CN108590957A - 一体化变桨控制器及变桨系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种一体化变桨控制器及变桨系统。一体化变桨控制器包括：控制器壳体、变桨控制部件和电源管理器；变桨控制部件和电源管理器均设置在控制器壳体的内部；电源管理器与变桨控制部件相连，用于给变桨控制部件供电；变桨控制部件包括：中央处理器及电源接口；电源接口的一端连接中央处理器，另一端与电源管理器相连。本发明实施例的一体化变桨控制器及变桨系统，将变桨控制部件和电源管理器进行集成式设计，减少了空间的占用以及故障隐患点，能够提高变桨系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种一体化变桨控制器及变桨系统。
背景技术
变桨系统作为大型风电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨控制已成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。
变桨控制器是兆瓦级大型风机变桨系统的核心控制单元。变桨控制器接收主控制器发送的期望桨距角和变桨速度等参数，驱动桨叶的电机伺服系统，实现对桨叶转动角度和速度的独立控制。通过对桨叶的桨距角的调整，稳定发电机的输出功率。
目前的变桨系统包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、充电器、DC/DC电源、伺服驱动器、超级电容和电机等功能模块或核心部件，这些功能模块或核心部件独立且分散，占用空间较大，故障隐患点多，使得变桨系统可靠性较差。
发明内容
本发明实施例提供一种一体化变桨控制器及变桨系统，能够提高变桨系统的可靠性。
一方面，本发明实施例提供了一种一体化变桨控制器，一体化变桨控制器包括：控制器壳体、变桨控制部件和电源管理器；
变桨控制部件和电源管理器均设置在控制器壳体的内部；
电源管理器与变桨控制部件相连，用于给变桨控制部件供电；
变桨控制部件包括：中央处理器及电源接口；电源接口的一端连接中央处理器，另一端与电源管理器相连。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件还包括：数字量输入接口、数字量输出接口、模拟量输入接口、模拟量输出接口、以太网通信接口、CANopen接口和现场总线通信接口；
数字量输入接口、数字量输出接口、模拟量输入接口、模拟量输出接口、以太网通信接口、CANopen接口和现场总线通信接口分别与中央处理器连接；
以太网通信接口还与上位机相连；
CANopen接口还与风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连；
现场总线通信接口还与风力发电机组的主控制器相连。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件还包括：旋转编码器、旋转变压器和绝对值编码器；
旋转编码器、旋转变压器和绝对值编码器分别与中央处理器连接；
旋转编码器，用于测量和调节风力发电机组的变桨系统的伺服电机的转速；
旋转变压器，用于测量桨叶的桨距角和变桨速度；
绝对值编码器，用于测量桨叶的桨距角。
在本发明的一个实施例中，电源管理器包括：供电电路、AC/DC电路、DC/DC电路、控制电路和监测电路；
AC/DC电路与外部交流电源相连；
DC/DC电路的一端与AC/DC电路相连，另一端通过供电电路与变桨控制部件连接；
控制电路与DC/DC电路的另一端相连，用于对DC/DC电路的电流和/或电压进行控制；
监测电路与DC/DC电路的另一端相连，用于对DC/DC电路的电流和/或电压进行监测。
在本发明的一个实施例中，一体化变桨控制器还包括：后备电源；电源管理器还包括充电电路；
DC/DC电路的另一端通过充电电路与后备电源连接；
后备电源分别与电源管理器以及风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连。
在本发明的一个实施例中，后备电源包括：
超级电容模组，或铅酸电池，或锂电池。
在本发明的一个实施例中，一体化变桨控制器还包括：设置在控制器壳体内的伺服驱动器。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件和伺服驱动器分别集成于控制器壳体内。
另一方面，本发明实施例提供了一种变桨系统，变桨系统包括本发明实施例提供的一体化变桨控制器。
