CN107231035A - 一种风力发电变桨系统直流母线充电控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电变桨系统技术领域，特别涉及风力发电变桨系统直流母线充电控制系统及方法。包括驱动叶片用的变频器，变频器的直流母线上连接预充电电阻，在预充电电阻上并联开关，通过预充电电阻为连接在直流母线上的充电电容预充电；变频器的制动单元包括一第一晶闸管与制动单元的功率开关管连接，第一晶闸管通过变桨系统的PLC控制器调节占空比；制动单元的功率开关管上并联刹车电阻，通过所述刹车电阻接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为所述充电回路中的超级电容组充电。解决高电压穿越的问题，具有较强的高电压穿越能力，充电时间可提高至3分钟以内，并有效的降低硬件成本，提高变桨系统的稳定性。

Description

一种风力发电变桨系统直流母线充电控制系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电变桨系统技术领域，特别涉及风力发电变桨系统直流母线充电控制系统及方法。

背景技术

随着社会的发展，空气质量变差对人类健康产生的危害越来越大，进而，太阳能等可再生能源越来越收到广泛的关注，并得到广泛的应用。风力发电作为太阳能利用的主要设备，具有很好的发展前景。变桨系统是风力发电机组的核心设备，其安全性和可靠性直接影响机组的发电效率和安全性。

目前，变桨系统的备用电源方案有两种：电池和超级电容组。电池方案又细分为铅酸电池和锂电池。其中，铅酸电池的成本低、寿命短，运行温度范围小；锂电池的成本居中，寿命好于铅酸电池，能量密度大，运行温度范围小；超级电容的成本最高、寿命较长，运行温度范围在-40～+65℃。

风力发电变桨系统备用电源的充电技术中，以1.5MW风电机组为例，电池充电采取共用一个充电器循环充电的方式，而超级电容均采用独立充电器。电池的充电时间在2～4小时，而电容的充电时间在6分钟。

以上方案可以满足国家电网的低电压穿越能力，基本满足不了高电压穿越的要求。并且传统的充电方案故障率较高，影响风电机组的可持续运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电变桨系统直流母线充电控制系统及方法，解决高电压穿越的问题，同时降低系统充电回路的故障率，降低变桨系统成本。

本发明是这样实现的，

所述变频器的制动单元包括一第一晶闸管与制动单元的功率开关管连接，所述第一晶闸管通过变桨系统内部的DSP调节占空比；

所述制动单元的功率开关管上并联刹车电阻，通过所述刹车电阻接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为所述充电回路中的超级电容组充电。

进一步地，所述刹车电阻通过第二晶闸管以及一第一二极管与所述超级电容组的一端连接，所述刹车电阻的另一端通过一第二二极管连接至超级电容组的同一端，所述超级电容组的另一端连接在直流母线上，通过设置一PLC控制器调节第二晶闸管的占空比。

进一步地，所述超级电容组的两端连接电压隔离变送器，通过所述电压隔离变送器将电容电压转成4～20mA，由PLC控制器的模拟量输入模块实时监控超级电容组电压，并将电容实时电压作为选择占空比的条件。

进一步地，所述超级电容组通过一直流接触器与直流母线连接，直流接触器在充电和放电的时候均处于吸合状态，当测试超级电容组电压时，断开直流接触器，并通过电压隔离变送器将电容电压进行电压信号转换，由PLC控制器测量电容电压值。

进一步地，超级电容组的充电过程包括：检测超级电容组电压，如果电容电压达到满充，则进入电容浮充状态，如果电容电压小于450VDC，则细分电压等级，进入所处的判断电压范围，不同电压等级对应不同占空比，选择好占空比后，开始给超级电容组充电。

进一步地，充电过程中，检测刹车电阻的温度，监测超级电容组温度，若超出设定的限制，进入故障模式。

本发明还提供了一种风力发电变桨系统直流母线充电控制方法，该方法包括：

在变频器的直流母线上连接预充电电阻，通过预充电电阻为连接在直流母线上的充电电容预充电；

在变频器的制动单元包括连接晶闸管，通过变桨系统内部的DSP调节占空比，通过系统中的刹车电阻释放能量，控制控制母线电压不再升高；

通过刹车电阻接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为充电回路中的超级电容组充电。

进一步地，所述刹车电阻通过晶闸管所述超级电容组连接与直流母线形成充电回路，通过控制晶闸管的占空比控制超级电容组的充电。

进一步地，检测超级电容组电压，如果电容电压达到满充，则进入电容浮充状态，如果电容电压小于450VDC，则细分电压等级，进入所处的判断电压范围，不同电压等级对应不同占空比，选择好占空比后，开始给超级电容充电。

