CN102148530A - 一种风力发电机组变桨控制装置及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组变桨控制装置，其包括主供电单元、备用供电单元、变频驱动器和变桨电机，所述主供电单元或所述备用供电单元向所述变频驱动器输出直流电，所述变频驱动器将所述直流电转换为三相交流电，并输出到变桨电机为其提供能量。本发明还提供了一种风力发电机组，其包括变桨系统，所述变桨系统采用本发明提供的变桨控制装置。该种变桨控制装置设计较简单并且具有较高的可靠性，成本也较低，同时采用该种变控制装置的风力发电机组具有较高的可靠性和安全性。

Description

一种风力发电机组变桨控制装置及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组变桨控制装置。

背景技术

近年来，随着风力发电机组设计水平的不断提高，在大型风力发电机组，特别在是兆瓦级机组中，通常设置有变桨系统，其可控制叶片沿其轴向转动从而改变气流对叶片的攻角，进而改变风力发电机组获得的空气动力转矩。当风速超过额定风速后，通过变桨系统减小叶片攻角，从而使输出功率稳定在额定功率；而当遇到大风情况时，变桨系统可使风力发电机组处于顺桨状态，即使叶片攻角为零，从而避免风力发电机组叶片被大风损坏。变桨系统一般分为电动变距控制系统和液压变桨控制系统。电动变桨系统是利用电动机的转动来实现对桨叶位置的调节，其一般包括变桨电动机、驱动器、变桨控制器、传感器及备用电源。备用电源用于在机组突然故障或电网失电时为变桨系统供电，以使叶片达到顺桨位置，保证机组安全。超级电容由于具有充放电速度快、效率高、循环寿命长等特点，通常在电动变桨距系统作为备用电源使用。

请参阅图1，其为现有的一种电动变桨控制装置的结构示意图。如图1所示，该装置主要由充电器1、超级电容组2、变频驱动器3、变桨电机4、直流电源模块5、以及控制电路6组成。其中，充电器1的输入端接三相交流电源L1、L2、L3和地线PE，输出端为直流母线，充电器1将三相交流电转换成直流电后，一方面，为超级电容组2充电，使其为变桨系统提供备用电源；另一方面，直流母线电压输入到变频驱动器3，由变频驱动器3将直流电逆变成三相交流电，输出到变桨电机4为电机供能量；同时，直流母线电压通过直流电源模块5输入到控制电路6中，由控制电路6对变桨过程进行控制。

在这种装置中，由于直流母线电压即充电器1输出的额定直流电压较高，超级电容组2需要串联多个电容单体来共同承受该直流电压。然而超级电容组2串联多个电容单体后，如果电容单体间电压不平衡则会造成单体因承受电压过大而损坏，而任何一个电容单体损坏均会造成整个超级电容组2无法正常工作，因而，在超级电容组2中串联多个单体后带来的电容单体间电压平衡问题，使得系统的故障率大大提高，维修等费用成本也相应提高。

此外，为了满足变桨电机的最低工作电压，直流母线的电压不能低于某一个电压值，因此，在超级电容组作为备用电源使用时，当其输出电压低于某一值时便不能为变桨系统提供能量，这大大降低了超级电容组2的能量利用率，为了保证超级电容组2的输出能量可确保系统能使叶片到达安全位置，就需要相应地增加超级电容组2的实际容量，即增加超级电容组的串联单体，从而使得超级电容组2的成本相应增加。

为了降低超级电容组2的故障率和成本，现有技术中对图1所示的变桨控制装置进行了改进，形成另一种电动变桨控制装置，如图2所示，其为该装置的结构示意图。该装置改进之处是在图1所示的变桨控制装置中增加一个升压装置7，该升压装置7设置在变频驱动器3前端，其主要作用是将充电器1输出的直流电压，也就是超级电容组2两端直流电压和主回路中直流母线电压，进行升压，以使直流母线电压满足变桨电机4的电压要求，由于设置了升压装置7，因而在满足变桨电机4电压要求的同时可降低充电器1额定输出电压和超级电容组2两端的工作电压，从而在保证超级电容能量的前提下，使得超级电容组2串联的电容单体减少，电容单体可以通过并联方式组合，减少了因电容单体电压不平衡而造成的故障。而且在超级电容组2作为备用电源时，当电压下降到较低电压值时，可通过升压装置7进行升压，继续为变桨系统的正常工作提供能量，从而使得超级电容组2在低电压下的能量得到了利用，从而提高了超级电容组2的能量利用率，进而可减少超级电容组2的实际容量。

