CN108131250B - 一种变桨***的辅助驱动装置及其控制方法 - Google Patents

一种变桨***的辅助驱动装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变桨***的辅助驱动***，驱动器与控制模块连接，辅助驱动装置的输出端与驱动器的输出端通过切换装置的输入端并联，切换装置的输出端与变桨电机连接，辅助驱动装置及切换装置分别与控制模块通讯连接。当驱动器发生故障时，变桨电机的电源将切换为辅助驱动装置的输出端，保证驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角，弥补了变桨***对变桨电机的驱动控制完全依赖驱动器的不足，可以提高变桨***乃至整个机组的安全性。同时，利用辅助驱动装置上进行相位控制，可以实现对变桨电机的转向控制，因而在风电场进行叶片安装、校对时不需要额外的辅助电源，减少了安装设备简化了安装过程。

Description

一种变桨***的辅助驱动装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种变桨***的辅助驱动装置及其控制方法。
背景技术
风能是一种新型的、可再生的环保能源，风力发电项目是国家产业政策积极扶持的重点项目。近年来，风力发电在我国获得了快速发展。风力发电机组经历了定桨距失速型、全桨叶变距型、基于变速恒频技术的变速型以及智能型的飞速发展，在此发展过程中，风力发电机组控制技术的发展起了决定作用，而桨叶控制技术的发展对整体技术的发展起到了重要的推动作用。变桨控制***是现代大型风机的重要组成部分。它可以随风速的大小对风力发电机组的叶片节距角进行自动调节。在低风速起动时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳定。
目前我国乃至全球的风力发电设备中的变桨控制装置主要有两种主流产品：一种是传统的采用直流电机作为执行部件、蓄电池作为后备电源的直流伺服驱动控制装置，第二种是采用交流电机作为执行部件、超级电容作为后备电源的交流伺服驱动控制装置。第一种采用直流伺服驱动技术，在***发生故障时，自动切换到蓄电池供电，驱动桨叶回到安全位置。但蓄电池使用寿命短及维护周期短和耐低温性能差成为了阻碍其发展的致命缺陷。第二种产品采用超级电容作为后备电源，较好地解决了使用寿命和低温性能问题，但这种产品的运行控制、***故障处理结果的执行、手动和自动都完全依赖于伺服驱动器，而一旦伺服驱动器本身发生故障，则桨叶将不能回到零功率角位置，从而使整个风电机组处于不安全状态。在风电场曾多次出现因备用电源故障导致桨叶无法回到安全位置而使风机倒塔的毁灭性事件。另外，这两种产品在风电场对叶片进行安装时都需要额外制作一套对蓄电池或超级电容进行充的电辅助电源或直接带动执行电机的电源设备，这增加了叶片安装过程的繁琐程度。
因此，如何保证伺服驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角位置且简化风电场叶片的安装过程成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何保证伺服驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角位置且简化风电场叶片的安装过程。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种变桨***的辅助驱动***，包括变桨电机、驱动器及控制模块，所述驱动器与所述控制模块连接，还包括辅助驱动装置及切换装置，其中：
所述辅助驱动装置的输出端与所述驱动器的输出端通过所述切换装置的输入端并联，所述切换装置的输出端与所述变桨电机连接，所述辅助驱动装置及所述切换装置分别与所述控制模块通讯连接；
当所述控制模块检测到所述驱动器正常工作时，所述控制模块向所述驱动器发送速度、方向指令，所述驱动器根据所述速度、方向指令和自身状态驱动所述变桨电机运转，当所述控制模块检测到所述驱动器不通电或通电处于故障状态时，所述控制模块向所述切换装置发送一个高电平故障信号，所述切换装置将所述变桨电机的电源切换为所述辅助驱动装置。
