CN102769333A - 一种风力发电电动变桨备用电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力发电电动变桨备用电源系统,包括三个超级电容柜和切换继电器开关组成,每个超级电容柜通过切换继电器开关与对应的伺服驱动器直流母线连接,作为该伺服驱动器的备用电源;三个超级电容柜间通过六个切换继电器开关首尾相连,提供串联供电或并联供电模式;所述每个超级电容柜内安装有多个相同的超级电容模块,多个模块串联构成超级电容模组。本发明增加二级备用,增强安全可靠性,提高了超级电容能量利用率,增强超级电容一致性,提高使用寿命,降低故障概率;不仅可在变桨系统中应用,在超级电容储能系统中均可以采用本技术。

Description

一种风力发电电动变桨备用电源系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统,具体地说,涉及的是一种风力发电电动变桨备用电源系统。
背景技术
随着我国再可生能源尤其是风能的大量开发,风力发电系统越来越多地受到了人们的重视。随着电动变桨距技术在兆瓦级大型风机上的大量应用,变桨系统的重要性日渐增加。电动变桨系统通过电力传动驱动伺服电机带动桨叶变动,相比液压传动系统避免了非线性、容易泄漏、卡涩等缺点,从整个执行机构层面提升了变桨系统的可靠性。由于变桨系统对风力发电系统的安全可靠运行起着重要作用,因此不同于一般的电控伺服系统,变桨系统在最初的设计上必须保证足够的安全性设计。
相比变桨伺服系统除了在精度要求和跟随性能上有更高的要求外,在硬件结构上,变桨系统还需要配备备用电源用于故障情况下的应急供电,用于实现低电压穿越以及紧急顺桨功能,备用电源和伺服系统一起安装在风机轮毂内,受到环境制约以及空间大小的限制,备用电源的体积和可靠性决定了传统电源无法很好地满足变桨系统的需求。
传统的风电电动变桨系统多采用铅酸蓄电池作为储能元件,近年来超级电容逐渐被一些厂家采用作为风电变桨系统的储能元件,超级电容又称为双层电容器,是一种新型储能元件,有着功率密度大、充放电循环次数多、工作温度范围大,无环境污染等优点,非常适合瞬时提供大功率的伺服系统。
公开号为201247964的中国专利公开了一种风力发电变桨距系统电源装置,采用超级电容作为储能元件为伺服电机供电:公开号为201328023的中国专利公开了一种设有充电和放电装置的超级电容后备电源,超级电容器组通过充放电装置和伺服驱动器直流母线进行能力传递。
现有的风力发电电动变桨系统多采用超级电容器组直接串联供电的方案,由于超级电容电和容量成二次方比,随着放电过程的持续,备用电源两端电压将急剧下降,如果外加放电装置,如Boost升压电路则一旦升压电路失控超级电容无法完成放电工作,可靠性大大下降,并且升压电路工作环境要求严格,不适合变桨系统恶劣的环境条件。另外现有电动变桨系统多采用独立变桨技术,即三个桨叶对应三个独立伺服驱动器,每个驱动器独立配备一台备用电源,当任何一台备用电源失效将导致紧急情况下这个伺服电机控制的桨叶失去控制,由于备用电源多数时间备而不用,增大了超级电容的故障概率。而且由于超级电容生产过程中不可避免的容量偏差,导致充放电过程中单体超级电容电压不均衡,严重影响超级电容的使用寿命,由于串联使用,任何一支超级电容的损坏将导致整个串联储能系统的实效,严重影响变桨系统可靠性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足,提供一种风力发电电动变桨备用电源系统,增强安全可靠性;提高了超级电容能量利用率;增强超级电容一致性,提高使用寿命,降低故障概率。
为实现上述的目的,本发明所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,包括三个超级电容柜和切换继电器开关组成,每个超级电容柜通过切换继电器开关与对应的伺服驱动器直流母线连接,作为该伺服驱动器的备用电源;三个超级电容柜间通过六个切换继电器开关首尾相连,提供串联供电或并联供电模式;每个超级电容柜内安装有多个相同的超级电容模块,多个模块串联而成超级电容模组。
所述超级电容柜内安装的超级电容模块内设有被动均衡模块,超级电容模块之间设有主动均衡模块,主动均衡模块控制电路采用能量转移方式或者耗能式均衡电路完成电压均衡,由变桨控制器PLC实现控制,从而保证充放电过程中超级电容电压的一致性,保证超级电容的使用寿命。
