CN104329223B - 风力发电机组的变桨系统 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组的变桨系统，属于风力发电技术领域。包括风机主控柜、三个叶片及其叶片驱动器、变桨电机，每一叶片驱动器分别连接一台变桨电机；在所述每个叶片驱动器上均分别连接有存储能源的超级电容模组。本发明将超级电容充电器应用于风电变桨电机备用超级电容电池充电，可以保证桨叶在断电等突发事故中能短时间工作，使桨叶受力最小，保证桨叶的安全。如果此时外部供电及电机抱闸失效，变桨系统存在安全锁保护系统，根据电机刹车的单向制动原理，叶片会自动被风吹到顺桨位置，能够有效降低风机在故障后对风能的吸收。

Description

风力发电机组的变桨系统

技术领域

本发明属于风电行业技术领域，具体是涉及一种风力发电机组的变桨系统。

背景技术

现有技术中，风电变桨电机一般连接外部电源作为后备电源，但由于风机运行环境恶劣，时有断电情况发生。

目前风力发电行业变桨系统主要采用电池作为备用电源，而且普遍采用荷铅酸蓄电池，这种电池属于酸性液体电池，在恶劣的风场运行条件是不合适的，其体积重量较大，搬运不方便，使用命短，一般只有2～3年左右，增加维护成本。并且，在恶劣的风场运行环境下，风机运行存在很多未知因素，很多极端情况都有可能发生，假如外部电网掉电，备用电源系统亦失效，此时变桨系统内3个桨叶电机制动为被动刹车，很可能因电源失效而出现抱死现象，这样就容易出现飞车甚至机毁等重大事故。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种风力发电机组变桨系统。它能够保证桨叶在断电等突发事故中能短时间工作，使桨叶受力最小，保证桨叶的安全。

本发明采用的技术方案是：

本发明一种风力发电机组的变桨系统，包括风机主控柜、三个叶片及其叶片驱动器、变桨电机，每一叶片驱动器分别连接一台变桨电机；在所述每个叶片驱动器上均分别连接有存储能源的超级电容模组。

进一步地，所述变桨电机为管状电机，在每一变桨电机的电机轴上还分别设置有在失电后电机单方向制动，使叶片自动回到顺桨位置的单向刹车装置。

进一步地，所述单向刹车装置包括外套、底座、限位组件、弹簧件，所述底座套装在管状电机轴上，所述外套的内径与底座的外径相配合，底座可在外套中自由转动，外套内壁设有至少两个与限位组件配合的凹槽，限位组件至少为两个，对称设置，底座上设有相应的弹簧件与限位组件接触，限位组件在弹簧件的弹力作用下，其端部卡在凹槽内；限位组件受外力往一个方向转动时，限位组件向底座中心靠拢，从凹槽中退出。

进一步地，所述限位组件由限位块体和固定柱连接构成，在底座上沿圆周设置有与固定柱配合的盲孔，连接时，所述固定柱一端置于盲孔内。

本发明的有益效果：

1.本发明将超级电容充电器应用于风电变桨电机备用超级电容电池充电，可以保证桨叶在断电等突发事故中能短时间工作，使桨叶受力最小，保证桨叶的安全。如果此时外部供电及电机抱闸失效，变桨系统存在安全锁保护系统，根据电机刹车的单向制动原理，叶片会自动被风吹到顺桨位置，能够有效降低风机在故障后对风能的吸收。

2.本发明在变桨电机上采用单向制动刹车系统，当运行过程中变桨系统出现故障使叶片停留在某一工作位置时，电机刹车也同时吸合，但电机刹车为单向制动，它会阻止叶片向工作位置移动。当外力足够大时，叶片会自动回到顺桨位置，以保护风机安全。

3.本发明变桨系统采用的超级电容模组是高效元件。即使电流很高，其库仑效率（定义为放出总电荷÷用以补充放出电荷的充入总电荷）仍然大于99%，这意味着对超级电容充放电时电荷几乎没有损耗。由于该超级电容中搭配的等效串联电阻(ESR)很低，因此往返效率也很高。以5秒速度运行时，往返效率高于70%。以10秒速度运行时，往返效率大于80%。如此一来，不仅能量能够得到更有效的利用，而且热度也不会太高，因此可能减少冷却能量储存系统的日常负载。5秒内放电到0.5伏，充电也以同样的速度，直至超级电容充满为止。

4.本发明中的超级电容模组中由于搭配一个很低的等效串联电阻(ESR)，因此电容能够发送以及吸收很高的电流。低等效串联电阻能够使电容迅速充电，因此电容很适合产生制动应用产品和其他快速充电的情况。电容本身的特点允许电容以同样的速度充放电，这是电池做不到的。如果希望迅速为储电装置充电，可以在基于单程电阻加热的合理限制内，以系统允许的速度为超级电容充电。在以电池供电的系统中，充电速度只能以电池接受的电量为准，系统因此受到限制，只能低速或中速充电，而且还有可能限制充电的频率，这在顺桨时电机制动系统中是非常重要的问题。另外，电池自身不能限制充电速度，在某些情况下，也许需要比电池所供电能还多的能量。本发明采用的超级电容模组是把超级电容和电池结合使用，利用二者的长处最佳化系统设计。

5.在设计能量强劲的电池系统中，确定电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)是一个非常重要的因素，需要复杂的资料撷取、复杂的运算法则和长时间的资料整合。比较来说，确定超级电容的荷电状态和健康状态则很简单。 由于在电容内储存能量只是电容和电压的功能，而且电容相对较为恒定，因此单程开放电路电压测量就可以确定电荷状态。由于电容相对稳定，因此电压本身就能够有效地确定电荷状态。因为电容和等效串联电阻的变化相对缓慢，偶尔也可以透过计算电容和等效串联电阻确定健康状态。对任何恒定电流进行短时间 （2-10秒）放电，可以为计算电容和等效串联电阻提供足够的资料。由于这些数值变化缓慢，因此，当与荷电状态开放电路电压测量结合起来时，这个健康状态资料点会提供确定超级电容工作状况所需的所有资讯。