优选地，所述辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，其中：
所述双向逆变器与所述交流调压电源的输入端并联后通过所述接触器与三相电源连接，所述交流调压电源的输出端作为所述辅助驱动装置的输出端；
所述接触器与所述控制模块通讯连接；
所述双向逆变器与所述交流调压电源通讯连接。
优选地，所述辅助驱动装置还包括储能电源，其中：
所述储能电源通过直流母线与所述双向逆变器连接；
所述储能电源与所述控制模块通讯连接。
一种变桨***的辅助驱动***的控制方法，使用如权利要求1所述的变桨***的辅助驱动***对所述变桨电机进行辅助驱动，包括如下步骤：
当所述驱动器正常工作时，所述控制模块控制所述切换装置使所述驱动器与所述变桨电机连通，所述驱动器驱动所述变桨电机工作；
当所述驱动器不通电或发生故障时，所述控制模块控制所述切换装置使所述辅助驱动装置与所述变桨电机连通，所述控制模块控制所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机工作。
优选地，所述辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，所述双向逆变器与所述交流调压电源的输入端并联后通过所述接触器与三相电源连接，所述交流调压电源的输出端作为所述辅助驱动装置的输出端，所述接触器与所述控制模块通讯连接，所述双向逆变器与所述交流调压电源通讯连接，所述控制模块控制所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机工作包括：
所述控制模块控制所述接触器接触，使所述双向逆变器及所述交流调压电源分别与所述三相电源连通，所述双向逆变器采用电压空间矢量脉宽调制控制所述交流调压电源输出的交流电的频率及相位，进而控制所述变桨电机的转向及转速。
优选地，所述辅助驱动装置还包括储能电源，所述储能电源通过直流母线与所述双向逆变器连接，所述储能电源与所述控制模块通讯连接，所述辅助驱动***的控制方法还包括：
当所述储能电源的电压低于预设电压时，所述控制模块控制所述接触器接触，所述双向逆变器向所述储能电源充电；
当需要所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机且所述三相电源掉电时，所述储能电源为所述交流调压电源供电。
优选地，所述预设电压为75伏。
综上所述，本发明公开了一种变桨***的辅助驱动***，包括变桨电机、驱动器及控制模块，驱动器与控制模块连接，还包括辅助驱动装置及切换装置，辅助驱动装置的输出端与驱动器的输出端通过切换装置的输入端并联，切换装置的输出端与变桨电机连接，辅助驱动装置及切换装置分别与控制模块通讯连接。当驱动器发生故障时，变桨电机的电源将切换为辅助驱动装置的输出端，保证驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角，弥补了变桨***对变桨电机的驱动控制完全依赖驱动器的不足，可以提高变桨***乃至整个机组的安全性。同时，利用辅助驱动装置上进行相位控制，可以实现对变桨电机的转向控制，因而在风电场进行叶片安装、校对时不需要额外的辅助电源，减少了安装设备简化了安装过程。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种变桨***的辅助驱动***的结构示意图；
图2为本发明公开的辅助驱动装置的结构示意图；
图3为包括本发明公开的辅助驱动***的变桨***的结构示意图
图4为双向逆变器的控制框图；
图5为空间电压矢量、扇区示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种变桨***的辅助驱动***，包括变桨电机、驱动器及控制模块，驱动器与控制模块连接，还包括辅助驱动装置及切换装置，其中：
辅助驱动装置的输出端与驱动器的输出端通过切换装置的输入端并联，切换装置的输出端与变桨电机连接，辅助驱动装置及切换装置分别与控制模块通讯连接；