本发明实施例的一体化变桨控制器及变桨系统，将变桨控制部件和电源管理器进行集成式设计，减少了空间的占用以及故障隐患点，能够提高变桨系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第一种结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的变桨控制部件的第一种结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的变桨控制部件的第二种结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的电源管理器结构示意图；
图5示出了本发明实施例提供的AC/DC电路的结构示意图；
图6示出了本发明实施例提供的DC/DC电路的结构示意图；
图7示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第二种结构示意图；
图8示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第三种结构示意图；
图9示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第四种结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第一种结构示意图。一体化变桨控制器可以包括：控制器壳体101、变桨控制部件102和电源管理器103；
变桨控制部件102和电源管理器103均设置在控制器壳体101的内部。
电源管理器103与变桨控制部件102相连，用于给变桨控制部件102供电；
变桨控制部件102可以包括：中央处理器及电源接口；电源接口的一端连接中央处理器，另一端与电源管理器相连。变桨控制部件102用于控制风力发电机组的桨叶的桨距角和变桨速度，实现变桨控制。
本发明实施例的一体化变桨控制器，将变桨控制部件和电源管理器进行集成式设计，减少了空间的占用以及故障隐患点，能够提高变桨系统的可靠性。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件102还可以包括：数字量输入接口、数字量输出接口、模拟量输入接口、模拟量输出接口、以太网通信接口、CANopen接口和现场总线通信接口。如图2所示，图2示出了本发明实施例提供的变桨控制部件的第一种结构示意图。
数字量输入接口12、数字量输出接口13、模拟量输入接口14、模拟量输出接口15、以太网通信接口16、CANopen接口17、现场总线通信接口18和电源接口19分别与中央处理器11连接。
电源接口19还与电源管理器103相连。
中央处理器11，用于控制桨叶的桨距角和变桨速度，实现变桨控制。
以太网通信接口16还与上位机相连，用于一体化变桨控制器与上位机之间的通信。
CANopen接口17还与风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连，用于一体化变桨控制器与伺服驱动器之间的通信。
现场总线通信接口18还与风力发电机组的主控制器相连，用于一体化变桨控制器与主控制器之间的通信。
数字量输入接口12、数字量输出接口13、模拟量输入接口14和模拟量输出接口15分别用于接收数字量数据输入、输出数字量数据、接收模拟量数据输入和输出模拟量数据。
在本发明的一个实施例中，中央处理器可以为PLC。PLC是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
在本发明的一个实施例中，可以根据设计需求选择中央处理器。示例性的，假设中央处理器的标准规格为具有24个数字量输入接口和16个数字量输出接口。若设计需求为需要36个数字量输入接口和24个数字量输出接口，则可以选择两个中央处理器。两个中央处理器通过总线进行通讯。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件102还可以包括：旋转编码器、旋转变压器和绝对值编码器。如图3所示，图3示出了本发明实施例提供的变桨控制部件的第二种结构示意图。
旋转编码器20、旋转变压器21和绝对值编码器22分别与中央处理器11连接。
旋转编码器20，用于测量和调节风力发电机组的变桨系统的伺服电机的转速。
旋转变压器21，用于测量桨叶的桨距角和变桨速度。
绝对值编码器22，用于测量桨叶的桨距角。
在本发明的一个实施例中，电源管理器103可以包括：供电电路、AC/DC电路、DC/DC电路、控制电路和监测电路。AC/DC电路与外部交流电源相连。DC/DC电路的一端与AC/DC电路相连，另一端通过供电电路与变桨控制部件连接。控制电路与DC/DC电路的另一端相连，用于对DC/DC电路的电流和/或电压进行控制。监测电路与DC/DC电路的另一端相连，用于对DC/DC电路的电流和/或电压进行监测。
