CN106321353B - 一种风力机变桨驱动器、控制方法及风力发电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机变桨驱动器、控制方法及风力发电机系统，风力机变桨驱动器包括可控电力电子开关器件、电力电子开关控制器和相互串联的变桨驱动器、开关，该变桨驱动器和开关一端连接三相交流电源、另一端连接桨叶驱动电机；电力电子开关控制器与可控电力电子开关器件连接；可控电力电子开关器件并联在该变桨驱动器和开关两端。控制方法对上述风力机变桨驱动器进行控制，包括计算调制波、计算开关器件的动作控制条件、控制动作、接收限位开关反馈信号、驱动封波等步骤。风力发电机系统包括塔筒、风机、齿轮箱、发电机及变流器系统、变压器、风力机变桨驱动器、桨叶驱动电机和主控制器。本发明实现故障情况下风机安全收桨，增强系统稳定性。

Description

一种风力机变桨驱动器、控制方法及风力发电机系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机桨叶驱动的风力机变桨驱动器，还涉及该风力机变桨驱动器的控制方法，以及使用该风力机变桨驱动器的风力发电机系统。
背景技术
风力发电系统风机的每片桨叶(数目通常为3个)是分别由1个独立的变桨驱动器来进行驱动控制的，变桨驱动器依据风机主控器的命令控制桨叶角度，使得风机尽可能多发电又不至于因过速而造成系统损坏。变桨驱动器的直流母线上连接有后备电源，后备电源为电池或超级电容，用于系统掉电时给驱动器供电，完成风机的安全收桨过程。
上述现有技术方案可在电网掉电工况下有效完成安全收桨操作，但是，在驱动器自身发生故障的情况下，则无法实现风机收桨动作，并可能因此引发更大的系统事故。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一是，提供一种风力机变桨驱动器，克服现有技术存在的在驱动器故障情况下无法安全收桨的缺陷。
本发明要解决的技术问题之二是，提供一种风力机变桨驱动器控制方法，克服现有技术存在的在驱动器故障情况下无法安全收桨的缺陷。
本发明要解决的技术问题之三是，提供一种风力发电机系统，使用上述风力机变桨驱动器，克服现有技术存在的在驱动器故障情况下无法安全收桨的缺陷。
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种风力机变桨驱动器，包括相互串联的变桨驱动器和开关，该串联的变桨驱动器和开关一端连接三相交流电源、另一端连接桨叶驱动电机；
其特征在于，还包括可控电力电子开关器件和电力电子开关控制器；
该电力电子开关控制器与该可控电力电子开关器件、风力发电机系统的主控制器连接；
该可控电力电子开关器件并联在该串联连接的变桨驱动器和开关两端。
在本发明的风力机变桨驱动器中，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的半控器件，该半控器件为晶闸管；
或所述可控电力电子开关器件为相互反并联的全控器件，该全控器件为绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管之一。
在本发明的风力机变桨驱动器中，其连接的所述桨叶驱动电机为同步电机或异步电机。
在本发明的风力机变桨驱动器中，包括UPS电源，所述可控电力电子开关器件串联该UPS电源后再并联在所述串联连接的变桨驱动器和开关两端。
本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种风力机变桨驱动器控制方法，用于上述风力机变桨驱动器；所述控制方法包括如下步骤：
电力电子开关控制器在接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令和开关断开的反馈信号后，依据电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波；
电力电子开关控制器根据所计算调制波，计算所述可控电力电子开关器件的动作控制条件，并根据所计算的动作控制条件控制所述可控电力电子开关器件动作，控制桨叶驱动电机拖动桨叶朝桨叶限位开关旋转；以及
当该电力电子开关控制器接收到桨叶限位开关反馈信号后，对所述可控电力电子开关器件进行驱动封波。
在本发明的风力机变桨驱动器控制方法中，所述电力电子开关控制器在接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令和开关断开的反馈信号后，依据电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波的步骤包括：
初始化所述电力电子开关控制器的控制软件；
判断所述电力电子开关控制器是否接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令；
当该电力电子开关控制器接收到主控制器下发的驱动使能命令后，继续判断该电力电子开关控制器是否接收到所述开关断开的反馈信号；以及
