CN118017880A - 一种风力发电升压变桨控制*** - Google Patents
一种风力发电升压变桨控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种风力发电升压变桨控制***，该***包括一个变桨控制柜、一个独立变桨充电管理单元、三个后备电源柜和三个并联的变桨动力总成单元；独立变桨充电管理单元输入端与变桨控制柜连接，独立变桨充电管理单元通过DC‑DC降压电源输出两路电源分别为变桨控制柜内的PLC和IO提供电源，独立变桨充电管理单元同时输出三路750V直流电源分别与三个并联的变桨动力总成单元、三个后备电源柜的超级电容相连，为三个并联的变桨动力总成单元提供能量，同时对三个后备电源柜的超级电容充电。本发明能够高效地提高风力发电机组的工作电压。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电升压变桨控制***。
背景技术
风力发电不仅能有效地减少我们对化石燃料的依赖，而且对环境污染非常小。因此，风力发电被视为推动我国能源结构优化的重要方式之一。风能将成为我国未来能源结构的重要组成部分，为我国的可持续发展注入新的活力。
在风力发电机组的运行过程中，如何确保其安全、高效地运行是一大挑战。为此，现在的风力发电机组多采用电动变桨距控制***。这种变桨控制***可以接收风机主控指令，控制桨叶角的位置，从而保证风力发电机组的安全运行。
其中现有技术，公开号为CN110080942A的发明专利申请，公开了一种风力发电变桨控制***，该发明专利所使用的技术方案，虽然可以利用每个变桨控制单元的各组成部分高度集成，使得整个变桨控制***的结构更为紧凑，同时更便于安装和维护。但是对于大容量风力发电机组的需求越来越高，如何低成本、高效地提高风力发电机组的工作电压，是当前技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种风力发电升压变桨控制***，利用独立变桨充电管理单元升压充电，高效地提高风力发电机组的工作电压。
本发明解决其问题所采用的技术方案：
涉及一种风力发电升压变桨控制***，该***包括一个变桨控制柜、一个独立变桨充电管理单元、三个后备电源柜和三个并联的变桨动力总成单元；
独立变桨充电管理单元输入端与变桨控制柜连接，独立变桨充电管理单元通过DC-DC降压电源输出两路电源分别为变桨控制柜内的PLC和IO提供电源，独立变桨充电管理单元同时输出三路750V直流电源分别与三个并联的变桨动力总成单元、三个后备电源柜的超级电容相连，为三个并联的变桨动力总成单元提供能量，同时对三个后备电源柜的超级电容充电；
三个并联的变桨动力总成单元分别包括驱动部分和永磁同步电机，变桨动力总成中的驱动部分相互独立地控制各自对应的永磁同步电机，分别接收来变桨控制柜的指令并根据指令相互独立地控制各自对应的永磁同步电机，执行风力发电机组的变桨距操作，实现桨叶独立动作。
优选的，独立变桨充电管理单元包括功率部分和控制部分，功率部分集成有防浪涌保护器、放电电阻和电压升压器，功率部分一端通过防浪涌保护器与变桨控制柜连接，另一端依次经过升压变压器、放电电阻后输出三路750V直流电源与三个后备电源柜的超级电容分别相连，为超级电容充电；控制部分包含两路通过DC-DC降压电路输出24V的直流电源、独立变桨充电管理单元状态信号采集模块以及CANopen通讯端口，两路24V电源其中一路为变桨控制柜的PLC供电，另一路为变桨控制柜的IO供电，CANopen通讯端口连接变桨主控柜PLC接收变桨主控柜指令和/或上传独立变桨充电管理单元状态信号。
优选的，每个后备电源柜内集成超级电容和电容开关，超级电容和对应的变桨动力总成并连在独立变桨充电管理单元对应的输出端，超级电容做为变桨动力总成单元应急电源提供后备能量。
优选的，超级电容的额定电压为150V，超级电容个数为5个，连接方式为5个超级电容串联。
优选的，独立变桨充电管理单元经过逆变转化成560V直流电后再经过
BOOST电路升压输出750V直流电，为超级电容充电。