当控制模块检测到驱动器正常工作时，控制模块向驱动器发送速度、方向指令，驱动器根据速度、方向指令和自身状态驱动变桨电机运转，当控制模块检测到驱动器不通电或通电处于故障状态时，控制模块向切换装置发送一个高电平故障信号，切换装置将变桨电机的电源切换为辅助驱动装置。
在图1中AC 400V表示400伏的三相电源，实线表示电路线缆，虚线表示通讯连接线，本发明公开了一种变桨***的辅助驱动***，当驱动器正常工作时，控制模块向驱动器发送速度、方向指令，变桨驱动器根据指令和自身状态驱动变桨电机运转。当驱动器不通电或通电处于故障状态时，控制模块发出一个高电平故障信号，切换装置将变桨电机的电源切换为辅助驱动装置。本发明保证驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角，弥补了变桨***对变桨电机的驱动控制完全依赖驱动器的不足，可以提高变桨***乃至整个机组的安全性。同时，利用辅助驱动装置上进行相位控制，可以实现对变桨电机的转向控制，因而在风电场进行叶片安装、校对时不需要额外的辅助电源，减少了安装设备简化了安装过程。
如图3所示在本发明中，变桨******包括三个相对独立的控制单元以及一套辅助驱动***组成。每个控制单元包括一个控制柜，每个控制柜包括控制模块、DC/DC电源、充电电源、安全链、驱动器及超级电容器组。
三个控制单元分别控制三个变桨电机从而控制三个桨叶，并通过Profibus总线(过程现场总线)及滑环与机舱主控，成为机舱主控的三个独立的Profibus从站，即机舱主控可分别对三个控制单元进行控制。三个控制单元之间相关联的部分是轮毂的安全链，即三个控制单元分别给出一个干结点，三个结点串联形成轮毂安全链。
风力发电机组自动运行时，机舱主控通过Profibus总线向三个控制模块发送角度、速度、加速度等指令，控制模块将指令经解算处理后通过CAN总线发送给相对应的驱动器，驱动器以指定的速度驱动电机驱动变桨电机从而带动桨叶运转到指定的角度，同时将变桨电机的运行速度、驱动器的自身状态等信息发送给控制模块。控制模块将变桨***的运行状况、故障信息等发送给机舱主控。在正常运行模式中，桨叶角度从0°到近似30°来控制功率，风速大约在3至25m/s。通过调整桨叶角度控制转子速度恒定。正常运行模式包括机舱主控根据机组需要而进行的正常停机，即在变桨***无故障的情况下将桨叶顺桨到89°位置。如果遇到极端气候或紧急情况，导致变桨***无法正常顺桨，则可切换到辅助驱动装置将桨叶拉回安全位置，保证整个风力机组安全，避免重大安全事故发生。
如图2所示，具体实施时，辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，其中：
双向逆变器与交流调压电源的输入端并联后通过接触器与三相电源连接，交流调压电源的输出端作为辅助驱动装置的输出端；
接触器与控制模块通讯连接；
双向逆变器与交流调压电源通讯连接。
在图2中，AC 400V表示400伏的三相电源，实线表示电路线缆，虚线表示通讯连接线。交流调压电源的输出端通过切换装置与变桨电机相连。当需要使用辅助驱动装置时，控制模块控制接触器接触，交流调压电源向变桨电机输出交流电。变桨电机的其转动方向及速度取决于双向逆变器控制的交流调压电源的频率和相位，桨叶的转动范围受到桨叶的限位开关控制。
如图2所示，具体实施时，辅助驱动装置还包括储能电源，其中：
储能电源通过直流母线与双向逆变器连接；
储能电源与控制模块通讯连接。
当储能电源电压下降到预设电压以下时，双向逆变器对其充电。如果电网掉电，即三相电源不能正常供电时，储能电源可通过双向逆变器反向供电给交流调压电源保证变桨***顺桨。
本发明还公开了一种变桨***的辅助驱动***的控制方法，使用上述的变桨***的辅助驱动***对变桨电机进行辅助驱动，包括如下步骤：
当驱动器正常工作时，控制模块控制切换装置使驱动器与变桨电机连通，驱动器驱动变桨电机工作；
当驱动器不通电或发生故障时，控制模块控制切换装置使辅助驱动装置与变桨电机连通，控制模块控制辅助驱动装置驱动变桨电机工作。