当该电力电子开关控制器接收到开关断开的反馈信号后，依据所述电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波。
在本发明的风力机变桨驱动器控制方法中，所述电力电子开关控制器根据所计算调制波，计算所述可控电力电子开关器件的动作控制条件，并根据所计算的动作控制条件控制所述可控电力电子开关器件动作，控制桨叶驱动电机拖动桨叶朝桨叶限位开关旋转的步骤具体包括：
S1、该电力电子开关控制器根据所计算调制波，利用冲量等效原理在第N个电网工频周期或开关周期计算第N+1个工频周期或开关周期所述可控电力电子开关器件的开通/或开通关断条件；
S2、该电力电子开关控制器在第N+1个电网工频周期或开关周期依据步骤S1的计算结果控制所述可控电力电子开关器件的开通或开通关断；
S3、重复步骤S1-S2，直到电力电子开关控制器接收到桨叶限位开关反馈信号为止。
在本发明的风力机变桨驱动器控制方法中，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的晶闸管；所述可控电力电子开关器件的开通条件为晶闸管的触发控制角。
在本发明的风力机变桨驱动器控制方法中，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的全控器件；所述可控电力电子开关器件的开通关断条件为相互反并联的全控器件开通关断时刻。
本发明解决其技术问题之三所采用的技术方案是：构造一种风力发电机系统，包括塔筒、风机、齿轮箱、发电机及变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器；
所述变桨装置包括上述的风力机变桨驱动器和桨叶驱动电机。
实施本发明的风力机变桨驱动器、控制方法及风力发电机系统，与现有技术比较，其有益效果是：
1、实现了在驱动器故障的情况下风机的安全收桨，并于故障收桨起始阶段控制实现了桨叶驱动电机的软启过程，大大降低了桨叶驱动电机启动产生的冲击电流，减小了对电网和驱动电机的冲击，提高了系统的稳定性；
2、避免桨叶驱动电机在启动时因冲击电流过大造成的损坏，提高了桨叶驱动电机的使用寿命；
3、桨叶驱动电机采用交流同步电机或交流异步电机均可使用；
4、在增加UPS电源后，在驱动器故障同时电网掉电的情况下，也可保证风机桨叶的顺利回收。
附图说明
图1是本发明风力机变桨驱动器实施例一的原理图。
图2是本发明风力机变桨驱动器实施例二的原理图。
图3是本发明风力机变桨驱动器实施例三的原理图。
图4是本发明风力机变桨驱动器实施例四的原理图。
图5是本发明风力机变桨驱动器控制方法实施例一的原理图。
图6是本发明风力机变桨驱动器控制方法实施例二的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
风力机变桨驱动器实施例一
如图1所示，本发明风力机变桨驱动器包括变桨驱动器10、开关20、可控电力电子开关11和电力电子开关控制器12。
变桨驱动器10与开关20相互串联，串联后的变桨驱动器10和开关20一端连接三相交流电源、另一端连接桨叶驱动电机30。其中，变桨驱动器10包括变桨控制器和功率电路。桨叶驱动电机30为同步电机或异步电机。
该电力电子开关控制器12与该可控电力电子开关11及该风力发电机系统的主控制器连接。其中，电力电子开关控制器12可以为独立的控制器，也可以与变桨驱动器的变桨控制器或者风力发电机系统的主控制器集成。风力发电机系统的主控制器包括带有PLC的控制器或者不带有PLC的控制器。
该可控电力电子开关11并联在该串联连接的变桨驱动器10和开关20两端，构成连接桨叶驱动电机30与三相交流电源的备用支路。
其工作原理如下：变桨驱动器10正常工作时开关20闭合，备用支路的可控电力电子开关11由电力电子开关控制器12控制断开，桨叶驱动电机30由变桨驱动器10进行驱动。当变桨驱动器10故障时，此故障信号通过通信上传给风力发电机系统的主控制器，主控制器接收到变桨驱动器10故障信号后，下发开关20断开命令以及备用支路可控电力电子开关11驱动使能命令，备用支路的电力电子开关控制器12接收到主控制器的驱动使能命令以及开关的断开反馈信号后，开始控制可控电力电子开关11对桨叶驱动电机30进行软启直至全速运行，桨叶驱动电机30拖动桨叶进行旋转，当桨叶旋转至安全位置时将触碰到桨叶限位开关，电力电子开关控制器12接收到桨叶限位开关反馈信号后，对可控电力电子开关11作封波驱动处理，至此，完成备用支路实现安全收桨的全过程。
在本实施例中，开关20采用投切开关，通常是带有物理断点的机械开关或是电力电子开关。
本实施例实现了变桨驱动器故障情况下风机的安全收桨，并于故障收桨起始阶段控制实现了桨叶驱动电机的软启过程，大幅减小了电机启动的冲击电流，增强了系统的稳定性。
风力机变桨驱动器实施例二