优选的，正常运行时，超级电容与变桨动力总成的功率部分共用对应的充电管理模块升压后的直流母线，能量不足时由超级电容补充，独立变桨充电管理单元通过实时为超级电容充电保证超级电容电压稳定在750V。
优选的，变桨控制柜包括变桨控制PLC和三相电输送，变桨控制PLC接受主控指令通过运算后下发给三个变桨动力总成单元，并监测变桨***状态上传给主控，主控滑环过来的三相电源线通过变桨控制柜的接线端子连接到独立变桨充电管理单元。
优选的，变桨动力总成单元的驱动部分接收变桨控制柜内PLC的信号控制永磁同步电机转动，然后将桨叶状态信号上传给变桨控制柜，变桨动力总成单元的输入端与超级电容并联在充电管理模块的输出端。
优选的，所述变桨动力总成单元集驱动部分和永磁同步电机于一体，同时驱动部分和永磁同步电机进行可分离。
优选的，变桨控制柜集成有变桨控制PLC和开关电源。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：
1.独立变桨充电管理单元集成有防浪涌保护器，能够有效隔离电网，保证在电网存在冲击时变桨的安全。
2.实现1个独立变桨充电管理单元同时对3个变桨动力总成功率单元供电和3个后备电源柜的电容充电等功能。变桨动力总成单元集成了电机驱动部分和永磁同步电机，大大减少了变桨***的安装空间和电机驱动部分和永磁同步电机之间的电气连线，提高抗干扰能力，同时两部分可以分离，便于维护。
3.利用独立变桨充电管理单元升压充电，高效地提高风力发电机组的工作电压，更加有效地克服永磁同步电机反电动势。
4.相对于现有变桨控制***减少了超级电容个数，节约了成本并且提高了后备电源能量的利用率。
附图说明
图1为一种风力发电升压变桨控制***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。附图和具体实施方式仅用于说明本发明，并不用来限制本发明和权利要求的范围。
图1示出了具体实施方式中一种风力发电升压变桨控制***的结构示意图，其中具体示出了一个变桨控制柜2、一个独立变桨充电管理单元3、三个后备电源柜S1、S2、S3和三个独立的变桨动力总成单元A、B、C。变桨控制柜2包括动力部分21和控制部分22，动力部分21包括连接风力发电机组滑环过来的三相动力线，经过接线端子转接给独立变桨充电管理单元3输入口，动力部分21还包括连接独立变桨充电管理单元3的DC-DC降压电源32输出的两路电源，分别连接到控制部分22的PLC和IO的电源接口，控制部分22一方面接收风力发电机组主控的指令，经运算后下发控制命令给三个变桨动力总成单元A、B、C和独立变桨充电管理单元3，一方面将变桨***的状态上传给风力发电机组。独立变桨充电管理单元3，一方面给三个后备电源柜的超级电容充电，一方面为变桨控制柜2内的PLC和IO提供电源。三个后备电源柜S1、S2、S3分别为三个变桨动力总成单元A、B、C提供后备电源。三个变桨动力总成单元A、B、C用于对风力发电机组的变桨距操作进行控制，实现桨叶独立动作。
变桨控制柜2的控制部分22是风力发电变桨控制***核心，一端分三路与风机主控连接。一路接口是CANopen通讯，经过CANopen通信防雷模块22与主控滑环1相连，一端分四路CANopen接口和四路信号回路分别与独立变桨充电管理单元3、三个变桨动力总成A、B、C相连，通过CANopen通讯接收主控指令并上传变桨控制***状态故障等信息，信号回路包括安全链和EFC等信号，经过继电器与主控滑环1相连，监视变桨控制***运行状态。
独立变桨充电管理单元3包含功率部分31和控制部分32。功率部分31集成有防浪涌保护器(未示出)、放电电阻(未示出)和电压升压器，防止浪涌电压损坏功率部分，放电电阻在独立变桨充电管理单元3软启动时保证电容充电电压逐步上升防止大电流产生损坏超级电容，电压升压器将独立变桨充电管理单元3的母线电压经过进一步提升然后提供三路独立的750V电源，三路电源与三个后备电源柜S1、S2、S3分别相连，正常运行时，其中一路给后备电源柜S1充电并给变桨变桨动力总成A提供能量，能量不足时由后备电源柜S1补充。
后备电源柜S1、S2、S3分别作为变桨动力总成单元A、B、C的后备电源。
