CN104300565A - 一种变桨系统和变桨系统供电方法 - Google Patents

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王艳领
李朝锋
田素立
代兴华
李红刚
朱洪浩
刘德林
王萌
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Abstract

本发明涉及一种变桨系统和变桨系统供电方法。一种变桨系统，包括一个储能装置，储能装置输入端连接供电电源进线端，输出端连接变桨驱动装置，储能装置包括AC/DC整流器4、双向DC/DC变换器6、储能元件8、DC/AC逆变器9、双向DC/DC变换器6、储能元件8。一种变桨系统供电方法，当变桨驱动装置侧负载在变桨驱动装置额定功率或大于变桨驱动装置额定功率设定范围内运行时，或者储能元件的电压值小于储能元件设定上限值时，或者风机变桨载荷不超过设定值时，储能元件充电；当变桨驱动装置侧负载出现瞬间短时尖峰功率并超过主供电变桨功率设定上限值时，或者风机变桨载荷超过设定值时，储能元件放电。

Description

一种变桨系统和变桨系统供电方法
技术领域
本发明涉及一种变桨系统和变桨系统供电方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
风力发电是风能利用的重要形式，风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。随着世界能源消耗的加快，传统能源储量的减少，风力发电这种绿色能源越来越得到重视，并具有取之不尽用之不竭的优势。世界各国都出台各项政策大力扶持风电产业，近几年我国的风电产业也得到了飞速发展，随着并网型风电机组成为风电利用的最好形式，国内外风力发电机组逐步向大型化方面发展。
大型风力发电机组的不断发展使电动变桨系统的持续应用面临新的挑战，目前，为了稳定变桨系统输入功率，增强风机变桨系统供电电源、线路及滑环的安全性和可靠性，采用增大供电电缆的直径的方式，但是这种方式也带来了很大的弊端，比如：安装的不便，布线工艺复杂、难度大的问题，难以保障变桨主供电电源的变桨载荷要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变桨系统和变桨系统供电方法，用以解决目前为了稳定变桨系统输入功率，增强风机变桨系统供电电源、线路及滑环的安全性和可靠性，采用的方式安装不便，布线工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：一种变桨系统，包括一个储能装置，储能装置输入端连接供电电源进线端，输出端连接变桨驱动装置。储能装置包括AC/DC整流器4、双向DC/DC变换器6、储能元件8、DC/AC逆变器9；AC/DC整流器4的交流侧连接供电电源进线端，DC/AC逆变器9的交流侧连接变桨驱动装置10；双向DC/DC变换器6有两种连接方式：一种：AC/DC整流器4的直流侧、双向DC/DC变换器6、DC/AC逆变器9的直流侧依次串接，储能元件8连接双向DC/DC变换器6；另一种：AC/DC整流器4的直流侧连接DC/AC逆变器9的直流侧，双向DC/DC变换器6一端连接AC/DC整流器4的直流侧，另一端连接储能元件8。
储能元件8为一个超级电容，或者两个及以上超级电容的串联、并联或者串并联混合连接。
储能装置装配在风力发电机组轮毂内。
双向DC/DC变换器6通过限流电阻7连接储能元件8。
一种基于上述变桨系统的变桨系统供电方法，当变桨驱动装置侧负载在变桨驱动装置额定功率或大于变桨驱动装置额定功率设定范围内运行时，或者储能元件的电压值小于储能元件设定上限值时，或者风机变桨载荷不超过设定值时，储能元件充电；当变桨驱动装置侧负载出现瞬间短时尖峰功率并超过主供电变桨功率设定上限值时，或者风机变桨载荷超过设定值时，储能元件放电。
储能元件充电和放电过程为互锁设置，启动放电过程优先级高于启动充电过程。
本发明提供一种变桨系统，包括一个储能装置，该储能装置利用AC/DC整流器、DC/AC逆变器为储能元件进行充电和放电，结构简单，便于安装；在满足一定条件时，进行充电和放电，对变桨驱动装置的输入电源提供了一定的功率缓冲，稳定了变桨系统的输入功率，增强风机变桨系统的供电电源、线路及滑环的安全性和可靠性，减小大功率风电机组变桨供电电缆用量，解决了为完全满足大型风电机组电动变桨系统变桨载荷要求而导致供电电缆直径大带来的安装、布线工艺问题，保障了变桨主供电电源的变桨载荷要求。
