CN102787975A - 一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，包含三个轴控柜，以及所述三个轴控柜的三个备用电源柜，其中一个轴控柜中放置变桨控制器，所述变桨控制器通过CAN总线和另外两台轴控柜通讯；所述变桨控制器采用PLC作为上位机，负责整个变桨系统的通讯、指令下达、状态机和保护；每个轴控柜内安装一台伺服驱动器，所述伺服驱动器连接并控制一台交流永磁同步电机，同时实现部分模拟量采集功能。本发明系统降低了通讯故障，减小了轴柜体积，节省安装空间，提高系统可靠性，便于检测故障点以及建立应急数据传输通道。

Description

一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电变桨控制系统，具体地说，涉及的是一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统。

背景技术

随着风力发电的大规模开发，风力发电机的单台容量也逐渐增大。我国目前安装的风机主力机型容量在1.5～5.0MW之间，且大多为电动变桨机组。电动变桨系统通过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，从系统的层面提升了变桨系统的可靠性。通讯故障是电动变桨系统实际运行中时常发生的故障，无论采用何种通讯方式都无法避免故障的产生，现有的变桨系统一旦检测到一个节点发生通讯故障，通常会紧急顺桨，这样将导致风机输出功率频繁大幅度变动，一定程度上加剧了风力能源的不稳定性。

对于电动变桨系统而言，其控制系统的可靠性非常重要，现有的电动变桨系统多基于直流伺服系统，由于直流电机内部缺陷，虽然控制简单，但是不易维护、运行中有电火花产生。而风电场运行自然环境一般较恶劣，更增加了直流伺服系统的故障概率。

公开号为201050444的中国专利公开了一种直流变桨距系统，虽然其具有控制简单，且紧急情况下直流电源可以直接并在电机电枢上驱动电机顺桨的优点，但是直流电机存在换向器和电刷不易维护，无法适应恶劣环境，所以已逐步被交流电机取代。

现有风电电动变桨系统很多采用封闭式散热器，另外配备散热用风扇。变桨系统安装在轮毂内，其空间非常狭小导致内部空气循环不良散热风扇的散热特性不好，且额外的散热装置增大了轴柜的体积，不利于安装和放置。

公开号为201925091U的中国专利公开了一种风力发电变桨系统，其缺点是一旦通信发生故障则无法继续正常工作。由于风力发电系统工作环境极其恶劣，加之变桨系统安装在轮毂中360°转动，通信故障的概率通常较高。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的上述不足，提供一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，该系统降低了通讯故障，减小了轴柜体积，节省安装空间，提高系统可靠性，便于检测故障点以及建立应急数据传输通道。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，包含三个轴控柜，以及所述三个轴控柜的三个备用电源柜，其中一个轴控柜中放置变桨控制器，变桨控制器通过CAN总线和另外两台轴控柜通讯；所述变桨控制器采用PLC作为上位机，负责整个变桨系统的通讯、指令下达、状态机和保护等功能；每个轴控柜内安装一台伺服驱动器，所述伺服驱动器连接并控制一台交流永磁同步电机，同时实现部分模拟量采集功能。

本发明中，变桨控制器以及每个轴控柜内的伺服驱动器均配置两个独立的CAN总线模块，采用CANopen协议进行通讯。双CAN总线相互独立传输数据，互为冗余。

本发明中，每个轴控柜设有散热装置，其中散热装置采用穿墙式散热器，及时将轴控柜内的功率元件热量排出柜体；每个轴控柜及其备用电源柜均设有加热装置，加热装置在系统检测到低温的情况下启动工作。

本发明中，交流永磁同步电机设有旋转编码器，同时桨叶侧配有冗余编码器，正常工作中两者比较，防止编码器损坏。

本发明中，系统还设有柜体加热单元，每个轴控柜和电源柜均设有温度控制器，变桨控制器通过温度传感器实时采样轴控柜和电池箱的温度，当温度低于阈值时开启加热单元，防止风电场低温下变桨系统无法正常工作。