变桨动力总成单元A、B、C分别包括驱动部分A1、B1、C1和永磁同步电机A2、B2、C2。
本发明的变桨控制***中设置有CANopen防浪涌保护器位于独立变桨充电管理单元3内(未示出)。图1示出的CANopen通信防雷模块位于变桨控制柜2中的控制部分22，该CANopen通信防雷模块一方面经由发电机组上主控滑环1的CANopen信号通道连接到发电机组主控装置，另一方面通过变桨控制柜2的CANopen接口连接到变桨控制柜2内。其他控制部分的CANopen接口并联在CANopen总线上，以便同时受到CANopen通信防雷模块的保护。在确保能提供相应的安全防护情况下，CANopen通信防雷模块也可以设置在变桨控制***中的其他位置。
变桨控制柜2内设计有变桨控制PLC位于控制部分22(未示出)，变桨***的三个桨叶可由变桨控制PLC同步控制，即提高了三个桨叶的同步性和精确性，又简化了风力发电机组变桨控制***的结构，进而节约了成本和安装空间。
变桨动力总成单元中的A1、B1、C1相互独立地控制各自对应的永磁同步电机A2、B2、C2，分别接收来自变桨控制柜2的指令并根据指令执行相应的操作。
各个变桨动力总成的结构组成完全相同。下面将结合图1，以变桨动力总成A为例对变桨动力总成的结构和功能进行详细说明。
变桨动力总成A中主要安装有驱动部分A1、永磁同步电机A2。变桨控制驱动器A1和后备电源柜S1共用独立变桨充电管理单元3对应的750V的升压直流母线，即独立变桨充电管理单元3输出750V直流连接到超级电容S1和变桨动力总成功率部分A1端口。独立变桨充电管理单元3可以通过控制超级电容S1从DC680V到DC750V之间的充放电，变桨控制柜的控制部分21计算超级电容S1的实时容量。
驱动部分A1的驱动输出端口与永磁同步电机A2相连。永磁同步电机A2通过减速器(未示出)连接桨叶轴承来控制桨叶角度。永磁同步电机A2包括旋转变压器(未示出)和制动器(未示出)，可选地包括编码器(未示出)，其中制动器位于永磁同步电机A2的前端，旋转变压器或编码器位于永磁同步电机A2的后端。旋转变压器或编码器可以是一个或多个。旋转变压器或者编码器与驱动部分A1的编码器接口相连，制动器与驱动部分A1的制动器接口相连。
驱动部分A21从变桨控制柜2接收指令，然后基于所接收到的指令对永磁同步电机A2进行控制以驱动永磁同步电机A2的运动。永磁同步电机A2通过减速器(未示出)带动所连接着的桨叶转动，从而实现变桨操作。旋转变压器记录桨叶的相对位置，制动器能在桨叶处于安全位置或失电等情况下将永磁同步电机A2固定住，限制其旋转。旋转变压器和制动器可以集成于永磁同步电机A2内。
驱动部分A1集成有交流永磁同步电机驱动***、开关电源。
变桨控制柜控制部分22的PLC***对相应的变桨动力总成单元的运行进行控制。驱动部分A21设置与变桨控制柜2接口的CANopen接口、信号接口和以太网接口连接。CANopen接口接收变桨控制柜2指令，信号接口用于监视变桨动力总成A运行状态，以太网接口作为驱动部分维护端口。
本发明公开的一种风力发电升压变桨控制***，由并联的三个变桨动力总成单元和变桨控制柜2构成，每个变桨动力总成单元的各组成部分高度集成，极大的缩小了变桨控制***的体积，使得整个变桨控制***的结构更为紧凑，同时更便于安装和维护。每个变桨动力总成独立地控制对应的永磁同步电机及其传动装置，每个驱动器的工作电压可达到750V，可极大的提升同等级别电机的转速和转矩，在大容量风力发电机组的发展过程中具有很大的优势。
在发电机组运行的过程中，变桨控制***中每个变桨动力总成单元单独地进行变桨操作控制、故障诊断以及形成并存储故障文件。由于每个变桨动力总成都以能通信的方式与变桨控制柜2连接，再通过变桨控制柜2与发电机组主控装置相连接，使得发电机组主控装置能远程读取故障文件，然后通过安装在发电机组主控装置上的调试工具发送相应的复位指令，从而可以在升压站中控制实现故障诊断和复位等远程维护，减少了发电机组维护时的工作量，进一步节约生产成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风力发电升压变桨控制***，该***包括一个变桨控制柜、一个独立变桨充电管理单元、三个后备电源柜和三个并联的变桨动力总成单元；
