CN103603768B - 大功率风力发电机组的变桨控制系统及充电管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率风力发电机组的变桨控制系统及充电管理控制方法，所述大功率风力发电机组的变桨控制系统与交流电电性连接，其包括充电装置、备用电源、驱动器、变桨电机以及控制单元，该充电装置、驱动器、变桨电机依次电性连接，且该充电装置与驱动器之间并联该备用电源和控制单元；该充电装置将交流电转换为直流电输入至驱动器，该驱动器将直流电转换为频率和幅值能够调节的交流电驱动变桨电机转动，且该充电装置供该备用电源充电；该充电装置包括多个分别并联在交流电与驱动器之间的充电器。本发明采用多个充电器并联连接，不但可以提高系统所需要的功率，而且每个并联的充电器独立散热，延长了设备的使用寿命，同时便于维护。

Description

大功率风力发电机组的变桨控制系统及充电管理控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子设备、通讯控制技术领域，特别涉及一种大功率风力发电机组的变桨控制系统以及使用该大功率风力发电机组的变桨控制系统的充电管理方法。

背景技术

近年来，随着风力发电机组设计水平的不断提高，越来越多的大功率风力发电机组开始设计与应用，大都采用三叶片变桨控制系统。变桨控制系统在风力发电机组中是一种伺服控制系统，它以桨叶的位置为控制对象，通过控制叶片沿其轴向的转动来改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机输出功率保持稳定的控制方式。它的控制方式有电动变桨控制系统和液压变桨控制系统。电动变桨控制系统是利用电机的转动来实现对桨叶位置的调节，一般包括变桨电机、驱动器、控制单元、备用电源。

如图1所示的一种变桨控制系统的主拓扑架构图。图1变桨控制系统主拓扑架构主要由充电器1、备用电源2、驱动器3、变桨电机4、电源模块5、控制电路6组成，其中控制单元包括电源模块5、控制电路6。

变桨控制系统是保障风力发电机组整体安全性的关键环节，系统正常工作时，变桨动作需要的电能主要由三相交流电网提供；当给变桨控制系统供电的电网出现故障或电压掉电时，设计的备用电源2来提供能量，直接给变桨控制系统供电，保证整套变桨电控系统内部电路正常工作前提下，足以使叶片顺桨到安全位置，保证机组安全。

备用电源2的电能量需要充电器1进行充电补充，图1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在该变桨控制系统中起到两个作用：第一，转换成直流电供备用电源进行充电；第二，作为变桨驱动的主回路，提供变桨的能量转换。

随着风力发电机组设计的叶片和功率越来越大，变桨载荷增大，控制所需的功率和能量也相应增大，上述变桨控制系统所需充电器的功率也相应增大，如果按照目前单个大功率充电器的设计方法，将存在不易散热，体积大，维护困难等问题。变桨控制系统是变桨变速型风力发电机组的核心子系统之一，它不仅是风力发电机组功率调节的主要手段，同时也是变桨变速型风力发电机组安全停机的唯一手段，这无疑将对变桨控制系统的可靠性提出更高的要求。而且鉴于充电器在变桨控制系统中的重要性，因此，需对变桨控制系统的充电管理控制技术提出更高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种大功率风力发电机组的变桨控制系统以及使用该大功率风力发电机组的变桨控制系统的充电管理方法，可提高充电器的输出功率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大功率风力发电机组的变桨控制系统，与交流电电性连接，其包括充电装置、备用电源、驱动器和变桨电机，该充电装置、驱动器、变桨电机依次电性连接，且该充电装置与驱动器之间并联该备用电源；该充电装置将交流电转换为直流电输入至驱动器，该驱动器将直流电转换为频率和幅值能够调节的交流电驱动变桨电机转动，且该充电装置供该备用电源充电；所述充电装置包括多个分别并联在交流电与驱动器之间的充电器。