本发明中，每个轴控柜还配备一个备用电源柜用于紧急情况下的备用电源，备用电源采用超级电容作为储能元件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、目前流行的变桨系统设计方案多为7柜控制系统，包括一个中控柜、3个轴控柜和3个后备电源柜，这种设计方式虽然结构简单，但是由于通讯触电较多，实际运行中故障概率较高；本发明6柜系统将变桨控制器放置在一个轴控柜内，不仅减少了变桨控制器与伺服驱动器之间的连线，降低了通讯故障率，同时减小了整个变桨系统的体积。

2、现有的风力发电电动变桨系统多采用单CAN总线通讯方式，一旦检测到故障则紧急顺桨，导致输出功率波动较大不利于发电稳定；本发明采用双CAN总线通讯方式，一旦检测一条CAN总线发生通讯故障则切换到备用CAN总线进行数据传输，这样大大降低了总线通信故障概率。

3、早期的变桨系统基本采用直流电机作为执行单元，直流电机具有控制简单的优点，但是受其结构的限制，存在不易维护、运行有火花等缺点，影响到变桨系统的安全可靠运行；随着交流伺服系统的发展，有一些厂家开始采用异步电机作为变桨执行机构，但是异步电机控制精度不够良好，虽然转矩较大但是体积相对也较大，不适合轮毂空间紧张的要求；本发明采用交流永磁同步电机作为变桨执行单元，控制精度高、体积小、结构简单，很好地满足变桨系统的要求。

4、现有的变桨系统多采用内封装式散热片，通过散热风扇进行散热。这样增大了柜体体积，而且须额外增加散热装置；本发明设计了穿墙式散热器，散热器底座伸出柜体外，根据变桨系统实际运行温度无须配备额外的散热装置。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2变桨控制器I/O口示意图。

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。以下实施例中没有详细说明的技术内容，按照现有技术或者常规技术手段实现。

如图1所示，本实施例提供一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，包括3个轴控柜#1、#2、#3，附带3个后备电源柜#1、#2、#3，其中变桨控制器放置在其中轴控柜#3中，通过CAN总线和另外两台轴控柜#1、#2通讯。所述变桨控制器采用PLC作为上位机，负责整个变桨系统的通讯、指令下达、状态机和保护等功能；轴控柜#1、#2、#3内各安装一台伺服驱动器#1、#2、#3，所述伺服驱动器#1、#2、#3连接并控制三相交流永磁同步电机，同时实现部分模拟量采集功能。

本实施例系统配制备用CAN总线，轴控柜内变桨控制器和伺服驱动器均独立配备2个CAN模块，既可以以备用的方式通讯，实际操作中主站也可以分时发送数据，从站接受后经延时对数据进行对比判断通信功能是否正常。变桨控制器接受风机主控的桨距角信号，进行处理后通过CAN总线发送角度给3个伺服驱动器#1、#2、#3，伺服驱动器#1、#2、#3接受角度信号后调制驱动电路控制电机启动，并产生相应的转矩和转速，驱动桨叶旋转。

本实施例系统将一个轴控柜#设为电源进线柜，负责再和其余轴柜#2、#3相连，为电机供电以及给备用电源充电，正常情况下交流电接入开关电源为控制电路、驱动电路以及显示屏供电，当开关电源发生故障时切换到备用开关电源供电。

本实施例中，每个轴控柜和电源柜均设有温度控制器，由变桨控制器控制当温度低于阈值时开启加热单元。

本实施例中，每个轴控柜#1、#2、#3连接一个伺服电机，并且设有编码器、温度传感器实时采样。交流永磁同步电机设有旋转编码器，同时桨叶侧配有冗余编码器，正常工作中两者比较，防止编码器损坏。

本发明中，三个轴控柜#1、#2、#3，其中负责整个系统配电的一个轴控柜#1安装有防雷模组、开关元件。

本实施例中，每个伺服系统（图中伺服驱动器、减速箱、伺服电机、制动器、电机编码器等构成）配备一台独立备用电源，并联在直流母线上，备用电源采用超级电容串联模块构成储能元件，总共包括4个超级电容模块#1、#2、#3、#4，模块串联后正负极和直流母线相连，电源柜出线端设有电压互感器，电压互感器二次侧和变桨控制器相连，用于充电控制。每个独立的超级电容模块内安装均衡电路，通过主动均衡的方式控制超级电容电压一致性。