独立变桨充电管理单元输入端与变桨控制柜连接，独立变桨充电管理单元通过DC-DC降压电源输出两路电源分别为变桨控制柜内的PLC和IO提供电源，独立变桨充电管理单元同时输出三路750V直流电源分别与三个并联的变桨动力总成单元、三个后备电源柜的超级电容相连，为三个并联的变桨动力总成单元提供能量，同时对三个后备电源柜的超级电容充电；
三个并联的变桨动力总成单元分别包括驱动部分和永磁同步电机，变桨动力总成中的驱动部分相互独立地控制各自对应的永磁同步电机，分别接收来变桨控制柜的指令并根据指令相互独立地控制各自对应的永磁同步电机，执行风力发电机组的变桨距操作，实现桨叶独立动作。
2.如权利要求1所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
独立变桨充电管理单元包括功率部分和控制部分，功率部分集成有防浪涌保护器、放电电阻和电压升压器，功率部分一端通过防浪涌保护器与变桨控制柜连接，另一端依次经过升压变压器、放电电阻后输出三路750V直流电源与三个后备电源柜的超级电容分别相连，为超级电容充电；控制部分包含两路通过DC-DC降压电路输出24V的直流电源、独立变桨充电管理单元状态信号采集模块以及CANopen通讯端口，两路24V电源其中一路为变桨控制柜的PLC供电，另一路为变桨控制柜的IO供电，CANopen通讯端口连接变桨主控柜PLC接收变桨主控柜指令和/或上传独立变桨充电管理单元状态信号。
3.如权利要求1所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
每个后备电源柜内集成超级电容和电容开关，超级电容和对应的变桨动力总成并连在独立变桨充电管理单元对应的输出端，超级电容做为变桨动力总成单元应急电源提供后备能量。
4.如权利要求3所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
超级电容的额定电压为150V，超级电容个数为5个，连接方式为5个超级电容串联。
5.如权利要求4所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
独立变桨充电管理单元经过逆变转化成560V直流电后再经过BOOST电路升压输出750V直流电，为超级电容充电。
6.如权利要求5所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
正常运行时，超级电容与变桨动力总成的功率部分共用对应的充电管理模块升压后的直流母线，能量不足时由超级电容补充，独立变桨充电管理单元通过实时为超级电容充电保证超级电容电压稳定在750V。
7.如权利要求1所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
变桨控制柜包括变桨控制PLC和三相电输送，变桨控制PLC接受主控指令通过运算后下发给三个变桨动力总成单元，并监测变桨***状态上传给主控，主控滑环过来的三相电源线通过变桨控制柜的接线端子连接到独立变桨充电管理单元。
8.如权利要求6或7所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
变桨动力总成单元的驱动部分接收变桨控制柜内PLC的信号控制永磁同步电机转动，然后将桨叶状态信号上传给变桨控制柜，变桨动力总成单元的输入端与超级电容并联在充电管理模块的输出端。
9.如权利要求8所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
所述变桨动力总成单元集驱动部分和永磁同步电机于一体，同时驱动部分和永磁同步电机进行可分离。
10.如权利要求1所述的一种风力发电升压变桨控制***，其特征在于：
变桨控制柜集成有变桨控制PLC和开关电源。
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