所述切换继电器开关用于电路的串并联切换,即串并联切换电路全部由开关器件构成,三个超级电容柜间通过六个继电器首尾相连,变桨控制器输出连接继电器控制端,根据伺服驱动器直流母线的设计,其最高工作电压为600V,最低为280V。当一台备用电源出现故障时,变桨控制器等待另外两个桨叶完成顺桨,电机停转后判断另两台备用电源端电压,决定串联供电或并联供电模式。
本发明系统提出并采用超级电容串并联技术,在增加少量切换元件的基础上,增加超级电容器的能量利用效率,与此同时作为备用电源故障的冗余备用,增大了备用电源的可靠性。
本发明系统为每个伺服驱动器设计多个超级电容模块串联使用,每个模块内以及模块之间配有均衡电路,均衡电路保证了超级电容的充放电一致性,增加了超级电容模块的工作寿命。
采用上述技术方案之后,本发明增加二级备用,增强安全可靠性,提高了超级电容能量利用率,增强超级电容一致性,提高使用寿命,降低故障概率;不仅可在变桨系统中应用,在超级电容储能系统中均可以采用本技术。
附图说明
图1为本发明超级电容柜拓扑结构框图。
图2为本发明实施例中超级电容模块被动均衡电路图。
图3为本发明实施例中超级电容模块主动均衡电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释,但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。
如图1-3所示,本实施例提供一种风力发电电动变桨备用电源系统,包括三个超级电容柜和切换继电器开关组成,每个超级电容柜通过切换继电器开关与对应的伺服驱动器直流母线连接;三个超级电容柜间通过六个切换继电器开关首尾相连。
本实施例系统采用超级电容作为备用电源的储能元件,由于超级电容单体电压较低常见值为2.7V,为了给伺服驱动器提供足够的电压,本系统选用650F单体的超级电容器串联成137.5V的模块,4个模块串联为一台伺服驱动器备用,额定输出电压537V,等效电容值3F。
本实施例系统在上述基础上利用串并联切换技术,利用低电压部分的容量作为冗余备用,拓扑结构如图1所示。超级电容模组安装在超级电容柜内,其输出正负极通过继电器SD1~SD3与伺服驱动器#1的直流母线连接,作为一级备用供电电源。正常情况下系统检测超级电容模组电压,如低于额定阈值则启动充电装置,直至充满到额定电压,紧急情况时每个超级电容模组通过继电器SD1~SD3给伺服驱动器供电实现低电压穿越以及紧急顺桨功能,当超级电容模组电压故障时报错,发送错误信号给变桨控制器。
串并联电路实现备用电源系统二级备用,利用继电器完成拓扑结构切换。继电器S1连接超级电容模组#1的正极和超级电容模组#2的正极,继电器S2连接超级电容模组#1的负极和超级电容模组#2的正极,继电器S3连接超级电容模组#1的负极和超级电容模组#2的负极,继电器S4连接超级电容模组#2的正极和超级电容模组#3的正极,继电器S5连接超级电容模组#2的负极和超级电容模组#2的正极,继电器S6连接超级电容模组#2的负极和超级电容模组#3的负极。
超级电容模组#1的正极作为串并联切换电路输出正极,通过继电器SD4~SD6与三台伺服驱动器直流母线连接,超级电容模组#3的负极作为串并联切换电路输出负极。
当变桨控制器接收到某一台超级电容柜发出的电压错误信号,例如超级电容模组#1故障,系统首先通过继电器SD1将故障电源切除,然后等待其余两台伺服驱动器反馈位置信号,当其余两个桨叶完成顺桨后,变桨控制器检测超级电容模组#2和超级电容模组#3端电压,如电压之和高于600V,且差值低于20V,则S1,S4,S6开通,S2,S3,S5断开,超级电容模组#2和超级电容模组#3并联供电;如电压之和高于600V且差值高于20V,假设超级电容模组#2电压较高,则S1,S6开通,S2,S3,S4,S5断开,超级电容模组#2单独为伺服驱动器#1供电,直至下一判断周期;如电压低于或等于600V,此时S1,S5开通,S2,S3,S4,S6断开,超级电容模组#2和超级电容模组#3串联供电。