本实施例中，每个轴控柜还设有穿墙式散热器将柜内的功率器件产生的热量排出轨外。

本实施例中，所述伺服驱动器采用DSP实现电机控制和通讯等功能。

本实施例中，变桨控制器与伺服驱动器都设有I/O输入输出模块。

本实施例中，为了防止开关电源故障导致控制器无法正常工作，系统三个轴控柜均配备双开关电源。

本实施例中，三个轴控柜#1、#2、#3均设有限位开关。

如图2所示，变桨控制器I/O口示意图。其中：备用电源柜内4超级电容模块串联使用，伺服控制器采样得到其端电压，通过CAN总线传输给变桨控制器，一旦电压出现异常则进入紧急模式。柜内还设有温度传感器，温度低于阈值时，加热器启动。

变桨控制器和伺服驱动器之间通过I/O口传输逻辑控制信号，包括桥接信号、安全链信号、PLC使能信号、顺桨信号、插接检测以及润滑机油信号。当变桨控制器进入手动模式时，桥接信号置位；出现严重安全故障时安全链断开；风机主控发送顺桨命令时，顺桨信号置位。

本实施例上述系统正常工作状态下，变桨控制器通过Profibus接受桨距角信号和I/O控制信号，根据当前的反馈值判断工作模式，完成逻辑状态切换，然后通过数据处理后将桨距角信号通过CAN总线发送给三个伺服驱动器，同时发送I/O信号。伺服驱动器接受到位置信号和I/O信号后计算得出转速和电流的给定值，通过预设的矢量控制算法控制三相交流永磁同步电机转动。电机连接高精度旋转编码器，用于反馈实时转速，霍尔传感器采样得到电机相电流反馈电流值，与此同时，伺服驱动器通过CAN总线将电机实时转速、电流大小以及超级电容电压发送给变桨控制器用于实时工况判断。此外，桨叶编码器测量实时桨距角发送给变桨控制器，反馈桨叶位置；每个轴控柜和电源柜设有温度传感器，实时温度值发送给变桨控制器用于温度控制。

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 (10)

1.一种基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于包含三个轴控柜，以及所述三个轴控柜的三个备用电源柜，其中一个轴控柜中放置变桨控制器，所述变桨控制器通过CAN总线和另外两台轴控柜通讯；所述变桨控制器采用PLC作为上位机，负责整个变桨系统的通讯、指令下达、状态机和保护；每个轴控柜内安装一台伺服驱动器，所述伺服驱动器连接并控制一台交流永磁同步电机，同时实现部分模拟量采集功能。

2.根据权利要求1所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述变桨控制器以及每个轴控柜内的伺服驱动器均配置两个独立的CAN总线模块，采用CANopen协议进行通讯，双CAN总线相互独立传输数据，互为冗余。

3.根据权利要求2所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述每个轴控柜设有散热装置，所述散热装置采用穿墙式散热器，及时将轴控柜内的功率元件热量排出柜体。

4.根据权利要求3所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述每个轴控柜及其备用电源柜均设有加热装置，加热装置在系统检测到低温的情况下启动工作。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述交流永磁同步电机设有旋转编码器，同时桨叶侧配有冗余编码器。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述变桨控制器与伺服驱动器都设有I/0输入输出模块。

7.根据权利要求1-4任一项所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述系统设有柜体加热单元，每个轴控柜和电源柜均设有温度控制器，变桨控制器通过温度传感器实时采样轴控柜和电池箱的温度，当温度低于阈值时开启加热单元。

8.根据权利要求1-4任一项所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述每个轴控柜配备一个备用电源柜用于紧急情况下的备用电源，备用电源采用超级电容作为储能元件。

9.根据权利要求8所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述备用电源，并联在直流母线上，备用电源采用超级电容串联模块构成储能元件，总共包括4个超级电容模块，这些模块串联后正负极和直流母线相连，电源柜出线端设有电压互感器，电压互感器二次侧和变桨控制器相连，用于充电控制；每个独立的超级电容模块内安装均衡电路，通过主动均衡的方式控制超级电容电压一致性。

10.根据权利要求1-4任一项所述的基于交流永磁同步电机的风电变桨控制系统，其特征在于：所述三个轴控柜均配备双开关电源。

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