CN201328023Y - 用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源 - Google Patents

用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源 Download PDF

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CN201328023Y CNU2008202338281U CN200820233828U CN201328023Y CN 201328023 Y CN201328023 Y CN 201328023Y CN U2008202338281 U CNU2008202338281 U CN U2008202338281U CN 200820233828 U CN200820233828 U CN 200820233828U CN 201328023 Y CN201328023 Y CN 201328023Y
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辛理夫
杨松
赵海春
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Sinovel Polytron Technologies Inc.
Sinovel Wind Group Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其包括有能将交流电转换成直流电并供电动变桨系统变频器使用的且依次连接的整流装置、滤波器及储能电容，其中所述整流装置的输入端连接交流电源，所述储能电容的输出端连接所述电动变桨系统变频器，在所述储能电容的输入、输出端并联有依次连接的充电器、超级电容器组及保护装置、整流桥组，且在所述充电器与所述储能电容的输入端之间设置有由风力发电机组可编程控制器控制的开关。

Description

用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源
技术领域
本实用新型涉及一种用于风力发电机组电动变桨系统的电源。
背景技术
目前风力发电机组的变桨系统使用的后备电源---UPS(UninterruptiblePower Supply)电源，其储能器件均采用免维护的铅酸电池，但铅酸电池有其本质上的缺点，从而限制了铅酸电池的使用范围，具体的缺点是：1、使用寿命短；2、循环充放电次数低；3、充放电速度慢，控制难度大；4、使用环境要求高；5、所用材料污染环境。由此，风力发电机组电动变桨系统使用铅酸电池作为后备电源，有很多不足。同时，现有风力发电机变桨系统使用的后备电源的拓扑(Topology)结构存在不合理之处，不能可靠保证变桨系统的电源供应，不能可靠保证所用电池的寿命。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能有效解决上述问题的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源。
本实用新型中用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其包括有能将交流电转换成直流电并供电动变桨系统变频器使用的且依次连接的整流装置、滤波器及储能电容，其中所述整流装置的输入端连接交流电源，所述储能电容的输出端连接所述电动变桨系统变频器，在所述储能电容的输入、输出端并联有依次连接的充电器、超级电容器组及保护装置及整流桥组，且在所述充电器与所述储能电容的输入端之间设置有由风力发电机组可编程控制器控制的开关。
所述电动变桨系统变频器由变桨控制器控制。
所述超级电容器组及保护装置中的超级电容器组由多个电容器元件串联组成的电压模块串联组成的储能单元组成，其中所述电容器元件的电压在2.5V～2.7V之间，所述电容元件组成的电压模块的电压在15V～17V之间，所述串联组成的储能单元的电压在90V～100V之间。
所述每个电压模块中具有在检测到本模块电压接近设定值时能启用泄流功能将多余的充电电流通过并联的电阻型器件泄放掉以维持所述电压模块的电压不高于设定值从而保护所述电压模块的电压保护和报警装置。
所述充电器根据所述超级电容器组的电压及状态给出可调节的充电电流。
所述充电器对所述超级电容器组的充电有两种模式，分别是对所述超级电容器组中每个储能单元分时依次以低电压进行充电，或对整个所述超级电容器组整体以高电压充电。
本实用新型中用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源具有以下优点：
1、结构简单，模块化程度高，易于维护和检查；
2、能够自动实现储能元件欠电压充电的功能，且具有完善的充电控制策略；
3、能够自动实现故障断电切换功能，其响应时间不大于5毫秒；
4、储能元件寿命长，可长时间使用，且具有不小于5万次的充放电次数；
5、能够在很低的温度范围内提供可靠的电能，且保持很好的稳定性，不需要加热等特殊的辅助装置；
6、可适用于直流伺服变桨系统和交流伺服变桨系统；
7、无污染、无腐蚀性物质存在，安全可靠。
附图说明
图1为本实用新型中后备电源的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型中的具体实施例作进一步详细说明。
本实用新型中用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源包括有整流装置2、滤波器3、开关4、充电器5、超级电容器组及保护装置6、整流桥组7及储能电容8，其中：
整流装置2、滤波器3、储能电容8依次电连接，并且在整流装置2的输入端连接交流电源1，储能电容8的输出端连接电动变桨系统变频器9。在储能电容8的输入、输出端并联有依次连接的充电器5、超级电容器组及保护装置6及整流桥组7，且在充电器5的输入端与储能电容8的输入端之间设置有由风力发电机组可编程控制器(图中未示出)控制的开关4。
整流装置2为可控整流器，用于将交流电源1的交流电转换成直流电。
滤波器3和储能电容8用于对整流装置2整流后的电流进行滤波及稳压处理，以提供稳定的直流电压。
超级电容器组及保护装置6中的超级电容器组由多个电容器元件(电压在2.5V～2.7V之间)串联组成的电压模块(电压在15V～17V之间)串联组成的储能单元(电压在90V～100V之间)组成。同时每个电压模块具有电压保护和报警功能，电压保护和报警功能在检测到本模块电压接近设定值时，启用泄流功能(针对具体电容设计设定启动电压)，将多余的充电电流通过并联的电阻型器件泄放掉，以维持模块电压不高于设定值，从而保护电压模块。超级电容器组的每个储能单元对其内部的电压模块的状态进行判断，同样具有泄流控制电压的功能。电压模块及储能单元的以上功能主要目的是解决了由于电容器组之间容量的差异引起的电容充电电压不一致而导致的部分电容过电压问题，提高了电容的使用寿命和额定容量。
电动变桨系统变频器9与变桨电机10直接电连接，同时由变桨控制器11配合控制。
本实用新型中的后备电源包括由外部交流电源1、整流装置2、滤波器3、储能电容8组成的交直流转换通路(以下简称交直流转换电源)以及由充电器5、超级电容器组及保护装置6、整流桥组7组成的直直转换通路(以下简称直直转换电源)。其中电动变桨系统变频器9首选使用的电源为交直流转换电源，备选电源为直直转换电源，即外部交流电源正常时使用交直流转换电源，当检测外部电源故障时启用直直转换电源，由此，可实现对电动变桨系统变频器9的不间断供电，保护风力发电机组的安全。
本实用新型中充电器5根据超级电容器组的电压及状态给出可调节的充电电流，此可调节的充电电流依赖于电容器的电压、环境温度、外部设定等参量，可实现针对超级电容电气特点对充电速度的调节和对电容的充分保护，该充电器5可实现两种充电模式，具体是：1、对每个储能单元分时依次以低电压进行充电，可精确保证每个储能单元的电压和容量；2、对整个电容器组整体以高电压充电，具有充电速度快的优点。
本实用新型中的整流桥组7可以实现直直转换电源与交直流转换电源的无缝切换，并保证超级电容器组及保护装置6的使用电压低于额定电压。当交直流转换电源运行正常时，其运行电压要高于超级电容器组电压50V以上，由于整流桥组7的正向导通作用，在施加反向电压时不会导通，从而保证交直流转换电源的电压不会通过整流桥组7给超级电容器组充电，保护超级电容器组。而在交直流转换电源失效时，储能电容8上电压迅速降低，整流桥组7正向导通，使得超级电容器组的电压迅速施加到电动变桨系统变频器9上，保证电动变桨系统变频器9的顺利运行。
本实用新型中后备电源的具体工作原理如下：
本实用新型中的后备电源在通常状态下，通过整流装置2、滤波器3(在整流装置2、滤波器3与交流电源1之间也可以设置相应的开关器件)将风力发电机组中提供的交流电源1变换成直流电源，并通过储能电容8的滤波及稳压作用，给电动变桨系统变频器9提供稳定的直流端电压，用于控制变桨电机10。
在上述交流电源1出现故障的情况下(如风力发电机组系统掉电、风力发电机组滑环损坏等)，可以快速使用超级电容器组及保护装置6，将备用直流电供给电动变桨系统变频器9，能够快速的实现提供稳定直流端电压、提供大功率变桨电机功率的需求。而在交流电源1恢复正常情况下，通过由可编程控制器控制的开关4的作用，对超级电容器组及保护装置6实现充电。
综上所述，本实用新型中的后备电源的具体功能及优点如下：
1、通过将常规的铅酸电池组替换为超级电容器组及保护装置6，可以实现长寿命、充放电次数大幅度提高、充放电功率高等优点。
2、通过专用的充电器5，可以实现对超级电容器组及保护装置6的电压进行监控，并可实现针对超级电容器组及保护装置6电气特性的充电控制。
3、通过开关4及整流桥组7的配合，可将充电器5、超级电容器组及保护装置6与整流装置2、滤波器3及储能电容8隔离开，避免超级电容器组及保护装置6与整流装置2、滤波器3及储能电容8直接连接，可以有效的提高超级电容器组及保护装置6的使用寿命，并可以以较小的充电器5的输出功率满足充电需求。
4、本实用新型中的开关4，为通过风力发电机组主控制器PLC控制的保护开关。PLC通过判断风力发电机组的状态、电动变桨变频器9的状态、电网的状态等，对开关4进行控制，以保护充电器5以及后续器件的安全，并且在维修状态下，可以手动断开开关4。
5、在储能环节使用了超级电容器组及保护装置，并由专用的充电器完成充电功能。