超级电容模组内设有均衡系统,4个超级电容模块内置被动均衡电路,模块之间设有主动均衡电路,典型实施案例如图2~图3所示。图2中使用稳压二极管并联稳定超级电容单体电压,采用均衡板实现拓扑,均衡板放置于超级电容器阵列上方。图3中S1~S3采用MOSFET,额定电压200V,额定频率10K,L1~L3为均衡电感,通过S1~S3以及D1~D3的开关开断,利用电感实现超级电容模块间能量转换。
本实施例中,超级电容与直流母线之间设有充放电装置,防止过流损坏超级电容,并提高充放电效率。
本实施例中,超级电容柜内安装温度检测装置,连接变桨控制器进行判断,柜内配备散热风扇以及加热装置。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于包括三个超级电容柜和切换继电器开关组成,每个超级电容柜通过切换继电器开关与对应的伺服驱动器直流母线连接,作为该伺服驱动器的备用电源;三个超级电容柜间通过六个切换继电器开关首尾相连,提供串联供电或并联供电模式;所述每个超级电容柜内安装有多个相同的超级电容模块,多个模块串联构成超级电容模组。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述超级电容柜内的超级电容模组,其输出正负极通过继电器SD1~SD3与第一伺服驱动器的直流母线连接,作为一级备用供电电源;正常情况下系统检测超级电容模组电压,如低于额定阈值则启动充电装置,直至充满到额定电压,紧急情况时每个超级电容模组通过继电器SD1~SD3给伺服驱动器供电实现低电压穿越以及紧急顺桨功能,当超级电容模组电压故障时报错,发送错误信号给变桨控制器。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述切换继电器开关实现超级电容模组的串并联,该串并联电路实现备用电源系统二级备用,利用继电器完成拓扑结构切换,继电器S1连接第一超级电容模组的正极和第二超级电容模组的正极,继电器S2连接第一超级电容模组的负极和第二超级电容模组的正极,继电器S3连接第一超级电容模组的负极和第二超级电容模组的负极,继电器S4连接第二超级电容模组的正极和第三超级电容模组的正极,继电器S5连接第二超级电容模组的负极和第二超级电容模组的正极,继电器S6连接第二超级电容模组的负极和第三超级电容模组的负极;第一超级电容模组的正极作为串并联切换电路输出正极,通过继电器SD4~SD6与三台伺服驱动器直流母线连接,第三超级电容模组的负极作为串并联切换电路输出负极。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:每个超级电容柜内有四个相同的超级电容模块,其中每个模块额定电压137.5V,模块电压537V,采用650F超级电容器单体串联而成,模块额定等效电容值12F,四模块串联等效电容值3F。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述超级电容柜内安装的超级电容模块内设有被动均衡模块,超级电容模块之间设有主动均衡模块,主动均衡模块控制电路采用能量转移方式或者耗能式均衡电路完成电压均衡,由变桨控制器PLC实现控制,从而保证充放电过程中超级电容电压的一致性。
5、根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述三个超级电容柜间通过六个继电器首尾相连,变桨控制器输出连接继电器控制端,伺服驱动器直流母线最高工作电压为600V,最低为280V,当一台备用电源出现故障时,变桨控制器等待另外两个桨叶完成顺桨,电机停转后判断另两台备用电源端电压,决定串联供电或并联供电模式。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述超级电容与直流母线之间设有充放电装置。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述超级电容柜内安装温度检测装置,连接变桨控制器进行判断。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种风力发电电动变桨备用电源系统,其特征在于:所述超级电容柜内配备散热风扇以及加热装置。
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