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第n个接触器的另一端与第n个电阻和储能电路的公共线路相连。
所述的限流电路包括:n个电阻和n个接触器,其中:n个电阻的一端分别与整流电路的一个输出端相连,第一个电阻的另一端与储能电路的一个输入端相连,第i个电阻的另一端与第i-1个接触器的一端相连,2≤i≤n,第i-1个接触器的另一端与储能电路的一个输入端相连,第n个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第n个接触器的另一端与储能电路的一个输入端相连。
所述的储能电路包括:第n+1电阻、二极管、电解电容和电容单元,其中:第n+1电阻的一端、二极管的一端、电解电容的一端、限流电路的一个输出端和制动电路的一个输入端分别两两相连,第n+1电阻的另一端、二极管的另一端和电容单元的一端分别两两相连,电容单元的另一端、电解电容的另一端、限流电路的另一个输出端和制动电路的另一个输入端分别两两相连。
所述的制动电路包括:制动电阻和IGBT(绝缘栅双极型晶体管),其中:制动电阻的一端、储能电路的一个输出端和逆变电路的一个输入端分别两两相连,制动电阻的另一端与IGBT的一端相连,IGBT的另一端、储能电路的另一个输出端和逆变电路的另一个输入端分别两两相连。
所述的逆变电路是三相逆变电桥电路。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:由于具有储能电路,采用本发明的电伺服变桨系统不必另外再配置备用电源,结构紧凑,有利于缩小整个系统的体积。备用电源中充电器可靠性要求高,价格昂贵,采用本发明可显著地降低变桨系统成本。
附图说明
图1为本发明的装置组成连接示意图;
图2为实施例1的具体组成连接示意图;
图3为实施例2的具体组成连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例为10kW电伺服变桨驱动器,选配电机额定扭矩30Nm,额定转速2200rpm,紧急顺桨时要求电机以3000rpm的转速30Nm的转矩运行,持续时间10s,整个伺服驱动器可以在电网掉电时维持正常运行3s。
如图1和图2所示,本实施例包括:整流电路、限流电路、储能电路、制动电路和逆变电路,其中:整流电路的输入端与电网相连传输交流电压,整流电路的一个输出端与限流电路的输入端相连传输直流电压,整流电路的另一个输出端与储能电路的一个输入端相连传输直流电压,限流电路的输出端与储能电路的另一个输入端相连传输限流后的直流电压,储能电路的输出端与制动电路的输入端相连传输直流电压,制动电路的输出端与逆变电路的输入端相连传输直流电压,逆变电路的输出端与被驱动电机相连传输交流电压。
所述的整流电路是三相二极管不控整流桥电路,具体包括:第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6,其中:第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阴极、第五二极管D5的阴极和限流电路的输入端分别两两相连,第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极相连,第三二极管D3的阳极与第六二极管D6的阴极相连,第五二极管D5的阳极与第二二极管D2的阴极相连,第四二极管D4的阳极、第六二极管D6的阳极、第二二极管D2的阳极和储能电路的一个输入端分别两两相连。
本实施例中整流电路中的六个二极管的额定电压都为1200V,额定电流都为50A。
所述的限流电路包括:第一电阻R1、第二电阻R2、第一接触器K1和第二接触器K2,其中:第一电阻R1的一端、第一接触器K1的一端、第二接触器K2的一端与整流电路的一个输出端分别两两相连,第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端和第一接触器K1的另一端分别两两相连,第二电阻R2的另一端、第二接触器K2的另一端和储能电路的另一个输入端分别两两相连。
本实施例中第一电阻R1的阻值是70欧姆,第二电阻R2的阻值是24欧姆,第一接触器K1和第二接触器K2的额定电压都是600VDC(直流电压),第一接触器K1和第二接触器K2的额定电流都是50A。
