CN113238510A - 全集成式变桨控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了全集成式变桨控制系统，包括滑环、柜外组件、集成组件以及一个变桨轴柜，所述集成组件设置于所述变桨轴柜内，所述柜外组件设于所述变桨轴柜外；所述滑环与所述集成组件连接，所述集成组件与所述柜外组件连接。本发明实施例通过将原先的三个轴柜集成为一个变桨轴柜，省略掉三个轴柜之间的连接线缆和端子，以达到降低成本和提高可靠性，将超级电容模组、变桨伺服驱动器、主电防雷器、通信防雷器、24V电源模块进行高度集成，布置在变桨轴柜内，减少多余的外壳和器件，实现集成度高、功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低的变桨控制系统。

Description

全集成式变桨控制系统

技术领域

本发明涉及变桨控制系统技术领域，尤其涉及全集成式变桨控制系统。

背景技术

目前行业内都是采用三叶风轮式风力发电机组，主要由三片桨叶、轮毂和塔筒等组成。风力发电机组的工作原理为风吹到三片桨叶上，推动桨叶旋转，进而带动轮毂和发电机旋转发电。由于自然界风速是实时变化的，为了实现变化风速下能实现稳定的满发电状态，通过实时调节桨叶的桨距角，进而调节桨叶吸收的风能、调节三片桨叶的旋转速度，进而控制发电机的发电量。

变桨距控制系统由最初的六柜变桨控制系统过度到现在大批量使用的三柜控制系统。如图1所示，三个轴柜根据滑环送来的主控命令，分别控制三片桨叶，进行实时变桨。滑环将风机机舱内24V信号经过24V信号连接端子进入轴柜1；三相400V主电经过重载连接头进入轴柜1，通信信号经过连接端子送入轴柜1；三相400V主电经过主电防雷器、空气开关、电抗器进入到变桨伺服驱动器，其中，空开后端接入了一个24V电压模块；24V信号直接接入到变桨伺服驱动器，通信信号经过通信防雷器进入到变桨伺服驱动器。变桨伺服驱动器标配一个超级电容模组，用于三相400V掉电时，紧急顺桨。轴柜1的超级电容模组上配备一个超级电容开关1，用于切断超级电容与变桨伺服驱动器的电气连接，轴柜1变桨伺服驱动器的电机输出经过UVW重载端子接入到电机；抱闸输出经过抱闸端子接入到抱闸，旋变编码器用于检测电机转速，并通过编码器端子输入到变桨伺服驱动器，用于速度和位置控制，接近开关安装在变桨系统的特殊位置，用于检测桨叶的角度，限位开关安装在变桨系统安全保护位置，用于提供最后一层硬件保护。轴柜1经通信/24信号端子将通信数据和24V信号经过通信/24V信号端子输出到轴柜2。轴柜1经三相400V重载端子将三相主电经过三相400V重载端子输出到轴柜2。轴柜2内部的配给基本和轴柜1类似。

上述三柜变桨控制系统存在如下局限性：三柜变桨控制系统三个轴柜间存在大约23个连接端子头，而且很多都是重载端子和线缆，成本较高；三个轴柜内部存在大量的线槽和线缆，接线人工成本高，布局布线难度较高，容易出现布局不合理而导致电磁兼容干扰的问题，可靠性较差；三个轴柜、三套空开、三套电抗器成本相对较高，重量相对较重；由于轴柜已经提供了IP54的防护，所以轴柜内部的变桨伺服驱动器和超级电容模组的外壳成本占比较高；三个轴柜间传输通信信号和24V信号，存在被干扰风险，且连接线缆都是专用线缆，成本较高；三柜变桨控制系统的功率密度相对较低。

因此，有必要设计一种新的系统，实现集成度高、功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低的变桨控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供全集成式变桨控制系统。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供全集成式变桨控制系统，包括滑环、柜外组件、集成组件以及一个变桨轴柜，所述集成组件设置于所述变桨轴柜内，所述柜外组件设于所述变桨轴柜外；所述滑环与所述集成组件连接，所述集成组件与所述柜外组件连接。

