CN201884203U - 一种基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器 - Google Patents

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马红星
孙东旭
郭振鹏
王�华
丁宛超
闫磊
吕占鹏
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Abstract

本实用新型公开了一种基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器。包括电源管理模块、超级电容模组、伺服驱动器、以及控制PLC等部件，电源管理模块外接交流电源，电源管理模块连接至伺服驱动器，所述伺服驱动器与交流伺服电机相连；宽电压范围的DC/DC直流电源连接至电源管理模块，为所述PLC提供24V直流电源，控制PLC通过CAN通信线连接至所述伺服驱动器；超级电容模组并联于电源管理模块与伺服驱动器之间作为后备应急电源。本实用新型采用了超级电容作为后备电源，从而减小了轴箱体积，也提高了系统的可靠性。低压交流驱动技术的采用使得变桨伺服电机控制简单、转矩大，动态响应能力强，定位精度高。另外，三个主要功能相同的轴箱通过外部连线可组成风机的变桨系统。

Description

一种基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电变桨距控制系统，尤其涉及一种紧凑型设计的低压交流驱动电动变桨控制器。
背景技术
风电变桨控制系统是兆瓦级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统。在风机启动过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现风机依靠风力自行启动；在风机正常运行过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现达到额定风速后维持满负荷运行，不过载；在风机正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶转到预定安全位置，实现空气动力刹车，确保风机安全运行。
当前常用的风电变桨控制系统有液压式和电动式两种，而电动式变桨系统应用更为广泛。电动变桨控制器按电机驱动方式分为直流驱动和交流驱动两类。交流驱动具有成本低廉，维护量小，可靠稳定的优点。按所用后备电源的种类可分为超级电容和蓄电池两种。由于超级电容的功率密度较大，同等驱动能力下占用体积小，可合并安装于控制柜内，所以一般设计为三柜式(三个轴柜)。而用蓄电池作为后备电源时，需要单独的电池箱与控制柜相连，一般为六柜(三个轴柜和三个电池柜)或七柜式(一个主控柜，三个轴柜和三个电池柜)。这样整个系统体积较大，使用不方便。另外蓄电池可维护性较差，抗低温能力不强，寿命短，长期使用后导致变桨系统可靠性下降。
发明内容
为解决使用蓄电池作为后备电源时体积大以及其他本质上的缺点，本设计使用超级电容作为后备电源，充电时间仅一分钟，存储能量满足至少3次安全停机动作的要求。另外超级电容充放电次数多，将后备电源维护周期从2年提高到10年左右，大大降低了运行维护成本。
本实用新型具体采用以下技术方案：
一种基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括电源管理模块、超级电容模组、伺服驱动器、以及控制PLC部件；其特征在于：
所述电源管理模块外接交流电源，电源管理模块连接至伺服驱动器，所述伺服驱动器与交流伺服电机相连；
所述电源管理模块通过24V直流电源为所述控制PLC供电，控制PLC通过CAN通信线连接至所述伺服驱动器；
所述超级电容模组并联于电源管理模块与伺服驱动器之间作为后备应急电源。
三个主要功能相同的变桨控制器通过外部线缆相连接，组成风机的变桨控制系统。
由于超级电容的功率密度较大，电流驱动能力强，所以可使用较少电容串联以低压方式驱动。另外兆瓦级风机桨叶的质量普遍较大，本实用新型选用低压大转矩伺服电机，其额定线电压3*29V、工作电流125A，最大扭矩75Nm，电机连接采用3*50mm的专用伺服电机电缆，轴箱侧与电机侧可靠接地。在控制方式上，设计采用滑差控制技术解决了交流电机在伺服驱动中的动态控制问题。该控制方式具有控制简单、转矩大，动态响应能力强，定位精度高等特点。
在设计轴箱结构时，根据轮毂特征将其设计为梯形结构，使内部空间最大化，可将后备电源和驱动控制系统放置于一个柜体内。系统采用模块化设计，将内部空间划分为个独立的三个区。由于超级电容具有耐寒，发热小的特性，将其与发热量大的充电器和伺服模块分区安装，有利于系统各模块的稳定运行。该紧凑型设计很好的利用了内部空间，集成化程度高，附属线路少。系统散热采用冷板技术，保证系统散热的同时去掉了定期更换的风扇，系统可靠性大为提高。
在密封设计上，机箱采用一次浇注成型的密封胶条和搭扣锁紧的密封方式，密封胶条压缩度超过5mm，密封效果良好。
附图说明