然而，在这种装置中，升压装置7是一个非常重要的部件并且是串联在整个主电路中，因此一旦该升压装置出现故障，整个系统均无法正常工作，超级电容组2作为备用电源也无法起到作用，变桨系统可能因此而无法将叶片完成顺桨动作，给整个系统带来很大的安全隐患，易造成飞车等严重后果。

此外，在图1和图2所示的变桨控制装置中，充电器1均起两个主要作用：1)将由三相交流电网输入的工频交流电整流成直流电供超级电容组2充电；2)作为变桨驱动的主电压回路，为变桨电机提供能量。当变桨系统正常工作时，变桨过程所需要的电能主要由三相交流电网提供；当三相交流电网失电时，超级电容组2作为备用电源为变桨系统提供能量，保证整套变桨电控系统内部电路正常工作，以使叶片到达顺桨位置或安全位置。

由于充电器1具有上述重要作用，其一旦出现故障，整个系统将无法持续正常工作，因此对充电器1的可靠性设计要求较高。而且由于整个系统的电能均通过充电器回路，因此，充电器1的输出功率和输出电流都较大，从而使其可靠性设计要求更高，也相应提高了设计难度。

此外，由于充电器1需要对超级电容组2进行充电，因此，充电器1中包括有用于控制超级电容组组充电的控制单元，而且由于充电器1输出电流和功率比较大，需要对超级电容快速充电，使得相应的控制单元较复杂，从而增加了成本，并且进一步提高了充电器1的设计要求及难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种风力发电机组变桨控制装置及在变桨系统中使用该控制装置的风力发电机组，该种变桨控制装置设计较简单且具有较高的可靠性，并且成本较低。

为此，本发明提供了一种风力发电机组变桨控制装置，其包括主供电单元、备用供电单元、变频驱动器和变桨电机，所述主供电单元或所述备用供电单元向所述变频驱动器输出直流电，所述变频驱动器将所述直流电转换为三相交流电，并输出到变桨电机为其提供能量。

其中，所述主供电单元包括电压转换装置，所述电压转换装置一端与三相交流电源电连接，另一端与所述变频驱动器电连接，用于将三相交流电转换为直流电并输出至所述变频驱动器。

其中，所述备用供电单元包括依次电连接的充电器、备用电源和至少一个升压装置，所述充电器与三相交流电源电连接，用于将三相交流电转换为直流电供所述备用电源充电，所述升压装置用于对所述备用电源的输出电压进行升压，以满足所述变桨电机的最低工作电压。

其中，所述备用电源为蓄电池或超级电容组。

其中，当所述升压装置为2个以上时，所述2个以上的升压装置并联连接。

其中，本发明提供的风力发电机组变桨控制装置还包括与所述主供电单元和所述备用供电单元电连接的切换单元，用于仅使所述主供电单元和所述备用供电单元其中之一为所述变桨电机提供能量。

其中，发明提供的风力发电机组变桨控制装置还包括控制单元，所述主供电单元或所述备用供电单元向所述控制单元提供能量

其中，所述控制单元包括直流电源模块和控制电路，所述直流电源模块用于将由所述主供电单元或所述备用供电单元提供的直流电电压转换成所述控制电路中控制器及电器元件的工作电压。

此外，本发明提供一种风力发电机组，其包括变桨系统，所述变桨系统采用本发明提供的上述变桨控制装置。

采用本发明提供的变桨控制装置具有如下有益效果：

本发明提供的变桨控制装置设置有主供电单元和备用供电单元，在正常情况下，由主供电单元向变桨电机提供能量，当电网掉电或故障时则由备用供电单元向变桨电机提供能量。与现有技术向比，主供电单元仅用于提供变桨过程中所需要的能量，不需要为超级电容充电，因此主供电单元无需设置用于超级电容充电的控制模块，在降低设计难度的同时增加了可靠性；并且，由于不需要为超级电容充电，从而可相对降低主供电单元的输出功率，进而降低了主供电单元的设计要求，提高了系统可靠性。