进一步地，充电过程中，检测刹车电阻的温度，监测超级电容组温度，若超出设定的限制，进入故障模式。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明利用变桨系统变频器的直流母线为超级电容组充电，在直流母线端增加晶闸管，通过PLC控制器的数字量输出控制占空比δ，共用刹车电阻，利用该回路给超级电容充电。具有较强的高电压穿越能力，充电时间可提高至3分钟以内，并有效的降低硬件成本，提高变桨系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统电路示意图；

图2为变频器直流母线充电控制方法流程图；

图3为超级电容电压和电阻温度实时曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本申请实施例提供一种风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，包括了变桨系统驱动叶片用的变频器或伺服驱动器和为超级电容充电的充电回路；变频器包括整流单元1、制动单元3和逆变单元2，即为通用变频器的结构。其中，整流单元1，与输入端连接，将输入的电流进行整流处理；逆变单元2，接受整流处理后的电流信号，输出可控的频率，调节电机转速和转矩，输出端接变桨电机；制动单元3连接在变频器的直流母线上；刹车电阻R2连接在制动单元3的功率开关管上。

在变频器的直流母线上连接预充电电阻R1，在预充电电阻R1上并联一开关K1，通过预充电电阻R1为连接在直流母线上的充电电容预充电；当变频器的预充电完成，即预充电电阻R1被开关K1切出，建立母线电压。

变频器的制动单元3包括第一晶闸管Q2与制动单元的功率开关管连接，第一晶闸管Q2通过变桨系统内部的DSP调节占空比；

制动单元的功率开关管上并联刹车电阻R2，通过刹车电阻R2接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为所述充电回路中的超级电容组C1..Ci充电。

刹车电阻R2在整个电路中有两个作用，一方面，当负载制动过程中导致直流母线电压高于限定值，通常设定在760VDC，制动单元中的第一晶闸管动作并自动调节其开关频率，使得母线电压不再升高，变频器可以持续工作。变频器在风力发电中的应用工况，占空比较小；另一方面，作为给超级电容阻C1..Ci充电回路的限流电阻，该应用的占空比相对较大。

在充电回路中，刹车电阻R2通过第二晶闸管Q1以及一第一二极管51与超级电容组C1..Ci的一端连接，刹车电阻R2的另一端通过一第二二极管52连接至超级电容组C1..Ci的同一端，超级电容组C1..Ci的另一端连接在直流母线上。如此，超级电容组C1..Ci通过第二晶闸管Q1以及第一二极管51与直流母线形成回路进行充电的过程，通过第二二极管52直接与直流母线连接，进行放电的过程，在充放电的过程中，超级电容组充电时，第一二极管导通，第二二极管截止；超级电容组放电时，第一二极管截止，第二二极管导通。在充电的过程中，第二晶闸管通过PLC控制器6控制占空比，从而控制超级电容组充电。第一二极管与第二二极管集成为二极管组5。

在充电的过程中，需要检测超级电容组的电压值，因此在超级电容组的两端连接电压隔离变送器V1，通过电压隔离变送器V1将电容电压转成4～20mA，由PLC控制器6的模拟量输入模块实时监控超级电容阻电压，并将电容电压作为选择占空比的条件。

超级电容组通过一直流接触器K2与直流母线连接，直流接触器K2在充电和放电的时候均处于吸合状态，当测试超级电容组电压时，断开直流接触器K2，并通过电压隔离变送器V1将电容电压进行电压信号转换，由PLC控制器6测量电容电压值。

本实施例中，作为优选的，超级电容组采用5个常规的90V/9.6F模组进行串联，单个模组的直流内阻为120mΩ。

工作的过程为：系统的输入端经过整流桥1整流后经过预充电电阻R1，待直流母线电压达到预设值后其标志位置1，开关K1闭合将预充电电阻R1切出；直流母线经过逆变单元2输出可控的频率，调节电机转速和转矩，输出端U-V-W接变桨电机；制动单元3，当负载扭矩较大或输入电压过高时，导致变频器直流母线电压升高，当高于限定值时，变频器控制单元控制自动调节制动单元中第一晶闸管Q2驱动脉冲的占空比，使得多余的能量通过刹车电阻R2释放，控制母线电压不再升高，保证变频器可持续、稳定运行。

其中刹车电阻R2起到限流电阻的作用，保证充电时变频器制动单元运行在安全电流范围内；当直流母线电压建立后，通过控制器6的DO模块控制第二晶闸管Q1驱动脉冲的占空比，为超级电容充电，直流接触器K2在充电和放电的时候均处于吸合状态，当测试超级电容电压时，需要断开直流接触器K2，并通过电压隔离变送器V1将电容电压转换成4～20mA信号，由控制器AI模块测量电容电压值，其中二极管5起到反向截止的功能。

