CN103016265B - 一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨系统 - Google Patents

一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨系统 Download PDF

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Abstract

一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨系统。所述的变桨系统由主控制单元和三个驱动单元组成。主控制单元分别与三个驱动单元通过电缆连接；动力电缆为驱动单元提高供电，信号电缆实现主控制单元和驱动单元的控制信号传递。本发明采用三个异步电动机作为变桨电机分别驱动三个桨叶；并能够通过电机的星接/角接变换实现电压等级的变换。交流变桨系统正常工作时，由电机驱动器驱动变桨电动机进而控制桨叶的桨距角，当任何一个电机驱动器故障情况，交流变桨系统将自动切入到电网供电驱动变桨电机顺桨，在到达顺桨位置后自动断电网电源。在电网供电顺桨过程，如出现电网故障则切换到电机驱动器，由后备电源供电给电机驱动器供电实现非故障轴的顺桨操作。

Description

一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的变桨装置，特别涉及采用交流电机的变桨装置。
背景技术
风力发电机组中的变桨系统起到调节功率和气动刹车的作用。为了保障风力发电机组的安全，变桨系统必须在出现任何情况时能够实现顺桨，如果不能够实现顺桨可能导致风力发电机组飞车、塔架倒塌等灾难性后果。
目前，风力发电机组广泛采用电动变桨系统，电动变桨系统主要有直流变桨系统和交流变桨系统两种，直流变桨系统在紧急情况下可以通过将蓄电池投切到直流电机电枢上实现顺桨，但直流变桨系统存在成本偏高，且直流电机换向装置需要定期维护等缺点；相对直流变桨系统交流变桨系统成本低，电机体积小，但交流在紧急情况下需要电机驱动器驱动变桨电机实现顺桨，如果电机驱动器出现故障则相应的轴将不能实现顺桨动作。
为了解决上述技术问题，中国发明专利200910090287.0“一种用于风电发电变桨的冗余控制系统级方法”公开了一种具备冗余控制电路的变桨系统，这种变桨系统通过增加冗余器件如接触器、制动装置等来提高系统的可靠性，大大增加了系统成本和设计难度。
中国实用新型专利201010248386“风力发电机的变桨控制单元及其装置”公开了一种交流变桨系统，可以实现在电机驱动器故障情况使用电网进行顺桨，但由电机在电网供电和电机驱动器供电时没有采用星角变换，即电机驱动器驱动电机时电机的额定电压与电网驱动时相同，这就需要具备更高电压等级的直流后备电源，这种变桨系统的现实应用价值不高。
发明内容
本发明目的在于克服现有的交流变桨系统在电机驱动器故障时不能够完成顺桨的缺点，提出一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨装置，本发明可实现交流变桨系统在电机驱动器故障情况下完成顺桨。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明采用异步电机作为变桨电机，在电机驱动器正常情况，采用电机驱动器驱动电机，在电机驱动器故障时，切换到电网供电。切换过程是通过继电器、接触器逻辑完成的。
所述的变桨系统由主控制单元和三个驱动单元组成。主控单元通过动力电缆和信号电缆和三个驱动单元连接。动力电缆为驱动单元提高供电，信号电缆实现主控制单元和驱动单元的控制信号传递。
主控制单元包含PLC（可编程逻辑控制器），开关电源，配电单元等。所述的配电单元起继电保护的作用，由断路器组成。配电单元输入为三相400V交流电源，配电单元的三相交流电源输出的第一相和中线与开关电源的输入相连接，并且配电单元还与三个驱动单元相连接，给电机驱动器供电。开关电源输入230V交流电，输出为24V直流电，其输出为PLC提供电源。PLC采集桨距角信号、变桨电机电流信号，输出模拟量电压信号给驱动单元的驱动器，这个模拟量电压信号作为变桨电机的转速给定信号。
每个驱动单元包括一组后备电源、一个电机驱动器、一台变桨电机、电网电压监控模块、接触器，以及限位开关。后备电源与电机驱动器的直流母线相连接。变桨电机通过第一接触器连接到电机驱动器的输出端，变桨电机通过第四接触器与电网相连接。限位开关的常闭触点串联第三接触器和第四接触器的控制回路中，电网电压监控模块的测量端与电网直接相连，检测电网电压跌落，电网电压监控模块的一个继电器触点串联到第一继电器的供电回路中，第一继电器用于控制电机的第三接触器和第四接触器的投切。
