CN102121454B - 一种风力发电变桨驱动器及方法 - Google Patents

一种风力发电变桨驱动器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电变桨驱动器及方法，涉及电力电子技术与风力发电技术的交叉领域。本发明公开的风力发电变桨驱动器，包括控制单元，接收主控端发起的桨叶电动机操作指令，并根据桨叶电动机操作指令以及桨叶电动机实际运行状态发起变桨控制指令，以及在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息发起顺桨控制指令；功率驱动单元，根据控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作，根据控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行顺桨操作，以及采集桨叶电动机实际运行状态的信号，并发送给控制单元。本发明的实施例内部集成PLC功能方便用户调试。

Description

一种风力发电变桨驱动器及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术与风力发电技术的交叉领域，特别涉及一种风力发电变桨驱动器及方法。
背景技术
目前，在风力发电领域一般使用通用变频器，其用于风力发电变桨场合存在以下问题：
其不能针对风力发电机进行专用控制与保护。并且通用变频器尺寸偏大，不利于安装。并且通用变频器的过载能力一般2倍，而变桨系统属于频繁启动产品，频繁过载会降低可靠性。另外，通用变频器使用的电解电容，因此，一般5年左右即要更换电容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可适用于风力发电系统的风力发电变桨驱动器及方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种风力发电变桨驱动器，包括控制单元和功率驱动单元，其中：
所述控制单元，接收主控端发起的桨叶电动机操作指令，并根据所述桨叶电动机操作指令以及桨叶电动机实际运行状态向所述功率驱动单元发起变桨控制指令，以及在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息向所述功率驱动单元发起顺桨控制指令；
所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作，根据所述控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行顺桨操作，以及采集桨叶电动机实际运行状态的信号，并发送给所述控制单元。
较佳地，上述风力发电变桨驱动器中，所述控制单元，还通过现场总线接口向所述主控端上报桨叶电动机运行状态以及本风力发电变桨驱动器的工作状态。
较佳地，所述述控制单元，还获取外部信号，如果根据所获取的外部信号判断工作现场发生异常时，向所述功率驱动单元发起顺桨控制指令。
较佳地，所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述功率驱动单元，根据所述变桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行变桨操作。
所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述功率驱动单元，根据所述顺桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行顺桨操作。
较佳地，所述风力发电变桨驱动器配置信息包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
本发明还公开了一种风力发电变桨驱动方法，包括：
风力发电变桨驱动器采集桨叶电动机实际运行状态的信号，根据所采集的桨叶电动机实际运行状态的信号以及从主控端接收到的桨叶电动机操作指令，控制桨叶电动机进行变桨操作；并在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息控制桨叶电动机进行顺桨操作。
较佳地，上述方法中，所述风力发电变桨驱动器还通过现场总线接口向所述主控端上报桨叶电动机运行状态以及本风力发电变桨驱动器的工作状态。
较佳地，所述风力发电变桨驱动器，还获取外部信号，如果根据所获取的外部信号判断工作现场发生异常时，控制桨叶电动机进行顺桨操作。
较佳地，所述风力发电变桨驱动器控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述风力发电变桨驱动器根据所述变桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行变桨操作。