所述的储能电路包括:第三电阻R3、第七二极管D7、电容单元C1和电解电容C2,其中:第三电阻R3的一端、第七二极管D7的阴极、电解电容C2的正极、限流电路的正输出端和制动电路的一个输入端分别两两相连,第三电阻R3的另一端、第七二极管D7的阳极和电容单元C1的正极的一端分别两两相连,电容单元C1的负极、电解电容C2的负极、整流电路的另一个输出端和制动电路的另一个输入端分别两两相连。
本实施例中第三电阻R3的阻值是15欧姆,第七二极管D7的额定电压是1200V,第七二极管D7的额定电流是50A,电容单元C1的额定电压是600V,电容单元C1的容量是1.45F,电解电容C2的额定电压是900V,电解电容C2的容量是4700uF。
所述的制动电路包括:制动电阻R4和第七IGBT S7,其中:制动电阻R4的一端和第七IGBT S7的源极相连,制动电阻R4的另一端、储能电路的正输出端和逆变电路的一个输入端分别两两相连,第七IGBT S7的漏极、整流电路的负输出端和逆变电路的另一个输入端分别两两相连。
本实施例中制动电阻R4的阻值是10欧姆,第七IGBT S7的额定电压是1200V,第七IGBTS7的额定电流是100A。
所述的逆变电路是三相三桥臂逆变电桥,具体包括:第一IGBT S1、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 S1的源极、第三IGBT S3的源极、第五IGBT S5的源极和制动电路的一个输出端分别两两相连,第一IGBTS1的漏极和第四IGBT S4的源极相连,第三IGBT S3的漏极与第六IGBT S6的源极相连,第五IGBT S5的漏极与第二IGBT S2的源极相连,第四IGBT S4的源极、第六IGBT S6的源极、第二IGBT S2的源极和制动电路的另一个输出端分别两两相连。
本实施例的工作过程:
1、整个伺服驱动器的输入端输入380V交流电,整流电路将交流电整流为直流电;
2、经过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3给电容单元C1充电,经过第一电阻R1和第二电阻R2给电解电容C2充电,电容单元C1的初始充电电流约为5A,经292s后电容单元C1的电压上升到344V,充电电流下降为1.8A;
3、闭合第一接触器K1(将第一电阻R1旁路),此时通过第二电阻R2和第三电阻R3给电容单元C1充电,再经过103s时间后,电容单元C1的电压上升到468V;
4、闭合第二接触器K2(将第二电阻R2也旁路),通过第三电阻R3给电容单元C1充电,再经过175s时间后,电容单元C1的电压达到交流峰值电压537V。
本实施例从开始充电到电容单元C1达到537V的总时间约为10分钟,此时通过适当的控制方法可控制IGBT,使本实施例伺服驱动器变桨电机正常工作。
5、当输入端的380V交流掉电时,电容单元C1通过第七二极管D7向逆变电路供电,同时通过控制方法控制IGBT使得本伺服驱动器驱动变桨电机完成顺桨动作。
根据顺桨所需时间、掉电时维持正常运行3s的要求和电机的功率可以计算出需要的总能量为122KJ。电容单元C1的电压从537V降低到300V时释放的能量可达到144KJ,满足顺桨对能量的需求。
实施例2
如图3所示,本实施例与实施例1的区别在于:所述的限流电路包括:第一电阻R1、第二电阻R2、第一接触器K1和第二接触器K2,其中:第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第二接触器K2的一端与整流电路的正输出端分别两两相连,第二电阻R2的另一端与第一接触器K1的一端相连,第二接触器K2的另一端、第一接触器K1的另一端、第一电阻R1的另一端和储能电路的一个输入端分别两两相连。
本实施例中第一电阻R1的阻值是94欧姆,第二电阻R2的阻值是33欧姆,第一接触器K1和第二接触器K2的额定电压都是600VDC,第一接触器K1和第二接触器K2的额定电流都是50A。
本实施例的工作过程:
1、整个伺服驱动器的输入端输入380V交流电,整流电路将交流电整流为直流电;
2、经过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3给电容单元C1充电,经过第一电阻R1和第二电阻R2给电解电容C2充电,电容单元C1的初始充电电流约为5A,经292s后电容单元C1的电压上升到344V,充电电流下降为1.8A;