作为优选方案，所述大功率风力发电机组的变桨控制系统还包括控制单元，该控制单元包括直流电源模块和控制电路，所述充电装置与该驱动器之间并联连接该直流电源模块，且该直流电源模块电性连接该控制电路，该直流电源模块将由该充电装置转换的或该备用电源提供的直流电转换成该控制电路所需的工作电压。

作为优选方案，所述变桨控制系统还包括反馈各所述充电器故障信息至所述控制电路的继电器。

作为优选方案，各该充电器与所述控制电路通过PROFIBUS现场总线、CAN总线或RS485总线通讯连接。

作为优选方案，所述充电器与交流电之间均电性连接有开关。

作为优选方案，所述开关为空气开关。

作为优选方案，各所述充电器成环形连接，且任意相邻的两个所述充电器之间连接有控制所述充电器输出相同电流的均流信号线。

作为优选方案，所述充电器的数量至少为3个。

本发明提供的另一种技术方案：

一种使用大功率风力发电机组的变桨控制系统的充电管理控制方法，该充电管理控制方法包括：

A、设定整机系统正常运行时充电器正常工作的最少数量，并开启充电器的监控状态；

B、检测充电器是否正常工作，如果是则执行步骤C，否则自动切除故障充电器；

C、统计并联充电器正常工作的数量；

D、判断是否超出设定的充电器正常工作的最少数量，如果是则变桨控制系统执行停机，否则变桨控制系统正常运行。

本发明达到的技术效果如下：

1、本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统中多个充电器并联连接，不但可以提高系统所需要的功率，而且每个并联的充电器独立散热，延长了设备的使用寿命，同时便于维护。

2、通过通讯控制实现对多个充电器故障识别及充电参数数据信息的监测和控制，使得充电系统能得到及时的故障分析和处理，并为进一步优化设计提供数据信息，提高充电控制系统的智能化。

3、本发明采用多个充电器的冗余设计管理方式，每个充电器的输入端独立设计空气开关，一旦本机出现故障，系统可独立切出故障充电器的输入和输出端，而不影响整个系统其它充电器的正常工作，并且根据系统正常工作所需最少的充电器数量来判断整机是否停机顺桨到安全位置。

4、本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统中并联连接的充电器采用均流调节控制，简单易实现，提高大电流快速充电的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为一种现有的变桨控制系统的结构示意图；

图2为本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统的结构示意图；

图3为本发明中N个充电器的均流控制原理示意图；

图4为本发明中N个充电器与控制单元的通讯连接图；

图5为本发明充电管理方法的流程图；

图6为监控备用电源控制原理流程图。

【主要部件的符号说明】

充电器1

备用电源2

驱动器3

变桨电机4

电源模块5

控制电路6

充电装置10

充电器11

充电器111

充电器112

充电器11N

空气开关12

备用电源20

驱动器30

变桨电机40

直流电源模块50

控制电路60。

具体实施方式

如图2所示，本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统包括充电装置10、备用电源20、驱动器30和变桨电机40，其中，充电装置10、驱动器30、变桨电机40依次电性连接，充电装置10将交流电转换直流电输入至驱动器30，驱动器30将直流电转换为频率和幅值可调的交流电驱动变桨电机40转动；且充电装置10与驱动器30之间并联备用电源20。

充电装置10包括多个分别并联在交流电与驱动器30之间的充电器11，每个充电器11可以是三相输入，即充电器11的输入端连接三相交流电的L1、L2、L3、PE，当然，充电器11还可以是单相输入，即充电器11的输入端连接零线和火线。在本实施例中，充电器11的输入端为三相输入（如图2所示）。充电器11将输入的三相交流电转换成直流电，直流输出端为直流母线。在直流母线的正、负极之间并联备用电源20，其中备用电源20可以为超级电容或者为各种电池，但并不限于此。备用电源20的电能需要充电器11进行充电补充。直流母线上的电压输入到驱动器30，驱动器30将直流电转换成频率和幅值可调的交流电，为变桨电机40供电。驱动器30根据设计的控制算法来驱动变桨电机40的动作，控制变桨电机40的转动速度。