如图2所示，本发明实施例提供的一种风力发电变桨系统直流母线充电控制方法，由超级电容组电压反馈值和电阻温度反馈值作为充电控制的输入信号，并由PLC控制器完成对晶闸管的控制，进而达到对充电电压控制的目的。包括如下的步骤：

步骤11为流程开始；

步骤12是系统初始化，包括端口、寄存器和系统参数，为充电循环做好准备；

步骤13为检测变频器直流母线预充电标志位，如果标志位置1，则预充电完成，通过电容电压的反馈值判断；

步骤14检测超级电容电压，如果电容电压达到满充，则进入电容浮充状态22，如果电容电压小于450VDC，则进一步细分电压等级，进入步骤15判断电压范围，不同电压等级对应中的不同占空比δ(步骤16)，选择好占空比后将进入步骤17，将超级电容充电标志位置1，开始给超级电容充电，占空比δ的选择是根据电容实时电压而定，当电容电压和直流母线电压相差较大时，充电瞬间电流校对，所以选择的占空比相对小，反之则大；

整个充电过程中一直监测主要技术指标：

步骤18监测刹车电阻的温度，

步骤19监测超级电容模组温度报警，

步骤20监测超级电容模组电压报警，以上步骤如果超过限制则进入故障模式21，否则进入步骤14，充电过程循环进行。

如图3所示，为一实施例中利用变频器直流母线为超级电容充电的实时曲线。其中，曲线1为超级电容组实时电压监控值，曲线显示电压分4段，分别对应4个不同的占空比δ，通过调节占空比δ可以调节充电时间。曲线2为刹车电阻温度变化曲线。该曲线图中300s之前为充电过程，300s之后为超级电容放电过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，包括驱动叶片用的变频器，其特征在于，

所述变频器的直流母线上连接预充电电阻，在所述预充电电阻上并联开关，通过预充电电阻为连接在直流母线上的充电电容预充电；

所述变频器的制动单元包括一第一晶闸管与制动单元的功率开关管连接，所述第一晶闸管通过变桨系统内部的DSP调节占空比；

所述制动单元的功率开关管上并联刹车电阻，通过所述刹车电阻接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为所述充电回路中的超级电容组充电。

2.按照权利要求1所述的风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，其特征在于，所述刹车电阻通过第二晶闸管以及一第一二极管与所述超级电容组的一端连接，所述刹车电阻的另一端通过一第二二极管连接至超级电容组的同一端，所述超级电容组的另一端连接在直流母线上，通过设置一PLC控制器调节第二晶闸管的占空比。

3.按照权利要求2所述的风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，其特征在于，所述超级电容组的两端连接电压隔离变送器，通过所述电压隔离变送器将电容电压转成4～20mA，由PLC控制器的模拟量输入模块实时监控超级电容组电压，并将电容实时电压作为选择占空比的条件。

4.按照权利要求3所述的风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，其特征在于，所述超级电容组通过一直流接触器与直流母线连接，直流接触器在充电和放电的时候均处于吸合状态，当测试超级电容组电压时，断开直流接触器，并通过电压隔离变送器将电容电压进行电压信号转换，通过PLC控制器测量电容电压值。

5.按照权利要求2所述的风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，其特征在于，超级电容组的充电过程包括：检测超级电容组电压，如果电容电压达到满充，则进入电容浮充状态，如果电容电压小于450VDC，则细分电压等级，进入所处的判断电压范围，不同电压等级对应不同占空比，选择好占空比后，开始给超级电容组充电。

6.按照权利要求1或2所述的风力发电变桨系统直流母线充电控制系统，其特征在于，充电过程中，检测刹车电阻的温度，监测超级电容组温度，若超出设定的限制，进入故障模式。

7.一种风力发电变桨系统直流母线充电控制方法，其特征在于，该方法包括：

在变频器的直流母线上连接预充电电阻，通过预充电电阻为连接在直流母线上的充电电容预充电；

在变频器的制动单元包括连接晶闸管，通过变桨系统内部的DSP调节占空比，通过系统中的刹车电阻释放能量，控制控制母线电压不再升高；

通过刹车电阻接线端子连接充电回路至直流母线上，通过刹车电阻作为限流电阻为充电回路中的超级电容组充电。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刹车电阻通过晶闸管所述超级电容组连接与直流母线形成充电回路，通过控制晶闸管的占空比控制超级电容组的充电。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，超级电容组的充电过程包括：检测超级电容组电压，如果电容电压达到满充，则进入电容浮充状态，如果电容电压小于450VDC，则细分电压等级，进入所处的判断电压范围，不同电压等级对应不同占空比，选择好占空比后，开始给超级电容充电。

10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，充电过程中，检测刹车电阻的温度，监测超级电容组温度，若超出设定的限制，进入故障模式。