图1为本实用新型的系统总体结构示意图；
图2为本实用新型的变桨轴箱内部布置图；
图3为本实用新型的系统原理结构示意图。
具体实施方式
整个系统结构如图1所示，包括三台变桨轴箱，分别编号为轴箱A、轴箱B和轴箱C，以及与各轴箱连接的伺服电机、位置传感器和限位开关。每个轴箱单独控制一个桨叶，轴箱与轴箱、轴箱与电机之间通过电缆连接。电机的扭矩通过减速箱联结至桨叶法兰齿轮。电机减速齿轮和法兰齿轮装置为轮毂部件，此处不在赘述。
系统外部进线经滑环接入系统，其进线有3*400V+N+PE三相供电电源回路，PROFIBUS-DP通讯回路，其次还有安全链继电器回路。如图1所示。以上三路由机舱柜引出连接至A柜，再由A柜连接至B柜，B柜到C柜。三相电源在送入下一轴箱前倒换了相 位，以避免各轴箱加热器和24V电源等单相负载均使用一相供电而造成三相电源不平衡。
轴箱内部布置如图2所示，其右侧A区安装电容2C1、2C2、2C3、2C4，四个电容串联接线，以及安装有进线空开1Q1、1F2，接线端子1X1、1X2，转换开关6S1、6S2。左侧B区安装电源管理模块1G1、1G2，交流伺服驱动器2U1，以及加热器1E1。考虑到B区散热需求，功率器件均安装于散热板上。C区为控制板，C板一侧装有合页，作夹层设计安装于B区上方，C板安装有控制PLC，24V电源2T1、2T2，温度控制开关1S1，接线端子排2X1、4X1，继电器组以及控制空开2F2、2F3、2F4、1F4、1F5。轴箱背面为外部接线插头，其连接都有过压保护装置。轴箱正面装有系统总开关和模式转换开关。
桨叶的位置由电机内置的光电编码器送出信号至PLC运算获得。为了校准和监视桨叶位置，桨叶上装有两只接近开关，一个负责3°～5°桨叶位置监视与校准，另外一个负责90°桨叶位置监视与校准。正常情况下，桨叶运行区间为0°到92°。当系统顺桨时，桨叶收回至89°。若控制系统故障，收桨超过95°，触发限位开关，此时伺服断电、电机抱闸。95°限位开关作为变桨系统最后一条安全措施，保证了系统的安全运行。
系统每个轴箱均由一套独立PLC控制。PLC需完成的控制任务有：1、轴箱作为风机主控的从站接受主控发送的指令信号，并且回传本机运行状态，三个轴箱PROFIBUS-DP通讯站号分别设置为51、52和53。2、监视变桨系统的运行状态，当出现异常情况时断开安全链，通知风机进入紧急状态。3、PLC通过CAN总线连接伺服驱动器，控制电机到达所需位置。
由于变桨系统工作环境温度范围大，当温度较低时，为了避免PLC等控制器件失效，系统安装有轴箱加热装置1E1。温度设定由1S1温控开关控制。当轴箱内部温度低于15℃时，PLC不启动，1S1启动1E1模块加热。当温度高于10℃，1S1控制PLC正常启动。当系统启动后，其工作热耗散可维持正常工作温度。另外当轴箱内部温度大于50℃时，PLC启动1E1散热风扇。
本设计选用超级电容模组参数为500F，16V。4个模组串联，工作电压60V，最大持续放电电流可达150A。如图3所示，电源管理模块将系统电源和充电模块合二为一，超级电容模块并联于直流母线上，主备电源在紧急模式下可无延时切换。系统选用宽输入电压范围的24V开关电源为PLC和继电器等控制器件供电。
正常工作时变桨系统接受主控制指令控制桨叶到达设定位置。当风机系统故障，安全链断开时，变桨系统进入紧急模式，桨叶以9°/S迅速顺桨至安全位置，保护了风机的安全运行。若变桨系统交流供电故障，则整个系统由超级电容供电，8秒后变桨系统进入紧急模式，这样的设计满足了风机低电压穿越的要求。另外，由于本实用新型三个轴箱均由独立的PLC系统控制，若一台轴箱故障，另外两台接收到安全链断开信号后可保证风机系统安全停机。

Claims (4)

1.一种基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括电源管理模块、超级电容模组、伺服驱动器、以及控制PLC部件；其特征在于：
所述电源管理模块外接交流电源，电源管理模块连接至伺服驱动器，所述伺服驱动器与交流伺服电机相连；
所述电源管理模块通过24V直流电源为所述控制PLC供电，控制PLC通过CAN通信线连接至所述伺服驱动器；
所述超级电容模组并联于电源管理模块与伺服驱动器之间作为后备应急电源。
2.根据权利要求1所述的基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于：电源管理模块、超级电容模组、伺服驱动器、以及控制PLC部件均安装于轴箱内，后备应急电源和驱动控制系统放置于一个柜体内。
3.根据权利要求2所述的基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于：轴箱采用冷板进行散热，使用一次浇注成型的密封胶条和搭扣锁紧的方式进行密封。
4.根据权利要求1所述的基于低压交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于：三个主要功能相同的变桨控制器通过外部线缆相连接，组成风机的变桨控制系统。
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