多个充电器11并联充电方式，使得每个并联的充电器11相对单个大功率充电器而言，散热控制更容易，且体积小、重量轻，便于机组运行的维护。

另外，本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统还包括一控制单元，该控制单元包括直流电源模块50和控制电路60，充电装置10与驱动器30之间的正、负电极间并联连接直流电源模块50，且直流电源模块50电性连接控制电路60，直流电源模块50将由主回路的直流母线上的电压换成控制电路60中的控制器及电气元件所需的工作电压，在本实施例中，所述工作电压为24V。

其中，各充电器11与三相交流电之间均电性连接有开关，在本实施例中，所述开关为空气开关12。一旦某个充电器11出现故障，则系统可以通过相对应的空气开关12独立切除故障的充电器11的输入端和输出端，而不影响整个系统中其他充电器11的正常工作。

此外，为避免出现单个充电器11的负载过大而产生过热现象，还需要在多个充电器11之间均流控制。各充电器11成环形连接，且任意相邻的两个充电器11之间连接有控制充电器11输出相同电流的均流信号线。每个充电器11有两组均流信号线，每组均流信号线主要包括三根信号线，分别为本机信号电流、另一个充电器的电流信号和信号地。充电器11的数量至少为3个。

如图3所示为本发明N个充电器均流控制原理示意图。其中，N≥3。与充电器111相邻的两个充电器分别为充电器11N和充电器112。则充电器111通过连接充电器11N的均流信号I_N-ave、充电器112的均流信号I_2-ave和本机的电流信号I_1-ave，所连接的均流信号参与PID比例积分微分运算，控制输出均流大小；与充电器112相连的两个充电器分别为充电器111和充电器113，则充电器112通过连接充电器111的均流信号I_1-ave、充电器113的均流信号I_3-ave和本机电流信号I_2-ave，所连接的均流信号参与PID比例积分微分运算，控制输出均流大小；充电器1N连接的均流信号I_1-ave、I_N-1-ave和本机信号I_N-ave分别参与PID比例积分微分运算，控制输出均流大小。N个充电器形成闭环控制，最终N个充电器通过均流电路的控制，实现每一个充电器的输出电流为N个充电器总电流的平均值。

均流电路调节控制简单易实现，可提高大电流快速充电的稳定性和可靠性。当然还可以通过通讯方式来传递各个充电器的电流等参数以达到均流充电的效果，但是该控制方式相对于本发明所涉及的均流控制更复杂，且实时性不高。

本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统还包括反馈各充电器11的故障信息到控制单元中的控制电路60中的继电器（图中未示出）。当充电器11出现输入端过压、欠压、缺相、三相掉电以及输出过压等故障现象时，可通过所述继电器的硬件触点形式将故障信息反馈到控制电路60中的控制器中。但是为识别充电器的故障类型，各充电器11与控制电路60通过PROFIBUS现场总线、CAN总线或RS485总线通讯连接。图2和图4所示为CAN总线通讯连接，但并不以此为限。通过对系统通讯协议帧格式、指令、波特率等应用数据进行定义应用通讯协议，使各充电器11定时向控制电路60发送充电器11的相关数据信息，从而实现对所有充电器的故障识别和充电参数数据信息及时、准确的传递，最终确保机组能够正常、安全运行。

如图5所示为本发明充电管理方法的流程图，使用本发明大功率风力发电机组的变桨控制系统的充电管理方法包括以下步骤：

步骤700、设定整机系统正常运行时充电器正常工作的最少数量，并开启充电器的监控状态。

这里主要是控制电路60中的控制器通过通讯连接的方式实现硬件和软件监控多个充电器的工作状态。通过对系统整体的功率能量计算和对每个充电器的功率能量的计算，设定出现多少个充电器故障后，整机系统仍然正常工作，如出现故障的充电器数量超过系统设定的最少数量，则整个系统进行安全停机。