附图说明
图1是具体实施方式中变桨系统的结构示意图；
图2是图1的简易变换图；
图3是本发明变浆系统另一种连接图；
图4是具体实施方式中供电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
一种变桨系统，包括一个储能装置，储能装置输入端连接供电电源进线端，输出端连接变桨驱动装置，储能装置包括AC/DC整流器4、双向DC/DC变换器6、储能元件8、DC/AC逆变器9；AC/DC整流器4的交流侧连接供电电源进线端，DC/AC逆变器9的交流侧连接变桨驱动装置10。双向DC/DC变换器6有两种连接方式：一种：AC/DC整流器4的直流侧、双向DC/DC变换器6、DC/AC逆变器9的直流侧依次串接，储能元件8连接双向DC/DC变换器6；另一种：AC/DC整流器4的直流侧连接DC/AC逆变器9的直流侧，双向DC/DC变换器6一端连接AC/DC整流器4的直流侧，另一端连接储能元件8。
一种基于上述变桨系统的变桨系统供电方法，当变桨驱动装置侧负载在变桨驱动装置额定功率或大于变桨驱动装置额定功率设定范围内运行时，或者储能元件的电压值小于储能元件设定上限值时，或者风机变桨载荷不超过设定值时，储能元件充电；当变桨驱动装置侧负载出现瞬间短时尖峰功率并超过主供电变桨功率设定上限值时，或者风机变桨载荷超过设定值时，储能元件放电。
基于以上技术方案，结合附图，给出以下具体实施方式。
本实施方式中储能元件8以超级电容为例。超级电容8为超级电容器的串联、并联或串并联混合组合，超级电容器由双电层电容器或电化学电容器组成。与其它类型的电池(例如传统蓄电池)相比，超级电容具有功率密度高、容量大、充放电速度快、使用寿命长、工作温度范围宽、免维护等优点，这些优点使得超级电容非常适合在风力发电机的工况环境中工作。
该变浆系统的储能装置主要由超级电容8、双向DC/DC变换器6、AC/DC整流器4、DC/AC逆变器9、限流电阻7及控制模块5构成。
该储能装置的零部件装配在1个防护等级为IP 54的不锈钢柜体内，该柜体装设在轮毂内部。该储能装置通过电力电缆和信号电缆与交流供电电源进线端口进行连接，储能装置的输出端连接变桨驱动装置。储能装置包括AC/DC整流器4、双向DC/DC变换器6、超级电容8、DC/AC逆变器9；AC/DC整流器4的交流侧连接供电电源进线端，DC/AC逆变器9的交流侧连接变桨驱动装置10。双向DC/DC变换器6有两种连接方式：一种：AC/DC整流器4的直流侧、双向DC/DC变换器6、DC/AC逆变器9的直流侧依次串接，储能元件8连接双向DC/DC变换器6，如图1、2所示；另一种：AC/DC整流器4的直流侧连接DC/AC逆变器9的直流侧，双向DC/DC变换器6一端连接AC/DC整流器4的直流侧，另一端连接超级电容8，如图3所示。
风机主控系统1依次连接滑环2、电流互感器3，然后连接变桨系统10的交流电源进线端，控制模块控制连接电流互感器3。电流互感器3采集变桨系统10输入电源电流信号，通过信号电缆传输给控制模块5的模拟信号量采集接口；控制模块分别监控AC/DC整流器4、DC/AC逆变器9和双向DC/DC变换器6的工作状态。
超级电容器8充放电电路采用DC/DC双向变换电路。超级电容8充电电路电能走向依次为变桨系统10供电电源进线端、AC/DC整流器4、DC/DC变换器6、限流电阻7、超级电容8；超级电容器8放电电路电能走向依次为超级电容8、DC/DC变换器6、DC/AC逆变器9、变桨系统10供电电源进线端。
超级电容8充电电路串接的限流电阻7，限定充电启动时的电流值，防止充电启动时的瞬间电流峰值对该储能装置的相关线路及器件造成损坏。
该储能装置内部装有安全开关，安全开关与风电机组安全链串接在一起，控制模块5控制安全开关的闭合和断开。当超极电容8电压值小于最低限定值时，安全开关断开，风机不允许起机(如果风机处于停机状态)或要求风机停机(如果风机处于起机运行状态)。
该储能装置主要用于稳定变桨驱动装置输入功率。当变桨驱动装置侧负载在变桨驱动装置额定功率或大于变桨驱动装置额定功率一定范围内运行时，或者储能元件的电压值小于储能元件设定上限值时，输入电源经AC/DC整流器变为直流电能，给超级电容器充电，进行储能；当变桨侧负载出现瞬间短时尖峰功率并超过主供电变桨功率设定上限值时，储能装置进行能量释放，通过DC/AC逆变器将超级电容器的直流电逆变为可控的三相交流电，供给变桨系统。