6.现有技术中像电池、专业发动机以及燃料电池这类能源在瞬态情况下表现不是很好。对一些元件来说，瞬态过程会极大缩短元件的使用寿命。本发明结合超级电容和这些能源的使用，可从主要的能源中空载很多此类瞬态值。这样使得所需的主要能源变小，因此寿命会更长。超级电容-电池系统中的电池的寿命周期成本，比只使用电池的系统中的电池寿命周期成本低得多。

7.因为超级电容能够完全放电后储存。回圈使用以及工作寿命长，使超级电容成为很多应用产品的终生元件。由于更换电池这种正常的日常维护，费时费钱。大部分情况下，在系统中安装超级电容可以满足系统终生使用的需要。超级电容基本上不需要保养，没有储存效能，不存在放电过量的情况，能够在任何额定电压或低于额定电压的情况下工作。如果始终在其很宽的工作电压和温度范围内工作，超级电容则不需要维护保养。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为图1中单向刹车装置示意图。

图3为图2的立体结构示意图。

图4为图2中限位组件结构示意图。

图中：1.主控柜，2.滑环，31、32、33.叶片驱动器，41、42、43.超级电容模组，51、52、53.变桨电机，54.电机轴，6.单向刹车装置，61.外套，611.凹槽，62.底座，621.盲孔，63.限位组件，631.固定柱，632.限位块体，64.弹簧件。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

实施例：如图1所示，本发明包括风机主控柜1、三个叶片及其叶片驱动器、3、变桨电机5，每一叶片驱动器3分别连接一台变桨电机5；在所述每个叶片驱动器3上均分别连接有存储能源的超级电容模组4；其中风机主控柜1作为主电源，通过滑环2与叶片驱动器3分别连接，超级电容模组4作为备用电源。

本发明中所述超级电容模组4的型号为：SCPM900965 辽宁百纳电气

本发明所述变桨电机5为管状电机，在每一变桨电机5的电机轴54上还分别设置有在失电后电机单方向制动，使叶片自动回到顺桨位置的单向刹车装置6。

如图2-图4所示，所述单向刹车装置6包括外套61、底座62、限位组件63、弹簧件64，所述底座62套装在管状电机轴54上，所述外套1的内径与底座62的外径相配合，底座62可在外套61中自由转动，所述外套61内壁沿圆周均匀设有至少两个与限位组件63配合的凹槽611，本例设置5个凹槽，底座62上设有弹簧件64与限位组件63接触，所述限位组件63至少为两个，本例设置两个，由限位块体632和固定柱631连接构成，限位块体632通过固定柱631固定在底座62上。限位组件63在弹簧件64的弹力作用下，其端部卡在凹槽611内；限位组件63受外力往一个方向转动时，限位组件63向底座62中心靠拢，从凹槽611中退出。当底座62转动时，外套61也未受到外力影响时，限位块体632卡在外套61内壁的凹槽611中，带动外套61转动，当外套61受到外力停止转动或向反方向转动时，底座62相对于外套61转动，此时限位块体632也会发生转动，当限位块体632的转动方向是向底座62中心靠拢时，弹簧件64受到压力，限位块体632从凹槽611中脱离开来，从而电机可以继续转动，防止了由于受到外力使驱动快即电机抱闸停止转动而导致的电机异常制动的情况发生。

在底座62上沿圆周还设置有盲孔621，所述固定柱631可以插入盲孔621内，使得限位块体632的一端可以铰接在底座62上。

本发明中的单向刹车装置6相当于变桨系统的一个安全锁保护系统，当运行过程中变桨系统出现故障使叶片停留在某一工作位置时，或者电网外部电源失效，备用电源系统即超级电容也失效，电机单向刹车装置也同时吸合抱死，失去电源后它能够单方向制动，会阻止叶片向工作位置移动。同时叶片受到空气动力和重力受力的影响，叶片会自动被风吹到顺桨位置，这是风机的一种保护机制，目的是降低风机在故障后对风能的吸收。

综上所述，本发明可以保证桨叶在断电等突发事故中能短时间工作，保证桨叶的安全。

Claims (3)

1.一种风力发电机组的变桨系统，包括风机主控柜、三个叶片及其叶片驱动器、变桨电机，每一叶片驱动器分别连接一台变桨电机；其特征在于：在所述每个叶片驱动器上均分别连接有存储能源的超级电容模组；所述单向刹车装置包括外套、底座、限位组件、弹簧件，所述底座套装在管状电机轴上，所述外套的内径与底座的外径相配合，底座可在外套中自由转动，外套内壁设有至少两个与限位组件配合的凹槽，限位组件至少为两个，对称设置，底座上设有相应的弹簧件与限位组件接触，限位组件在弹簧件的弹力作用下，其端部卡在凹槽内；限位组件受外力往一个方向转动时，限位组件向底座中心靠拢，从凹槽中退出。

2.如权利要求1所述风力发电机组的变桨系统，其特征在于：所述变桨电机为管状电机，在每一变桨电机的电机轴上还分别设置有在失电后电机单方向制动，使叶片自动回到顺桨位置的单向刹车装置。

3.如权利要求1所述风力发电机组的变桨系统，其特征在于：所述限位组件由限位块体和固定柱连接构成，在底座上沿圆周设置有与固定柱配合的盲孔，连接时，所述固定柱一端置于盲孔内。