在本发明的一个实施例中，电源管理器103可以包括：充电电路，DC/DC电路的另一端通过充电电路与后备电源连接。如图4所示，图4示出了本发明实施例提供的电源管理器的结构示意图。
AC/DC电路31，与外部交流电源相连，用于交流电到直流电的转换。
DC/DC电路32与AC/DC电路31，用于直流电到直流电的转换。
供电电路33与DC/DC电路32相连，用于给变桨控制部件102供电。
充电电路34与DC/DC电路32相连，用于给风力发电机组的变桨系统的后备电源进行充电。
控制电路35与DC/DC电路32相连，用于对DC/DC电路32的电流和/或电压进行控制。
监测电路36与DC/DC电路32相连，用于对DC/DC电路32的电流和/或电压进行监测。
图5示出了本发明实施例提供的AC/DC电路的结构示意图。AC/DC电路可以包括：电容51和六个功率半导体器件，六个功率半导体器件分别为S1、S2、S3、S4、S5和S6，其中，由S1和S2构成的半桥电路与外接交流电源三相电中第一相相连；由S3和S4构成的半桥电路与外接交流电源三相电中第二相相连；由S5和S6构成的半桥电路与外接交流电源三相电中第三相相连；电容51连接于正电压输出端和负电压输出端。
在本发明的一个实施例中，DC/DC电路可以为DC/DC非隔离电源电路，也可以为DC/DC隔离电源电路。其中，非隔离电源是指在输入端和负载端之间没有通过变压器进行电气隔离，输入端和负载端直接连接，输入端和负载端共地。隔离电源是通过变压器将输入端的电压降到较低的电压，供负载使用。
图6示出了本发明实施例提供的DC/DC电路的结构示意图。DC/DC电路可以包括：第一滤波电容器61、第二滤波电容器62、直流支撑电容63、第一续流二极管64、第二续流二极管65、第一绝缘栅双极型晶体管66、第一绝缘栅双极型晶体管67、第一二极管68、第二二极管69、第一电感70和第二电感71。
其中，第一电感70的一端与正电压输出端相连。
第一电感70的另一端分别连接到第一绝缘栅双极型晶体管66的发射极和第一二极管68的负极。
第一绝缘栅双极型晶体管66的集电极和第一滤波电容器61的一端连接到正电压输入端。
第一二极管68的正极和第一滤波电容器61的另一端连接到负电压输出端。
第一绝缘栅双极型晶体管66与第一续流二极管64反并联。
第二电感71的一端与负电压输出端相连。
第二电感71的另一端分别连接到第二绝缘栅双极型晶体管67的集电极和第二二极管69的正极。
第二绝缘栅双极型晶体管67的发射极和第二滤波电容器62的一端连接到负电压输入端。
第二二极管69的负极和第二滤波电容器62的另一端连接到正电压输出端。
第二绝缘栅双极型晶体管67与第二续流二极管65反并联。
需要说明的是，本发明实施例并不对供电电路、充电电路、AC/DC电路、DC/DC电路、控制电路和监测电路的具体结构进行限定，任何可用的结构均可应用于本发明实施例中。
AC/DC电路31将高压交流电转换为高压直流电，DC/DC电路32对高压直流电进行调节，通过供电电路33给变桨控制部件102供电，并通过充电电路304给后备电源进行充电。
在本发明的一个实施例中，可以根据设计需求选择电源管理器。示例性的，假设电源管理器的额定输出电压为150伏特(V)、额定输出电流为45安培(A)。若设计需求为需要130V电压和90A电流，则选择两个电源管理器，将两个电源管理器进行并联，每个电源管理器的输出电压设置为130V，输出电流设置为45A。
基于上述描述，本发明实施例提供的一体化变桨控制器如图7所示，图7示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第二种结构示意图。
在本发明的一个实施例中，本发明实施例提供的一体化变桨控制器还可以包括：后备电源。如图8所示，图8示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第三种结构示意图。
后备电源104分别于电源管理器103以及风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连，用于风力发电机组的变桨系统故障时，为变桨系统提供供电。
具体的，后备电源104与电源管理器103中的DC/DC电路32连接。
在本发明的一个实施例中，后备电源104可以包括：
超级电容模组，或铅酸电池，或锂电池。
在本发明的一个实施例中，可以根据设计需求选择超级电容模组。示例性的，假设超级电容模组的输出电压为16.2V。若设计需求为后备电源需提供100V电压，则选择7个超级电容模组，将7个超级电容模组进行串联组成后备电源。
本发明实施例的一体化变桨控制器，将变桨控制部件、电源管理器和后备电源进行集成式设计，进一步减少了空间的占用以及故障隐患点，能够提高变桨系统的可靠性。