当驱动器正常工作时，控制模块向驱动器发送速度、方向指令，变桨驱动器根据指令和自身状态驱动变桨电机运转。当驱动器不通电或通电处于故障状态时，控制模块发出一个高电平故障信号，切换装置将变桨电机的电源切换为辅助驱动装置。本发明保证驱动器本身发生故障时变桨***仍能够使桨叶回到零功率角，弥补了变桨***对变桨电机的驱动控制完全依赖驱动器的不足，可以提高变桨***乃至整个机组的安全性。同时，利用辅助驱动装置上进行相位控制，可以实现对变桨电机的转向控制，因而在风电场进行叶片安装、校对时不需要额外的辅助电源，减少了安装设备简化了安装过程。
具体实施时，辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，双向逆变器与交流调压电源的输入端并联后通过接触器与三相电源连接，交流调压电源的输出端作为辅助驱动装置的输出端，接触器与控制模块通讯连接，双向逆变器与交流调压电源通讯连接，控制模块控制辅助驱动装置驱动变桨电机工作包括：
控制模块控制接触器接触，使双向逆变器及交流调压电源分别与三相电源连通，双向逆变器采用电压空间矢量脉宽调制控制交流调压电源输出的交流电的频率及相位，进而控制变桨电机的转向及转速。
在本发明中，双向逆变器采用了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space VectorPulse Width Modulation)，其控制框图如图4所示。双向逆变器需控制的是交流调压电源的频率及相位，以保证交流调压电源在电网掉电时仍能稳定输出。设三相电源输入的三相电压分别为ua、ub、uc经过3/2坐标变换之后，得到的ud、uq，ud、uq分别为空间旋转磁场的坐标值，用于确定旋转磁场相角，然后与参考值作比较，得到的误差经电压PI调节器调节，再经Park逆变换，最后作空间电压矢量的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)输出。
SVPWM算法是指在每个扇区内通过两个相邻的零电压空间矢量和非零电压空间矢量之间的切换，以及每个矢量的导通时间的长短调整，来逼近旋转的电压参考矢量。如图5所示，将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，并将留个扇区分别编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ。两个零电压空间矢量分别为V0(000)和V7(111)，六个非零电压空间矢量分别为V1(001)、V2(010)、V3(011)、V4(100)、V5(101)及V6(110)。
逆变器的八种开关模式对应有八个电压的空间矢量，即每一个工作模式就是输出上述的一个空间矢量。这里采用3/2坐标变换推导电压空间矢量，它可以将三相电压变换到(α，β)，坐标下如式(1)：
α和β的方向如图5所示，其中V(SaSbSc)表示电压空间矢量，SaSbSc是开关函数,表示各相桥臂的输出状态，U、V、W分别表示三相电的U相、V相和W相，j表示复数的虚部。
代入逆变器的不同开关模式，通过上述3/2坐标变换，就可以得出电压空间矢量值。以生成矢量V(110)为例，当开关状态是110时，指电路桥的触发，1代表上桥臂导通，0表示下桥臂导通：U＝udc/2，V＝udc/2，W＝-udc/2，Udc表示直流母线的电压。
其中有六种开关模式对应非零电压空间，即电压空间矢量，其幅值为
实现SVPWM控制实现的步骤如下
a.判断矢量所处扇区，扇区N＝A+2B+4C,其中：
如果Uβ>0，则A＝1；否则A＝0。
如果则B＝1；否则B＝0。
如果则C＝1；否则C＝0。
Uα,Uβ是通过上述3/2变换得出电压空间矢量值在参考坐标系(α,β)中的分量。
b.根据扇区分配矢量作用时间TX和TY，X、Y、Z是中间时间变量，便于赋值。TX和TY表示相邻两基本电压矢量作用时间。
各个扇区内TX和TY的取值见表1。
表1作用时间参数赋值表
各个扇区相邻两矢量作用的时间，要遵循开关次数最少的原则。
c.计算矢量切换点Tcm1、Tcm2和Tcm3
定义：
则在不同扇区内，各个矢量切换点Tcm1、Tcm2和Tcm3的赋值选择见表2所示：
表2矢量切换点的赋值表
根据表2和式4可以计算出各个矢量的切换点时间。
此处的目的：在于根据电压矢量调制的控制指令进行三相输出，三角载波由矢量控制***给出，目的就是要控制旋转磁场以需要的某一角频率旋转，以实现控制电机转动；SPWM的自然采样法中，常用的载波信号即是三角载波，该技术是现成的电力电子技术。