如图2所示，实施例二在实施例一基础上，其中的可控电力电子开关为半控器件，该半控器件为相互反并联的晶闸管21。电力电子开关控制器12用对应于相互反并联的半控器件的电力电子开关控制器22代替。电力电子开关控制器22可以为独立的控制器，也可以与变桨驱动器的变桨控制器或者风力发电机系统的主控制器集成。
风力机变桨驱动器实施例三
如图3所示，实施例三在实施例二基础上，将相互反并联的晶闸管21用相互反并联的全控器件31代替，电力电子开关控制器22用对应于相互反并联的全控器件的电力电子开关控制器32代替。
相互反并联的全控器件可以采用包括但不限于：IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)、MOS管(metal oxide semiconductor金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors集成门极换流晶闸管)、GTO(Gate Turn-Off Thyristor门极可关断晶闸管)等之一种。
与晶闸管比较，相互反并联的全控器件可以通过高频PWM控制调节输出电压的大小，脉冲宽度调制(PWM)将基波周期等分为若干个开关周期，在每个开关周期中控制相互反并联的全控器件开通关断一次，使得各开关周期内调制波与实际发波的冲量相等，实际发波由多个脉冲量组成，这样可有效减小输出电压、电流的谐波含量，在实施例一的基础上，进一步减小了输出谐波。
风力机变桨驱动器实施例四
如图4所示，实施例四在实施例三的基础上，增加UPS电源33，该UPS电源33与相互反并联的全控器件31串联后，再并联在串联连接的变桨驱动器10和开关20两端。该实施例可以在变桨驱动器10故障且电网掉电的情况下完成风机的安全收桨。
UPS电源同样可以使用在实施例一、实施例二的技术方案中，UPS电源与相互反并联的晶闸管21串联后，再并联在串联连接的变桨驱动器10和开关20两端，得到新的技术方案。
本发明的风力机变桨驱动器控制方法包括如下步骤：
首先，电力电子开关控制器在接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令和开关断开的反馈信号后，依据电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波；其中，不同的桨叶驱动电机对应的预设加速时间不同。
其次，电力电子开关控制器根据所计算调制波，计算可控电力电子开关器件的动作控制条件，并根据所计算的动作控制条件控制可控电力电子开关器件动作，控制桨叶驱动电机拖动桨叶朝桨叶限位开关旋转；其中的动作控制条件包括可控电力电子开关器件的开通条件或开通关断条件。
再次，当该电力电子开关控制器接收到桨叶限位开关反馈信号后，对可控电力电子开关器件进行驱动封波。
风力机变桨驱动器控制方法具体实施例如下：
风力机变桨驱动器控制方法实施例一
如图5所示，风力机变桨驱动器控制方法在上述实施例二的风力机变桨驱动器的基础上，对该风力机变桨驱动器进行控制，包括如下步骤：
第一、初始化电力电子开关控制器控制软件。
第二、电力电子开关控制器接收风力发电机系统主控下发的驱动使能命令，未收到命令继续接收，收到命令进入下一步。
第三、电力电子开关控制器接收风力机变桨驱动器开关断开的反馈信号，未收到反馈信号继续接收，收到反馈信号进入下一步。
第四、电力电子开关控制器依据预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波。
第五、该电力电子开关控制器在第N个电网工频周期计算第N+1个电网工频周期晶闸管的触发控制角。
第六、电力电子开关控制器在第N+1个电网工频周期依据第五步的计算结果控制晶闸管开通。
第七、电力电子开关控制器接收桨叶限位开关反馈信号，未收到反馈信号重复第五、第六步，收到反馈信号进入下一步。
第八、电力电子开关控制器对晶闸管进行驱动封波。
风力机变桨驱动器控制方法实施例二
如图6所示，风力机变桨驱动器控制方法在上述实施例三或实施例四的风力机变桨驱动器的基础上，对该风力机变桨驱动器进行控制，包括如下步骤：
第一、初始化电力电子开关控制器控制软件。
第二、电力电子开关控制器接收风力发电机系统主控下发的驱动使能命令，未收到命令继续接收，收到命令进入下一步。
第三、电力电子开关控制器接收风力机变桨驱动器开关断开的反馈信号，未收到反馈信号继续接收，收到反馈信号进入下一步。
第四、电力电子开关控制器依据预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波。
第五、该电力电子开关控制器在第N个开关周期计算第N+1个开关周期全控器件的开通关断时刻。
第六、电力电子开关控制器在第N+1个开关周期依据第五步的计算结果控制全控器件开通关断。
第七、电力电子开关控制器接收桨叶限位开关反馈信号，未收到反馈信号重复第五、第六步，收到反馈信号进入下一步。
第八、电力电子开关控制器对全控器件进行驱动封波。