3、闭合第一接触器K1(将第一电阻R1旁路),此时通过第二电阻R2和第三电阻R3给电容单元C1充电,再经过103s时间后,电容单元C1的电压上升到468V;
4、闭合第二接触器K2(将第二电阻R2也旁路),通过第三电阻R3给电容单元C1充电,再经过175s时间后,电容单元C1的电压达到交流峰值电压537V。
本实施例从开始充电到电容单元C1达到537V的总时间约为10分钟,此时通过适当的控制方法可控制IGBT,使本实施例伺服驱动器变桨电机正常工作。
5、当输入端的380V交流掉电时,电容单元C1通过第七二极管D7向逆变电路供电,同时通过控制方法控制IGBT使得本伺服驱动器驱动变桨电机完成顺桨动作。
根据顺桨所需时间、掉电时维持正常运行3s的要求和电机的功率可以计算出需要的总能量为122KJ。电容单元C1电压从537V降低到300V时释放的能量可达到144KJ,满足顺桨对能量的需求。
现有技术中电容储能电路和伺服驱动器是相互独立的,为此还需要为电容储能电路另外配置充电器。电容的充电器工作时间短,但是所需功率大,可达数千kW,体积大,不利于在变桨系统这种对空间敏感的系统中的安装,且对可靠性要求高,成本高。上述两个本实施例的优点在于将普通的伺服驱动器和储能电路结合起来,利用电阻限流电路完成对储能电路的充电功能,取消了额外的超级电容充电器,有效地简化了系统结构、降低了变桨系统的整体成本。
Claims (4)
1.一种具有储能功能的变桨伺服驱动器,包括:整流电路、限流电路、制动电路和逆变电路,其特征在于,还包括:储能电路,其中:整流电路的输入端与电网相连传输交流电压,整流电路的一个输出端与限流电路的输入端相连传输直流电压,整流电路的另一个输出端与储能电路的一个输入端相连传输直流电压,限流电路的输出端与储能电路的另一个输入端相连传输限流后的直流电压,储能电路的输出端与制动电路的输入端相连传输直流电压,制动电路的输出端与逆变电路的输入端相连传输直流电压,逆变电路的输出端与被驱动电机相连传输交流电压;
所述的储能电路包括:第n+1电阻、二极管、电解电容和电容单元,其中:第n+1电阻的一端、二极管的一端、电解电容的一端、限流电路的一个输出端和制动电路的一个输入端分别两两相连,第n+1电阻的另一端、二极管的另一端和电容单元的一端分别两两相连,电容单元的另一端、电解电容的另一端、限流电路的另一个输出端和制动电路的另一个输入端分别两两相连;
所述的限流电路包括:n个电阻和n个接触器,其中:n个电阻串联,第一个电阻与整流电路的一个输出端相连,第n个电阻与储能电路的一个输入端相连,第i个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第i个接触器的另一端与第i个电阻和第i+1个电阻的公共线路相连,1≤i≤n-1,第n个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第n个接触器的另一端与第n个电阻和储能电路的公共线路相连;
或所述的限流电路包括:n个电阻和n个接触器,其中:n个电阻的一端分别与整流电路的一个输出端相连,第一个电阻的另一端与储能电路的一个输入端相连,第i个电阻的另一端与第i-1个接触器的一端相连,2≤i≤n,第i-1个接触器的另一端与储能电路的一个输入端相连,第n个接触器的一端与整流电路的一个输出端相连,第n个接触器的另一端与储能电路的一个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的具有储能功能的变桨伺服驱动器,其特征是,所述的整流电路是三相二极管不控整流桥电路。
3.根据权利要求1所述的具有储能功能的变桨伺服驱动器,其特征是,所述的制动电路包括:制动电阻和IGBT,其中:制动电阻的一端、储能电路的一个输出端和逆变电路的一个输入端分别两两相连,制动电阻的另一端与IGBT的一端相连,IGBT的另一端、储能电路的另一个输出端和逆变电路的另一个输入端分别两两相连。
4.根据权利要求1所述的具有储能功能的变桨伺服驱动器,其特征是,所述的逆变电路是三相逆变电桥电路。
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