在本发明的一个实施例中，本发明实施例提供的一体化变桨控制器还可以包括：伺服驱动器。如图9所示，图9示出了本发明实施例提供的一体化变桨控制器的第四种结构示意图。
伺服驱动器105与变桨控制部件102以及风力发电机组的变桨系统的伺服电机连接，用于根据变桨控制部件102发送的变桨控制指令，驱动伺服电机以控制桨叶的桨距角和变桨速度，实现变桨控制。
在本发明的一个实施例中，可以根据设计需求选择伺服驱动器。示例性的，假设伺服驱动器的额定输出功率为8千瓦(kw)。若功率设计需求为15kw，则选择2个伺服驱动器，将2个伺服驱动器进行并联。
本发明实施例的一体化变桨控制器，将变桨控制部件、电源管理器、后备电源和伺服驱动器进行集成式设计，进一步减少了空间的占用以及故障隐患点，能够提高变桨系统的可靠性。
在本发明的一个实施例中，变桨控制部件和伺服驱动器可以集成在一起，当然也可以被分别集成于控制器壳体内。
另外，本发明实施例还提供了一种变桨系统，变桨系统可以包括本发明实施例提供的一体化变桨控制器。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种一体化变桨控制器，其特征在于，所述一体化变桨控制器包括：控制器壳体、变桨控制部件和电源管理器；
所述变桨控制部件和所述电源管理器均设置在所述控制器壳体的内部；
所述电源管理器与所述变桨控制部件相连，用于给所述变桨控制部件供电；
所述变桨控制部件包括：中央处理器及电源接口；所述电源接口的一端连接所述中央处理器，另一端与所述电源管理器相连。
2.根据权利要求1所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述变桨控制部件还包括：数字量输入接口、数字量输出接口、模拟量输入接口、模拟量输出接口、以太网通信接口、CANopen接口和现场总线通信接口；
所述数字量输入接口、所述数字量输出接口、所述模拟量输入接口、所述模拟量输出接口、所述以太网通信接口、所述CANopen接口和所述现场总线通信接口分别与所述中央处理器连接；
所述以太网通信接口还与上位机相连；
所述CANopen接口还与所述风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连；
所述现场总线通信接口还与所述风力发电机组的主控制器相连。
3.根据权利要求2所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述变桨控制部件还包括：旋转编码器、旋转变压器和绝对值编码器；
所述旋转编码器、所述旋转变压器和所述绝对值编码器分别与所述中央处理器连接；
所述旋转编码器，用于测量和调节所述风力发电机组的变桨系统的伺服电机的转速；
所述旋转变压器，用于测量所述桨叶的桨距角和变桨速度；
所述绝对值编码器，用于测量所述桨叶的桨距角。
4.根据权利要求1所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述电源管理器包括：供电电路、AC/DC电路、DC/DC电路、控制电路和监测电路；
所述AC/DC电路与外部交流电源相连；
所述DC/DC电路的一端与所述AC/DC电路相连，另一端与通过所述供电电路与所述变桨控制部件连接；
所述控制电路与所述DC/DC电路的另一端相连，用于对所述DC/DC电路的电流和/或电压进行控制；
所述监测电路与所述DC/DC电路的另一端相连，用于对所述DC/DC电路的电流和/或电压进行监测。
5.根据权利要求4所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述一体化变桨控制器还包括：后备电源；所述电源管理器还包括充电电路；
所述DC/DC电路的另一端通过所述充电电路与后备电源连接；
所述后备电源分别与所述电源管理器以及所述风力发电机组的变桨系统的伺服驱动器相连。
6.根据权利要求5所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述后备电源包括：
超级电容模组，或铅酸电池，或锂电池。
7.根据权利要求1所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述一体化变桨控制器还包括：设置在所述控制器壳体内的伺服驱动器；
所述伺服驱动器与所述变桨控制部件以及所述风力发电机组的变桨系统的伺服电机连接。
8.根据权利要求7所述的一体化变桨控制器，其特征在于，所述变桨控制部件和所述伺服驱动器分别集成于控制器壳体内。
9.一种变桨系统，其特征在于，所述变桨系统包括权利要求1至8任一项所述的一体化变桨控制器。
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