经过SVPWM调制可以使交流调压电源输出需要的三相正弦波交流电，完成对变桨电机的控制。
具体实施时，辅助驱动装置还包括储能电源，储能电源通过直流母线与双向逆变器连接，储能电源与控制模块通讯连接，辅助驱动***的控制方法还包括：
当储能电源的电压低于预设电压时，控制模块控制接触器接触，双向逆变器向储能电源充电；
当需要辅助驱动装置驱动变桨电机且三相电源掉电时，储能电源为交流调压电源供电。
具体实施时，预设电压为75伏。
预设75伏是为了保持与变桨***直流母线电压一致，需要时可以方便与其连接。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种变桨***的辅助驱动***，包括变桨电机、驱动器及控制模块，所述驱动器与所述控制模块连接，其特征在于，还包括辅助驱动装置及切换装置，其中：
所述辅助驱动装置的输出端与所述驱动器的输出端通过所述切换装置的输入端并联，所述切换装置的输出端与所述变桨电机连接，所述辅助驱动装置及所述切换装置分别与所述控制模块通讯连接；
当所述控制模块检测到所述驱动器正常工作时，所述控制模块向所述驱动器发送速度、方向指令，所述驱动器根据所述速度、方向指令和自身状态驱动所述变桨电机运转，当所述控制模块检测到所述驱动器不通电或通电处于故障状态时，所述控制模块向所述切换装置发送一个高电平故障信号，所述切换装置将所述变桨电机的电源切换为所述辅助驱动装置；
所述辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，其中：
所述双向逆变器与所述交流调压电源的输入端并联后通过所述接触器与三相电源连接，所述交流调压电源的输出端作为所述辅助驱动装置的输出端；
所述接触器与所述控制模块通讯连接；
所述双向逆变器与所述交流调压电源通讯连接。
2.如权利要求1所述的辅助驱动***，其特征在于，所述辅助驱动装置还包括储能电源，其中：
所述储能电源通过直流母线与所述双向逆变器连接；
所述储能电源与所述控制模块通讯连接。
3.一种变桨***的辅助驱动***的控制方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的变桨***的辅助驱动***对所述变桨电机进行辅助驱动，包括如下步骤：
当所述驱动器正常工作时，所述控制模块控制所述切换装置使所述驱动器与所述变桨电机连通，所述驱动器驱动所述变桨电机工作；
当所述驱动器不通电或发生故障时，所述控制模块控制所述切换装置使所述辅助驱动装置与所述变桨电机连通，所述控制模块控制所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机工作；
所述辅助驱动装置包括接触器、双向逆变器及交流调压电源，所述双向逆变器与所述交流调压电源的输入端并联后通过所述接触器与三相电源连接，所述交流调压电源的输出端作为所述辅助驱动装置的输出端，所述接触器与所述控制模块通讯连接，所述双向逆变器与所述交流调压电源通讯连接，所述控制模块控制所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机工作包括：
所述控制模块控制所述接触器接触，使所述双向逆变器及所述交流调压电源分别与所述三相电源连通，所述双向逆变器采用电压空间矢量脉宽调制控制所述交流调压电源输出的交流电的频率及相位，进而控制所述变桨电机的转向及转速。
4.如权利要求3所述的辅助驱动***的控制方法，其特征在于，所述辅助驱动装置还包括储能电源，所述储能电源通过直流母线与所述双向逆变器连接，所述储能电源与所述控制模块通讯连接，所述辅助驱动***的控制方法还包括：
当所述储能电源的电压低于预设电压时，所述控制模块控制所述接触器接触，所述双向逆变器向所述储能电源充电；
当需要所述辅助驱动装置驱动所述变桨电机且所述三相电源掉电时，所述储能电源为所述交流调压电源供电。
5.如权利要求4所述的辅助驱动***的控制方法，其特征在于，所述预设电压为75伏。
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