所述风力发电变桨驱动器控制桨叶电动机进行顺桨操作指：
所述风力发电变桨驱动器根据所述顺桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行顺桨操作。
较佳地，所述风力发电变桨驱动器配置信息包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
本发明的至少一个实施例内部集成PLC功能方便用户调试，并且增加了备电，可连续顺桨3次。另外，本发明实施例所提供的变频驱动器体积较小。同等功率下，只有西门子变频器1/3体积。
附图说明
图1为本实施例1中控制单元结构示意图；
图2为本实施例1中控制单元中的检测/保护电路示意图；
图3为本实施例1中控制单元中的编码器通讯电路示意图；
图4为本实施例1中功率控制模块结构示意图；
图5为本实施例1中软起电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明技术方案做进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
本实施例提供一种风力发电变桨驱动器，至少包括控制单元和功率驱动单元。
控制单元，接收主控端发起的桨叶电动机操作指令，并根据该桨叶电动机操作指令以及桨叶电动机实际运行状态向功率驱动单元发起变桨控制指令，以及在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息向功率驱动单元发起顺桨控制指令；
其中，风力发电变桨驱动器配置信息至少包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
在实际应用中，风力发电变桨驱动器配置信息不限于上述三种信息，还可以包括其他更多本领域技术人员所熟知的各种信息。
本实施例中，控制单元的具体结构可如图1所示，主要由DSP、单片机、FPGA、检测/保护模块、电机控制模块、IGBT温度采样模块、电流/电压采样模块以及编码器采样模块组成；
其中，DSP，接收主控端发起的桨叶电动机操作指令，并根据该桨叶电动机操作指令以及桨叶电动机实际运行状态向功率驱动单元发起变桨控制指令；
单片机，接收保存用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息；
具体地，DSP读取单片机中的用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息，并在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，按照该配置信息向功率驱动单元发起顺桨控制指令，以控制桨叶电动机进行顺桨操作，即对桨叶电动机进行保护操作；
优选方案中，单片机还可以获取外部信号并发送给DSP，这样，DSP根据所获取的外部信号判断工作现场发生异常时，也会向功率驱动单元发起顺桨控制指令，以控制桨叶电动机进行顺桨操作，即对桨叶电动机进行保护操作。其中，外部信号可以包括安全链信号，温度信号、通讯信号等。当根据所获取的外部信号的一种或几种判断工作现志发生异常时，均会控制桨叶电动机进行顺桨操作。如，控制单元根据获取的温度信号判断工作现场温度异常，则向功率驱动单元发起顺桨控制指令以控制桨叶电动机进行顺桨操作。
本实施例为优选方案，单片机还通过现场总线接口(如DP接口)向主控端上报桨叶电动机运行状态以及本风力发电变桨驱动器的工作状态。其中，DP通讯可采用LK系列的成熟电路，预留硬DP接口。例如，DP通讯波特率为1.5Mbps。如果接收和发送均为最大长度，246*2个字节，则：492*11*(1/(1.5*1000000)≈3.6ms，即三个变桨驱动器器动作时间相差2*3.6ms＝7.2ms，而变桨速度最大为100/s，7.2ms的时间内第一个桨叶转过的角度为7.2*0.010＝0.0720＜＜20。
检测/保护模块，用于实时检测桨叶电动机故障，当检测出桨叶电动机故障时，封锁桨叶电动机的脉冲宽度调制(PWM)输出，使IGBT处于关闭状态。
在本实施例中，检测/保护模块由图2所示的电路实现。此电路采集采样电阻上的交流电压信号，经过运放放大2倍后全波整流，整流后电压经过差分放大器后将高低电平信号做差获得比较信号，进入比较器的负输入端，与正端的一个固定电压信号作比较，这个固定信号限定的电流的门槛值，当电机的三相电流产生过流时，比较器的负端输入电压增大，当增大到大于正端固定电压时比较器输出低电平，由于LM2903运放是开漏输出，加上拉电阻后正常状态下输出3.3V高电平信号，为了防止干扰的产生，比较器输出信号经过FPGA滤波以后再输出控制信号，控制信号触发三极管，将IGBT控制光耦的公共电源端拉为低电平，从而使PWM输出无效，IGBT处于关闭状态。