当变桨系统工作正常时，主控制单元的PLC接收上位机的指令，并根据指令控制所述的驱动单元的驱动器，进而控制所述变桨电机启动叶片到达给定的桨距角。
所述的电机驱动器具有故障反馈常开触点，当电机驱动器故障时该常开触点断开。如果三个驱动单元中任意一个电机驱动器发生故障，并且电网正常，此时切换到电网进行顺桨，变桨电机驱动桨叶运动，当桨叶撞到限位开关时自动切断电源；若电网出现故障，并且超过低电压穿越时间，则自动触发电机驱动器顺桨，顺桨到限位开关位置便自动切断电源。上述紧急顺桨过程不需要主控制单元控制，由驱动单元自主完成。
电网故障优先级高于电机驱动器故障，当出现电机驱动器发生故障时通过硬件逻辑控制会自动切换电网顺桨；若电网停电，将由电网电压监控模块检测出，并能够通过硬件逻辑自动切换到电机驱动器，无论电机驱动器故障与否。
附图说明
图1变桨系统整体框图；；
图2驱动单元主电路原理图；
图3电网驱动电机和电机驱动器驱动电机的逻辑切换电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1是本发明变桨系统整体框图。如图1所示，本发明变桨系统由主控制单元301、第一驱动单元302、第二驱动单元303和第三驱动单元304构成。其中主控制柜主要由PLC，配电单元，开关电源等器件构成。
所述的变桨系统由主控制单元和三个驱动单元组成。主控单元通过动力电缆和信号电缆和三个驱动单元连接。动力电缆为驱动单元提高供电，信号电缆实现主控制单元和驱动单元的控制信号传递，三个驱动单元之间无电气连接。
主控制单元包含PLC，开关电源和配电单元等。所述的配电单元起继电保护的作用，由断路器组成。配电单元输入为三相400V交流电源，三相电源第一相标记为L1，第二相标记为L2，第三相标记为L3，电源中线标记为N，电源的地标记为PE。配电单元输出第一相L1和电源中线N与开关电源的输入相连接，并且配电单元的输出还与三个驱动单元相连接，给内个驱动单元的电机驱动器供电。开关电源输入230V交流电，输出为24V直流电，其输出为PLC提供电源。PLC采集桨距角信号、变桨电机电流信号，输出模拟量电压信号传送给驱动单元的驱动器，所述的模拟量电压信号作为变桨电机的转速给定信号。
图2所示为本发明的变桨系统驱动单元主电路框图。
本发明的变桨系统包括三个驱动单元。每个驱动单元包括：变桨电机103、后备电源104、电机驱动器102、限位开关、接触器，以及电网电压监控模块201。后备电源104通过一个二极管D1与电机驱动器的直流母线相连接，后备电源104在电网电压跌落或者电网停电时为电极驱动器102提供电力支撑。变桨电机103通过第一接触器K1连接到电机驱动器102的输出端，变桨电机103通过第四接触器K4与电网相连接。第二接触器K2和第三接触器K3用于变桨电机的星形连接和角形连接的切换，当第二接触器K2闭合、第三接触器K3断开时变桨电机为角形连接，当第三接触器K3闭合，第二接触器K2断开时，变桨电机为星形连接。限位开关的常闭触点串联在第三接触器K3和第四接触器K4控制回路中。电网电压监控模块的测量端与电网直接相连，检测电网电压跌落，电网电压监控模块中的第一继电器触点串联到第二继电器K5的供电回路中，第二继电器K5用于在电网停电时控制四个接触器K1、K2、K3和K4的投切。
图3是电网驱动变桨电机和电机驱动器驱动变桨电机的逻辑切换电路。
如图3所示，第一接触器K1和第二接触器K2闭合时，由电机驱动器驱动变桨电机，变桨电机的接线方式为角形连接，电机额定电压为230V；当第三接触器K3和第四接触器K4闭合时，变桨电机由电网直接驱动，此时变桨电机的接线方式为星形连接，电机的额定电压为400V。
四个接触器K1，K2和K3，K4为互锁设计，当第一接触器K1或第二接触器K2闭合时，第三接触器K3和第四接触器K4不能够吸合，同样，当第三接触器K3或第四接触器K4闭合时，第一接触器K1和第二接触器K2不能够吸合。第二接触器K2和第三接触器K3用于变桨电机的星-角连接变换，第二接触器K2吸合时变桨电机为角形连接，第三接触器K3吸合时变桨电机为星形连接。
当任意一个电机驱动器出现故障时，第三继电器K6线圈断电，如果电网电压正常，第二继电器K5线圈得电，则第一接触器K1和第二接触器K2断开，第三接触器K3和第四接触器K4吸合，电网拖动变桨电机顺桨，当桨叶撞到限位开关时，第三接触器K3和第四接触器K4断开，变桨电机停止；电网电压监控模块201检测电网电压，当电网电压低于设定值时，电网电压监控模块内部的继电器断开，第二继电器K5线圈失电，此时将由电机驱动器驱动变桨电机。
后备电源104通过一个二极管D1与电机驱动器的直流母线相连接，所述的后备电源104可以是铅酸蓄电池组，也可以是超级电容器组。后备电源是在电网停电时为变桨系统提供能量，保证完成顺桨操作。
本发明变桨系统在电网电压跌落后持续时间超出风电机组低电压穿越标准要求的时候后，将触发电机驱动器自主顺桨。