其进一步技术方案为：所述集成组件包括主电通讯防雷板、电源板、整流板、逆变接口板、逆变组件、超级电容板组件，所述主电通讯防雷板与所述滑环连接，所述电源板与所述主电通讯防雷板连接；所述整流板与所述逆变接口板连接，所述逆变接口板与所述逆变组件连接，所述主电通讯防雷板与所述整流板连接，所述逆变组件与所述超级电容板组件连接，所述变桨轴柜的外端设有端子组件，所述逆变组件通过所述端子组件与所述柜外组件连接。

其进一步技术方案为：所述主电通讯防雷板依序通过空气开关以及电抗器与所述整流板连接。

其进一步技术方案为：所述空气开关与所述电源板连接。

其进一步技术方案为：所述逆变组件包括三个逆变单元，每个所述逆变单元分别通过所述端子组件与所述柜外组件连接。

其进一步技术方案为：所述超级电容板组件包括三组超级电容板，每个所述逆变单元连接有一组所述超级电容板。

其进一步技术方案为：所述变桨轴柜上设有三相400V重载输入主电端子以及24V通信端子，所述三相400V重载输入主电端子以及24V通信端子分别与所述滑环连接，所述三相400V重载输入主电端子与所述主电通讯防雷板连接，所述24V通信端子与其中一个所述逆变单元连接。

其进一步技术方案为：所述柜外组件包括限位开关、接近开关、抱闸、电机以及旋变变压器；所述限位开关、接近开关、抱闸、电机以及旋变变压器分别通过所述端子组件与所述逆变单元连接。

其进一步技术方案为：每个所述超级电容板连接有超级电容开关，所述超级电容开关设于所述变桨轴柜外。

其进一步技术方案为：所述端子组件包括DI输入端子、控制端子、重载UVW端子以及编码器反馈端子，所述DI输入端子分别与所述限位开关以及所述接近开关连接，所述控制端子与所述抱闸连接，所述重载UVW端子与所述电机连接，所述编码器反馈端子与所述旋变变压器连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过将原先的三个轴柜集成为一个变桨轴柜，省略掉三个轴柜之间的连接线缆和端子，以达到降低成本和提高可靠性，将超级电容模组、变桨伺服驱动器、主电防雷器、通信防雷器、24V电源模块进行高度集成，布置在变桨轴柜内，减少多余的外壳和器件，实现集成度高、功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低的变桨控制系统。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为现有技术的变桨控制系统的示意性框图；

图2为本发明实施例提供的全集成式变桨控制系统的示意性框图；

图中标识说明：

10、滑环；20、变桨轴柜；30、三相400V重载输入主电端子；40、24V通信端子；51、主电通讯防雷板；52、电源板；53、整流板；54、逆变接口板；55、空气开关；56、电抗器；57、逆变单元；58、超级电容板；60、限位开关；61、接近开关；62、抱闸；63、电机；64、旋变变压器；65、超级电容开关；71、DI输入端子；72、控制端子；73、重载UVW端子；74、编码器反馈端子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的全集成式变桨控制系统，该系统可以运用于三叶风轮式风力发电机63组的场景中，实现集成度高、功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低的变桨控制系统。

请参阅图2，上述的全集成式变桨控制系统，包括滑环10、柜外组件、集成组件以及一个变桨轴柜20，集成组件设置于变桨轴柜20内，柜外组件设于变桨轴柜20外；滑环10与集成组件连接，集成组件与柜外组件连接。