在风机变桨载荷处于限值范围内时进行能量存储，在风机变桨载荷超过限定载荷时进行能量释放，以变桨系统恒定输入电源相间电压和采集的供电线电流计算输入功率，控制储能装置的能量输入和输出，保护变桨系统供电线路、风机滑环及相关电气零部件。
该储能装置的启动充电过程和启动放电过程为互锁逻辑，即启动充电时停止放电、启动放电时停止充电；启动放电优先级高于启动充电，比如：当超级电容器电压值不小于最低限定值时，如果充电时检测到变桨功率大于限定值，则停止充电，启动放电。
图4为储能装置供电方法流程图。
如图4所示，步骤100为流程开始；步骤101为初始化步骤，执行该步骤时风机处于停机状态，超级电容器电压值有可能为0V，将储能装置置于停止充电、停止放电、安全开关断开状态，为进入控制循环工作做好准备。
执行完步骤101后，进入步骤102，检测变桨主供电电流值和超级电容电压值U，计算变桨功率P；执行完步骤102，进入步骤103判断超级电容电压U是否小于电容电压最低限值U0(U0为保障储能装置给变桨驱动装置提供可靠功率缓冲的最小电容电压值)，如果是，进入步骤104断开安全开关、启动充电，如果否，进入步骤105闭合安全开关(允许风机起机)；执行完步骤105，进入步骤106判断变桨功率P是否大于主供电变桨功率上限值P2，如果是，进入步骤107停止充电、启动放电，如果否，进入步骤109停止放电；执行完步骤107，进入步骤108判断变桨功率P是否小于储能供电功率滞环下限P1，如果否，返回步骤107继续放电，如果是，进入步骤109停止放电。
执行完步骤109，进入步骤110判断超级电容电压U是否小于电容充电滞环电压上限U2，如果是，进入步骤113启动充电，如果否，进入步骤111停止充电；执行完步骤113，返回步骤106判断变桨功率P是否超限，执行启动放电优先级高于启动充电的控制原则，确保充电的过程中随时可以放电；执行完步骤111，进入步骤112判断超级电容电压是否小于电容充电滞环电压下限U1，如果是，执行步骤113启动充电，如果否，返回步骤102进入下一个控制循环。以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种变桨系统，其特征在于，包括一个储能装置，储能装置输入端连接供电电源进线端，输出端连接变桨驱动装置，所述储能装置包括AC/DC整流器(4)、双向DC/DC变换器(6)、储能元件(8)、DC/AC逆变器(9)；AC/DC整流器(4)的交流侧连接供电电源进线端，DC/AC逆变器(9)的交流侧连接变桨驱动装置(10)；双向DC/DC变换器(6)有两种连接方式：一种：AC/DC整流器(4)的直流侧、双向DC/DC变换器(6)、DC/AC逆变器(9)的直流侧依次串接，储能元件(8)连接双向DC/DC变换器(6)；另一种：AC/DC整流器(4)的直流侧连接DC/AC逆变器(9)的直流侧，双向DC/DC变换器(6)一端连接AC/DC整流器(4)的直流侧，另一端连接储能元件(8)。
2.根据权利要求1所述的变桨系统，其特征在于，所述储能元件(8)为一个超级电容，或者两个及以上超级电容的串联、并联或者串并联混合连接。
3.根据权利要求2所述的变桨系统，其特征在于，所述储能装置装配在风力发电机组轮毂内。
4.根据权利要求3所述的变桨系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器(6)通过限流电阻(7)连接储能元件(8)。
5.一种基于权利要求1所述变桨系统的变桨系统供电方法，其特征在于，当变桨驱动装置侧负载在变桨驱动装置额定功率或大于变桨驱动装置额定功率设定范围内运行时，或者储能元件的电压值小于储能元件设定上限值时，或者风机变桨载荷不超过设定值时，储能元件充电；当变桨驱动装置侧负载出现瞬间短时尖峰功率并超过主供电变桨功率设定上限值时，或者风机变桨载荷超过设定值时，储能元件放电。
6.根据权利要求5所述的变桨系统供电方法，其特征在于，所述储能元件充电和放电过程为互锁设置，启动放电过程优先级高于启动充电过程。
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