步骤701、检测充电器是否正常工作，如果是则执行步骤702，否则自动切除故障充电器。

并联中的每个充电器11输入回路独立设计，一旦充电器11出现故障，系统会自动开启相对应的空气开关12，以切除该充电器11，而其他充电器11仍能正常工作。

步骤702、统计并联充电器正常工作的数量。

步骤703、判断是否超出设定的充电器正常工作的最少数量，如果是，则变桨控制系统执行停机，否则变桨控制系统正常运行，并继续监控充电器的工作状态。

通过通讯方式，实现对各个充电器11单独运行的远程启停等控制，从而调整变桨控制系统的正常运行或者停机，节省系统运行维护的频率和时间，提高了整机系统的性能和可利用率，也提高了系统的自动控制程度。

如图6所示为监控备用电源控制原理流程图。如图6所示，在本发明中变桨控制器根据设定的条件来判断是否开始执行监测系统中备用电源的寿命，一旦检测到需要测试备用电源的寿命的指令，则通过通讯方式(通讯方式可以是PROFIBUS，CAN或RS485)执行远程控制充电器关闭指令，并实时监控系统中备用电源放电的电流电压等参数，通过计算公式和软件算法来实现对备用电源的寿命等参数计算，并判断备用电源的寿命等参数是否正常，如果备用电源的寿命等参数指标不在设计要求范围内，则执行停机和维护处理，从而进一步保证整机的安全可靠性；否则，远程控制充电器恢复正常工作。

本发明通过通讯方式对每个充电器进行远程启停等控制，实现对备用电源的充电、放电控制及参数监控，从而可以达到对备用电源的参数和寿命进行智能监控，进一步提高系统的安全性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大功率风力发电机组的变桨控制系统，与交流电电性连接，其包括充电装置、备用电源、驱动器和变桨电机，该充电装置、驱动器、变桨电机依次电性连接，且该充电装置与驱动器之间并联该备用电源；该充电装置将交流电转换为直流电输入至驱动器，该驱动器将直流电转换为频率和幅值能够调节的交流电驱动变桨电机转动，且该充电装置供该备用电源充电；其特征在于，所述充电装置包括多个分别并联在交流电与驱动器之间的充电器；各所述充电器成环形连接，且任意相邻的两个所述充电器之间连接有控制所述充电器输出相同电流的均流信号线。

2.根据权利要求1所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述大功率风力发电机组的变桨控制系统还包括控制单元，该控制单元包括直流电源模块和控制电路，所述充电装置与该驱动器之间并联连接该直流电源模块，且该直流电源模块电性连接该控制电路，该直流电源模块将由该充电装置转换的或该备用电源提供的直流电转换成该控制电路所需的工作电压。

3.根据权利要求2所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述变桨控制系统还包括反馈各所述充电器故障信息至所述控制电路的继电器。

4.根据权利要求2所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，各该充电器与所述控制电路通过PROFIBUS现场总线、CAN总线或RS485总线通讯连接。

5.根据权利要求1所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述充电器与交流电之间均电性连接有开关。

6.根据权利要求5所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述开关为空气开关。

7.根据权利要求1所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统，其特征在于，所述充电器的数量至少为3个。

8.一种使用权利要求1~7中任一项所述的大功率风力发电机组的变桨控制系统的充电管理控制方法，其特征在于，该充电管理控制方法包括：

A、设定整机系统正常运行时充电器正常工作的最少数量，并开启充电器的监控状态；

B、检测充电器是否正常工作，如果是则执行步骤C，否则自动切除故障充电器；

C、统计并联充电器正常工作的数量；

D、判断是否超出设定的充电器正常工作的最少数量，如果是则变桨控制系统执行停机，否则变桨控制系统正常运行。