Claims (4)

1.一种采用电网驱动紧急顺桨的交流变桨系统，所述变桨系统由主控制单元和三个驱动单元组成；主控制单元分别与三个驱动单元通过电缆连接，所述的电缆包括动力电缆和信号电缆；动力电缆为驱动单元提高供电，信号电缆实现主控制单元和驱动单元的控制信号传递，其特征在于：
所述的驱动单元包括：变桨电机(103)、后备电源(104)、电机驱动器(102)、限位开关、接触器，以及电网电压监控模块(201)；后备电源(104)通过一个二极管与电机驱动器的直流母线相连接，后备电源(104)在电网电压跌落或者电网停电时为电机驱动器(102)提供电力支撑；变桨电机(103)通过第一接触器(K1)连接到电机驱动器(102)的输出端，变桨电机(103)通过第四接触器(K4)与电网相连接；第二接触器(K2)和第三接触器(K3)用于变桨电机的星形连接和角形连接的切换，当第二接触器(K2)闭合、第三接触器(K3)断开时变桨电机为角形连接，当第三接触器(K3)闭合，第二接触器(K2)断开时，变桨电机为星形连接；限位开关的常闭触点串联在第三接触器(K3)和第四接触器(K4)控制回路中；电网电压监控模块的测量端与电网直接相连，检测电网电压跌落，电网电压监控模块中的第一继电器触点串联到第二继电器(K5)的供电回路中，第二继电器(K5)用于在电网停电时控制四个接触器(K1、K2、K3、K4)的投切。
2.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于：所述的变桨系统在电机驱动器(102)正常工作情况时，变桨电机为角形接法，其额定电压为230V，采用电机驱动器(102)驱动变桨电机(103)工作；在电机驱动器故障顺桨情况下，变桨电机自动切换到星形接法，其额定电压为400V，此时切换到电网供电，由电网直接驱动变桨电机顺桨。
3.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于：所述的电网电压监控模块(201)检测电网电压，当电网电压低于设定值时，电网电压监控模块(201)内部的继电器断开，第二继电器(K5)线圈失电，此时将由电机驱动器(102)驱动变桨电机(103)。
4.根据权利要求1或2所述的变桨系统，其特征在于：四个接触器(K1，K2、K3，K4)为互锁设计，当第一接触器(K1)或第二接触器(K2)闭合时，第三接触器(K3)和第四接触器(K4)不能够吸合。
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