Claims (6)

1、一种用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，其包括有能将交流电转换成直流电并供电动变桨系统变频器使用的且依次连接的整流装置、滤波器及储能电容，其中所述整流装置的输入端连接交流电源，所述储能电容的输出端连接所述电动变桨系统变频器，在所述储能电容的输入、输出端并联有依次连接的充电器、超级电容器组及保护装置及整流桥组，且在所述充电器与所述储能电容的输入端之间设置有由风力发电机组可编程控制器控制的开关。
2、根据权利要求1所述的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，所述电动变桨系统变频器由变桨控制器控制。
3、根据权利要求1所述的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，所述超级电容器组及保护装置中的超级电容器组由多个电容器元件串联组成的电压模块串联组成的储能单元组成，其中所述电容器元件的电压在2.5V～2.7V之间，所述电容元件组成的电压模块的电压在15V～17V之间，所述串联组成的储能单元的电压在90V～100V之间。
4、根据权利要求3所述的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，所述每个电压模块中具有在检测到本模块电压接近设定值时能启用泄流功能将多余的充电电流通过并联的电阻型器件泄放掉以维持所述电压模块的电压不高于设定值从而保护所述电压模块的电压保护和报警装置。
5、根据权利要求4所述的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，所述充电器根据所述超级电容器组的电压及状态给出可调节的充电电流。
6、根据权利要求5所述的用于风力发电机组电动变桨系统的后备电源，其特征在于，所述充电器对所述超级电容器组的充电有两种模式，分别是对所述超级电容器组中每个储能单元分时依次以低电压进行充电，或对整个所述超级电容器组整体以高电压充电。
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