电机控制模块，向功率驱动单元发起变桨控制指令以及顺桨控制指令；
IGBT温度采样模块，主要用于对IGBT温度进行采样，将采样信号发送给DSP；
本实施例中，IGBT内部有负温度系数的热敏电阻，保护温度可以定为120°，此时热敏电阻的阻值约为200Ω，温度检测的精度要求不高，用电阻分压，直接送CPU板AD口，电路简单可靠。
电流/电压采样模块，用于采集电机的电流、电压信号，将采样信号发送给DSP；
编码器采样模块，DSP与编码器的通讯采用SSI总线形式，如图3所示，物理层采用RS422，并通过磁耦与系统隔离，芯片采用SN75C1167DBR双路RS422收发器，最大传输数率可达10Mbps，假设逆变的周期为10K，速度环采样速率就为100us，SSI总线传输的推荐速率为500Kbps，因此FPGA以500Kbps的通讯速率每100us读取一次位置值。每个数据有26字节，26/500K＝52us，发完一个数据必须等待30us以上，52+30＝82us＜100us，能够符合要求。
功率驱动单元，采集桨叶电动机实际运行状态的信号发送给控制单元，以及根据控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作，根据控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行顺桨操作。其中，功率驱动单元，通过对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行变桨操作或者顺桨操作。
本实施例中，功率驱动单元可分为驱动模块和功率控制模块。
驱动模块，主要用于采集调理桨叶电动机的功率部分信号以及将功率控制信号放大，以驱动功率控制单元；
功率控制模块，主要用于实现强电的整流和逆变功能以控制桨叶电动机进行变桨操作或者顺桨操作。
本实施例中，功率控制模块主要包括整流桥、直流母线滤波电路、IGBT、吸收电容以及霍尔电流传感器，如图4所示。该方案中选用可控整流桥，实现控制器的软起功能。整流后用一个共模电感滤除共模干扰信号。母线滤波电容用膜电容，大大减小了母线的浪涌电压。IGBT母线端并联三个1uF/1200V的吸收电容。输出部分的电流采样可用霍尔电流传感器。其中，由于功率控制模块上采用了晶闸管整流桥，因此减小了整个风力发电变桨驱动器的体积。
直流母线滤波电路主要由一个滤波电感(为共模电感)、两个母线滤波电容(为膜电容)构成。其中，共模电感的电感值是2*1.5mH/65A，主要作用是抑制共模干扰信号，同时共模电感的漏感和导线电阻可以抑制滤波电容的充电电流，对提高功率因数以及提高滤波电容的使用寿命都有帮助。滤波电容用两个430uF/800V的膜电容并联，本实施例采用了型号为SHE-800-430-FS的膜电容。因为与电解电容相比，膜电容有以下优势：
承受高有效值电流的能力，可达0.1Arms/uF；低ESR和ESL；能承受两倍于额定电压的过压；能承受反向电压；承受高峰值电流的能力，可达几千安培；没有酸污染；长寿命。
经计算在额定条件下，母线电压纹波因数为0.07，纹波电压的峰峰值约70A。电容的最大充放电电流发生在整流桥输出电压波谷附近，风力发电变桨驱动器完全由电容提供能量，最大电流可达150A。
本实施例中三相输入整流以及软起部分的主电路如图5所示，H5、H6外接软起电阻。开机阶段，整流桥上桥臂的可控硅不导通。三相交流380V经过D20、D21、D22以及整流桥的下桥臂组成全桥整流电路，通过软起电阻给滤波电容充电，在充电过程中当滤波电容两端电压达到整流输出电压的95％时(选取限流电阻160Ω，充电时间约为t＝3×160×860uF＝0.413s)，可控硅触发导通，将限流电阻短路掉，此时滤波电容电压会迅速的达到540V。
实施例2
本实施例介绍上述风力发电变桨驱动器进行变桨驱动的过程。
风力发电变桨驱动器采集桨叶电动机实际运行状态的信号，根据所采集的桨叶电动机实际运行状态的信号以及从主控端接收到的桨叶电动机操作指令，控制桨叶电动机进行变桨操作；并在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息控制桨叶电动机进行顺桨操作。
其中，风力发电变桨驱动器配置信息至少包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
在实际应用中，风力发电变桨驱动器配置信息不限于上述三种信息，还可以包括其他更多本领域技术人员所熟知的各种信息。
一些优选方案中，风力发电变桨驱动器还可获取外部信号，根据所获取的外部信号判断工作现场异常时，控制桨叶电动机进行顺桨操作。其中，外部信号可以包括安全链信号，温度信号、通讯信号等。当根据所获取的外部信号的一种或几种判断工作现志发生异常时，均会控制桨叶电动机进行顺桨操作。如，风力发电变桨驱动器根据获取的温度信号判断工作现场温度异常，则控制桨叶电动机进行顺桨操作。