变桨轴柜20为内部集成电路板的外壳，提供IP54以上防护等级。从变桨控制系统层面降低整个风机的度电成本，解决三柜变桨控制系统价格相对较高、人工成本相对较高、功率密度较小、集成度相对较低，可靠性相对较低、部分部件重复配置等问题，本实施例可降低变桨控制系统成本、提高功率密度、降低人工成本、提高可靠性，将三个轴柜合并成一个变桨轴柜20，以降低轴柜的总体积和总质量，同时将省略掉三个轴柜之间的连接线缆和端子以达到降低成本和提高可靠性。将三个轴柜内的超级电容模组、变桨伺服驱动器、主电防雷器、通信防雷器、24V电源模块进行高度集成，将各个模块的结构件尽可能的省略，已达到最大程度降低成本的目的，同时将之前三个轴柜内的线缆尽量减小，并用PCB的方式替代人工接线，降低人工成本，提高可靠性。最大限度的降低变桨轴柜20的总体尺寸、提高功率密度，以全集成方式，降低人工接线成本、提高可靠性并最大限度降低变桨控制系统的成本。

在一实施例中，请参阅图2，上述的集成组件包括主电通讯防雷板51、电源板52、整流板53、逆变接口板54、逆变组件、超级电容板组件，主电通讯防雷板51与滑环10连接，电源板52与主电通讯防雷板51连接；整流板53以及逆变接口板54，整流板53与逆变接口板54连接，逆变接口板54与逆变组件连接，逆变组件与超级电容板组件连接，变桨轴柜20的外端设有端子组件，逆变组件通过端子组件与柜外组件连接。

主电通讯防雷板51主要用于主电防雷和通信防雷，由导轨式安装的防雷器拆除外壳集成的防雷板。电源板52是24V电源板52，主要由导轨式安装电源模块拆开外壳的集成电源板52；逆变组件删除了传统变桨伺服驱动器的外壳和部分风扇，将逆变功率板、逆变控制板和超级电容充电器板直接集成于轴柜内，降低成本，提高可靠性。该单元用于控制桨叶的调桨。超级电容板组件直接集成于变桨轴柜20内部，删除了多余的外壳，给逆变组件提供后备电源。从变桨轴柜20内部的集成组件进行集成，可使得整个系统功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低。

在一实施例中，请参阅图2，主电通讯防雷板51依序通过空气开关55以及电抗器56与整流板53连接。

在本实施例中，整流板53将交流电整流成直流电，给三个逆变单元57提供直流母线，逆变接口板54用于实现三台逆变单元57间的通信连接和信号连接。

在一实施例中，请参阅图2，上述的空气开关55与电源板52连接。

空气开关55用于输入端的过载过热保护。

在一实施例中，请参阅图2，上述的逆变组件包括三个逆变单元57，每个逆变单元57分别通过端子组件与柜外组件连接

在一实施例中，请参阅图2，上述的超级电容板组件包括三组超级电容板58，每个逆变单元57连接有一组超级电容板58。

将超级电容、变桨伺服驱动器、24V电源、输入输出端子和线缆以全部集成或者部分集成的方式，安装于一个变桨轴柜20中。所有集成的超级电容，变桨伺服驱动器等模块可以以模块的方式集成，也可以以单板方式集成。变桨伺服单元的整理桥部分可以以三合一的形式集成，也可以以三个整流单元并存的方式集成。

在一实施例中，请参阅图2，上述的变桨轴柜20上设有三相400V重载输入主电端子30以及24V通信端子40，三相400V重载输入主电端子30以及24V通信端子40分别与滑环10连接，三相400V重载输入主电端子30与主电通讯防雷板51连接，24V通信端子40与其中一个逆变单元57连接。24V通信端子40，用于传递安全链等信号和通信。

在一实施例中，请参阅图2，上述的柜外组件包括限位开关60、接近开关61、抱闸62、电机63以及旋变变压器64；限位开关60、接近开关61、抱闸62、电机63以及旋变变压器64分别通过端子组件与逆变单元57连接。