上述全控器件可以采用包括但不限于：IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)、MOS管(metal oxide semiconductor金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors集成门极换流晶闸管)、GTO(Gate Turn-Off Thyristor门极可关断晶闸管)等之一种。
本发明的风力发电机系统包括塔筒、风机、齿轮箱、发电机及变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器，变桨装置包括上述风力机变桨驱动器和桨叶驱动电机。风力机变桨驱动器结构及变化见上述，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力机变桨驱动器，包括相互串联的变桨驱动器和开关，该串联的变桨驱动器和开关一端连接三相交流电源、另一端连接桨叶驱动电机；
其特征在于，还包括可控电力电子开关器件和电力电子开关控制器；
该电力电子开关控制器与该可控电力电子开关器件、风力发电机系统的主控制器连接；
该可控电力电子开关器件并联在该串联连接的变桨驱动器和开关两端。
2.如权利要求1所述的风力机变桨驱动器，其特征是，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的半控器件，该半控器件为晶闸管；
或所述可控电力电子开关器件为相互反并联的全控器件，该全控器件为绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管之一。
3.如权利要求1或2所述的风力机变桨驱动器，其特征是，其连接的所述桨叶驱动电机为同步电机或异步电机。
4.如权利要求1或2所述的风力机变桨驱动器，其特征是，包括UPS电源，所述可控电力电子开关器件串联该UPS电源后再并联在所述串联连接的变桨驱动器和开关两端。
5.一种风力机变桨驱动器控制方法，用于权利要求1-4任意一项所述的风力机变桨驱动器；所述控制方法包括如下步骤：
电力电子开关控制器在接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令和开关断开的反馈信号后，依据电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波；
电力电子开关控制器根据所计算调制波，计算所述可控电力电子开关器件的动作控制条件，并根据所计算的动作控制条件控制所述可控电力电子开关器件动作，控制桨叶驱动电机拖动桨叶朝桨叶限位开关旋转；以及
当该电力电子开关控制器接收到桨叶限位开关反馈信号后，对所述可控电力电子开关器件进行驱动封波。
6.如权利要求5所述的风力机变桨驱动器控制方法，其特征是，所述电力电子开关控制器在接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令和开关断开的反馈信号后，依据电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波的步骤包括：
初始化所述电力电子开关控制器的控制软件；
判断所述电力电子开关控制器是否接收到风力发电机系统的主控制器下发的驱动使能命令；
当该电力电子开关控制器接收到主控制器下发的驱动使能命令后，继续判断该电力电子开关控制器是否接收到所述开关断开的反馈信号；以及
当该电力电子开关控制器接收到开关断开的反馈信号后，依据所述电力电子开关控制器预先设定的桨叶驱动电机加速时间计算调制波。
7.如权利要求5所述的风力机变桨驱动器控制方法，其特征是，所述电力电子开关控制器根据所计算调制波，计算所述可控电力电子开关器件的动作控制条件，并根据所计算的动作控制条件控制所述可控电力电子开关器件动作，控制桨叶驱动电机拖动桨叶朝桨叶限位开关旋转的步骤具体包括：
S1、该电力电子开关控制器根据所计算调制波，利用冲量等效原理在第N个电网工频周期或开关周期计算第N+1个工频周期或开关周期所述可控电力电子开关器件的开通或开通关断条件；
S2、该电力电子开关控制器在第N+1个电网工频周期或开关周期依据步骤S1的计算结果控制所述可控电力电子开关器件的开通或开通关断；
S3、重复步骤S1-S2，直到电力电子开关控制器接收到桨叶限位开关反馈信号为止。
8.如权利要求7所述的风力机变桨驱动器控制方法，其特征是，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的晶闸管；所述可控电力电子开关器件的开通条件为晶闸管的触发控制角。
9.如权利要求7所述的风力机变桨驱动器控制方法，其特征是，所述可控电力电子开关器件为相互反并联的全控器件；所述可控电力电子开关器件的开通关断条件为相互反并联的全控器件开通关断时刻。
10.一种风力发电机系统，包括塔筒、风机、齿轮箱、发电机及变流器系统、变压器、变桨装置和主控制器；
其特征在于，所述变桨装置包括如权利要求1-4任意一项所述的风力机变桨驱动器和桨叶驱动电机。
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