还有一些优选方案中，风力发电变桨驱动器还可通过现场总线接口(如DP接口)向主控端上报桨叶电动机运行状态以及本变桨驱动器的工作状态。
从上述实施例可以看出，本发明实施例与现有通用变频器对比，具有下表所示的各种优点。
Figure BDA0000046184500000081
并且，本发明的优选实施例可以在湿度5～95％RH，无结露，-30～50℃的场景下正常工作，在5～95％RH，无结露，-40～70℃的场景下存储，因此可以看出本发明提出的实施例可在各种恶劣环境下正常工作。
本发明的至少一个实施例可形成半正弦，峰值为15g，持续时间为11ms沿相互垂直3个轴的正负方向，每个方向三次。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电变桨驱动器，其特征在于，包括控制单元和功率驱动单元，其中：
所述控制单元，接收主控端发起的桨叶电动机操作指令，并根据所述桨叶电动机操作指令以及桨叶电动机实际运行状态向所述功率驱动单元发起变桨控制指令，以及在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息向所述功率驱动单元发起顺桨控制指令；
所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作，根据所述控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行顺桨操作，以及采集桨叶电动机实际运行状态的信号，并发送给所述控制单元。
2.如权利要求1所述的风力发电变桨驱动器，其特征在于，
所述控制单元，还通过现场总线接口向所述主控端上报桨叶电动机运行状态以及本风力发电变桨驱动器的工作状态。
3.如权利要求1或2所述的风力发电变桨驱动器，其特征在于，
所述控制单元，还获取外部信号，如果根据所获取的外部信号判断工作现场发生异常时，向所述功率驱动单元发起顺桨控制指令。
4.如权利要求3所述的风力发电变桨驱动器，其特征在于，
所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的变桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述功率驱动单元，根据所述变桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行变桨操作；
所述功率驱动单元，根据所述控制单元发起的顺桨控制指令控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述功率驱动单元，根据所述顺桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行顺桨操作。
5.如权利要求3所述的风力发电变桨驱动器，其特征在于，
所述风力发电变桨驱动器配置信息包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
6.一种风力发电变桨驱动方法，其特征在于，该方法包括：
风力发电变桨驱动器采集桨叶电动机实际运行状态的信号，根据所采集的桨叶电动机实际运行状态的信号以及从主控端接收到的桨叶电动机操作指令，控制桨叶电动机进行变桨操作；并在检测到本风力发电变桨驱动器故障时，根据用户设置的风力发电变桨驱动器配置信息控制桨叶电动机进行顺桨操作。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述风力发电变桨驱动器还通过现场总线接口向所述主控端上报桨叶电动机运行状态以及本风力发电变桨驱动器的工作状态。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，
所述风力发电变桨驱动器，还获取外部信号，如果根据所获取的外部信号判断工作现场发生异常时，控制桨叶电动机进行顺桨操作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述风力发电变桨驱动器控制桨叶电动机进行变桨操作指：
所述风力发电变桨驱动器根据所述变桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行变桨操作；
所述风力发电变桨驱动器控制桨叶电动机进行顺桨操作指：
所述风力发电变桨驱动器根据所述顺桨控制指令，对强电进行整流、逆变和调理以控制桨叶电动机进行顺桨操作。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述风力发电变桨驱动器配置信息包括如下一种或几种：
电机参数信息、保护温度限值信息、顺桨速率信息。
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