在一实施例中，请参阅图2，上述的每个超级电容板58连接有超级电容开关65，超级电容开关65设于变桨轴柜20外。

超级电容开关65控制超级电容板58和逆变单元57的电气连接。

在一实施例中，请参阅图2，上述的端子组件包括DI输入端子71、控制端子72、重载UVW端子73以及编码器反馈端子74，DI输入端子71分别与限位开关60以及接近开关61连接，控制端子72与抱闸62连接，重载UVW端子73与电机63连接，编码器反馈端子74与旋变变压器64连接。DI为开关量。

将后备电源超级电容以集成或不集成的方式存在，而超级电容以外的变桨伺服控制系统等部件进行集成的方式，以及超级电容和集成变桨伺服系统的任意组合方式。

相比于传统三轴柜变桨控制系统，删除了三个轴柜间接线、重载线缆和端子，删除了逆变模块、超级电容和24V电源模块的外壳，将三个空气开关55变为1个空气开关55，将三个输入电抗器56变为一个电抗器56，将三个整流板53集成为一个整流板53，将三个逆变接口板54的散热器集成为一个大的散热器，集成度更高，功率密度更大、空间更小、质量更小、抗干扰更强、更稳定可靠，且成本更低。

上述的全集成式变桨控制系统，通过将原先的三个轴柜集成为一个变桨轴柜20，省略掉三个轴柜之间的连接线缆和端子，以达到降低成本和提高可靠性，将超级电容模组、变桨伺服驱动器、主电防雷器、通信防雷器、24V电源模块进行高度集成，布置在变桨轴柜20内，减少多余的外壳和器件，实现集成度高、功率密度大、空间小、质量小、抗干扰强、稳定可靠且成本低的变桨控制系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.全集成式变桨控制系统，其特征在于，包括滑环、柜外组件、集成组件以及一个变桨轴柜，所述集成组件设置于所述变桨轴柜内，所述柜外组件设于所述变桨轴柜外；所述滑环与所述集成组件连接，所述集成组件与所述柜外组件连接。

2.根据权利要求1所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述集成组件包括主电通讯防雷板、电源板、整流板、逆变接口板、逆变组件、超级电容板组件，所述主电通讯防雷板与所述滑环连接，所述电源板与所述主电通讯防雷板连接；所述整流板与所述逆变接口板连接，所述逆变接口板与所述逆变组件连接，所述主电通讯防雷板与所述整流板连接，所述逆变组件与所述超级电容板组件连接，所述变桨轴柜的外端设有端子组件，所述逆变组件通过所述端子组件与所述柜外组件连接。

3.根据权利要求2所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述主电通讯防雷板依序通过空气开关以及电抗器与所述整流板连接。

4.根据权利要求3所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述空气开关与所述电源板连接。

5.根据权利要求2所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述逆变组件包括三个逆变单元，每个所述逆变单元分别通过所述端子组件与所述柜外组件连接。

6.根据权利要求5所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述超级电容板组件包括三组超级电容板，每个所述逆变单元连接有一组所述超级电容板。

7.根据权利要求6所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述变桨轴柜上设有三相400V重载输入主电端子以及24V通信端子，所述三相400V重载输入主电端子以及24V通信端子分别与所述滑环连接，所述三相400V重载输入主电端子与所述主电通讯防雷板连接，所述24V通信端子与其中一个所述逆变单元连接。

8.根据权利要求7所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述柜外组件包括限位开关、接近开关、抱闸、电机以及旋变变压器；所述限位开关、接近开关、抱闸、电机以及旋变变压器分别通过所述端子组件与所述逆变单元连接。

9.根据权利要求8所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，每个所述超级电容板连接有超级电容开关，所述超级电容开关设于所述变桨轴柜外。

10.根据权利要求8所述的全集成式变桨控制系统，其特征在于，所述端子组件包括DI输入端子、控制端子、重载UVW端子以及编码器反馈端子，所述DI输入端子分别与所述限位开关以及所述接近开关连接，所述控制端子与所述抱闸连接，所述重载UVW端子与所述电机连接，所述编码器反馈端子与所述旋变变压器连接。

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