采用本发明提供的风力发电机组具有如下有益效果：

本发明提供的风力发电机组，其变桨系统中采用本发明提供的上述变桨控制装置，由于该变桨控制装置可靠性较高，成本较低，从而使得本发明提供的风力发电机组同样具有较高的可靠性和安全性，且成本相对降低。

附图说明

图1为现有的一种电动变桨控制装置的结构示意图；

图2为现有的另一种电动变桨控制装置的结构示意图；

图3为本发明提供的风力发电机组变桨控制装置的结构示意图；

图4为图3所示的风力发电机组变桨控制装置的一种详细结构图；

图5为图3所示的风力发电机组变桨控制装置的另一种详细结构图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的风力发电机组变桨控制装置及具有该控制装置的风力发电机组进行详细描述。在这些附图中，对于相同或者相当的部分，标注相同标号。

请参阅图3，其为本发明提供的风力发电机组变桨控制装置的结构示意图。如图3所示，本发明提供的风力发电机组变桨控制装置包括主供电单元10、备用供电单元20、变频驱动器3和变桨电机4，主供电单元10或备用供电单元20向变频驱动3输出直流电，变频驱动3将该直流电转换为交流电，并输出至变桨电机4，为其完成变桨动作提供能量。

其中，主供电单元10用于在正常情况下，即电网正常运行时工作，其将来自电网的三相交流电转换为直流电并输出至变频驱动器3；而备用供电单元20则用于在电网掉电或故障时向变频驱动器3提供直流电，从而驱动变桨电机完成变桨动作，使叶片到达顺桨位置或安全位置，以保证机组安全。

下面结合图4和图5对主供电单元10和备用供电单元20进行详细说明。

其中，主供电单元10包括电压转换装置8，其一端与三相交流电源，即电网电连接，另一端与变频驱动器3电连接，电压转换装置8使电网提供的三相交流电经过整流、降压、滤波转换为直流电，并将该直流电输出至变频驱动器3，变频驱动器3根据脉冲宽度调制原理，输出频率和幅值可变的三相交流电来驱动变桨电机4的动作，利用变频调速原理控制变桨电机4的转动速度，从而完成变桨动作。

与现有技术的变桨控制装置中的充电器1相比，电压转换装置8仅需将三相交流电经过整流、降压、滤波转换为直流电即可，由于其不需要为超级电容组2充电，因此不需要经过逆变控制，即电压转换装置8不需要包含有用于控制超级电容组充电的控制单元，因而其设计难度相对容易，并且可靠性可大大增加，从而提高了系统运行的稳定性。

其中，备用供电单元20包括依次电连接的充电器1、超级电容组2和升压装置7。其中，充电器1一端与三相交流电源，即电网电连接，另一端与超级电容组2电连接，用于将电网提供的三相交流电转换成直流电，供超级电容组2充电；升压装置7用于对超级电容组2的输出电压进行升压，以满足变桨电机4的工作要求。

如前所述备用供电单元20仅在电网掉电或故障时，即主供电单元10不能正常工作时，为变桨电机4提供能量，以完成变桨动作，因此正常情况下，充电器1仅是将电网提供的交流电转换为直流电供超级电容组2充电，并不向变桨电机4提供能量。当电网掉电或故障时，超级电容组2作为备用电源，向变桨电机4提供能量，以完成变桨动作，并且由于设置有升压装置7，当电压下降到较低电压值时，可通过升压装置进行升压，继续为变桨系统的正常工作提供能量，从而提高了超级电容组2的能量率用率，减少了超级电容组2的实际使用容量。

此外，由于充电器1仅用于为超级电容组2充电，因此其输出功率和输出电压可大大降低，从而使得可靠性设计要求和成本相应降低，并且由于其输出功率降低，使得超级电容组2不必像现有技术中一样需要快速充电，可相对延长充电所需时间，这样一来就可简化充电机器1中包含的用于控制超级电容组2充电的控制单元，从而进一步降低充电器1的可靠性设计要求以及成本。

进一步，由于充电器1输出功率和输出电压降低，也使得超级电容组2两端电压降低，从而使串联电容单体的数量减少，因此由电容单体间电压平衡问题而造成的损坏相应减少，超级电容组2的故障率降低，寿命延长。

需要说明的是，超级电容组2由于其自身优点，比如效率高、放电电流大、状态容易监控、循环寿命长和环保，优选地用作备用电源，但在实际应用中，也可使用蓄电池代替超级电容组2作为备用电源，其同样可在电网掉电或故障时，为变桨电机4提供能量，以完成变桨动作，使叶片到达顺桨或安全位置，从而保证机组安全。此外，为了进一步提高系统的稳定性，可对升压装置7进行冗余设计，即采用并联连接的多个升压装置，其数量可为2个或2个以上。

此外，还需要说明的是，为了保证正常情况备用供电单元20不向变桨电机4提供能量，本发明的变桨控制装置还包括切换单元，主供电单元10和备用供电单元20与所述切换单元连接，通过该切换单元可实现正常情况下由主供电单元10向变桨电机提供能量，当电网掉电或故障时，则由备用供电单元20向变桨电机提供能量。其中，所述切换单元可为由诸如二极管、三极管的电子元件构成的开关电路。

请再次参阅图4，如图4所示，本发明提供的风力发电机组变桨控制装置还包括控制单元30，其由直流电源模块5和控制电路6构成。主供电单元10或备用供电单元20向控制单元30输出直流电，直流电源模块5将该直流电电压转换成控制电路6中控制器及电气元件的工作电压，从而对变桨过程进行控制。其中，在正常情况下，控制单元30工作所需的能量由主供电单元10提供，在电网掉电或故障时则由备用供电单元20提供。

请参阅图5，为本发明提供的风力发电机组变桨控制装置的另一种详细结构图。如图5所示，该变桨控制装置与前述实施例的大体相同，其也包括主供电单元10、备用供电单元20和控制单元30，其中，主供电单元10包括电压转换装置8，备用供电单元20包括依次连接的充电器1、超级电容组2和升压装置7，控制单元30包括直流电源模块5和控制电路6，主供电单元10或备用供电单元20向变频驱动器3输出直流电，变频驱动器3将该直流电转换为交流电，并输出至变桨电机4，为完成变桨动作提供能量。二者不同之处在于，在本实施例中，无论正常情况下还是电网掉电或故障时，控制单元30均由备用供电单元20提供其工作用的能量，与前述实施例的变桨控制装置相比，由于充电器输出电压较低，因而降低了直流电源模块5的输入电压，从而降低了直流电源模块5的设计要求和难度，并且提高了其可靠性。

此外，本发明还提供一种风力发电机组，其包括变桨系统，在所述变桨系统中采用本发明提供的上述风力发电机组变桨控制装置，由于该种结构的变桨控制装置设计相对较容易，并且可靠性较高，从而提高了风力发电机组的可靠性和安全性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，包括主供电单元、备用供电单元、变频驱动器和变桨电机，所述主供电单元或所述备用供电单元向所述变频驱动器输出直流电，所述变频驱动器将所述直流电转换为三相交流电，并输出到变桨电机为其提供能量。

2.如权利要求1所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，所述主供电单元包括电压转换装置，所述电压转换装置一端与三相交流电源电连接，另一端与所述变频驱动器电连接，用于将三相交流电转换为直流电并输出至所述变频驱动器。

3.如权利要求1所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，所述备用供电单元包括依次电连接的充电器、备用电源和至少一个升压装置，所述充电器与三相交流电源连接，用于将三相交流电转换为直流电供所述备用电源充电，所述升压装置用于对所述备用电源的输出电压进行升压，以满足所述变桨电机的最低工作电压。

4.如权利要求3所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，所述备用电源为蓄电池或超级电容组。

5.如权利要求3所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，当所述升压装置为2个以上时，所述2个以上的升压装置并联连接。

6.如权利要求1所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，还包括与所述主供电单元和所述备用供电单元电连接的切换单元，用于仅使所述主供电单元和所述备用供电单元其中之一为所述变桨电机提供能量。

7.如权利要求1-6任意一项所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，还包括控制单元，所述主供电单元或所述备用供电单元向所述控制单元提供能量。

8.如权利要求7所述的风力发电机组变桨控制装置，其特征在于，所述控制单元包括直流电源模块和控制电路，所述直流电源模块用于将由所述主供电单元或所述备用供电单元提供的直流电电压转换成所述控制电路中控制器及电器元件的工作电压。

9.一种风力发电机组，包括变桨系统，其特征在于，所述变桨系统采用如权利要求1-8任意一项所述的变桨控制装置。

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