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一种高度集成式一体化 风电变桨控制器

阅读：546发布：2020-05-20

专利汇可以提供一种高度集成式一体化风电变桨控制器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高度集成式一体化风电变桨控制器，属于风电变桨控制技术领域。包括交流永磁同步电机驱动系统、PLC系统、开关电源、后备电源充电器。本发明相比于传统的变桨控制器，优点在于：1)将传统的变桨控制柜内的核心四大电控部件集成在一起，柜内连接线路大大减少，集成度高，可靠性高，安装和调试方便；2)采用全数字化控制，控制性能稳定可靠；3)采用永磁同步电机控制，功率密度大，起动转矩大，对电网运行的影响小，系统体积小，重量轻；4)采用旋转变压器检测电机速度，保证良好的电机控制性能；5)采用RS232 接口和CAN接口作为通讯和调试接口。，下面是一种高度集成式一体化风电变桨控制器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高度集成式一体化风电变桨控制器，包括交流永磁同步电机驱动系统(U1)、PLC系统(U2)、开关电源(F1)、后备电源充电器(F2)，其特征在于：
交流永磁同步电机驱动系统(U1)包括顺次连接的整流电路、预充电电路、逆变电路以及数字信号处理器(P1)，整流电路将三相交流电网输入整流为直流母线，直流母线接入逆变电路，逆变电路的输出连接至永磁同步电机(A5)，所述数字信号处理器(P1)产生PWM信号，通过光耦隔离放大电路驱动逆变电路；
通过电机旋转变压器(A4)获取桨叶位置信号，并将所读取的桨叶位置信号通过CAN通信回路传递给PLC系统(U2)；
交流永磁同步电机驱动系统(U1)控制永磁同步电机(A5)旋转；
PLC系统(U2)采集外部DI信号及控制DO信号；
开关电源(F1)的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统(U1)的直流母线上，开关电源(F1)输出24V控制系统电源；
后备电源充电器(F2)的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统(U1)的直流母线上，控制后备电源(A3)充电。
2.根据权利要求1所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述预充电电路包括预充电电阻(R1)和预充电继电器(J1)，所述预充电电阻(R1)连接在整流电路和逆变电路之间，所述预充电继电器(J1)与预充电电阻(R1)并联，由数字信号处理器控制；
数字信号处理器(P1)接收永磁同步电机的电流检测信号、直流母线电压检测信号以及通过旋转变压器所获取桨叶位置信号，所述数字信号处理器(P1)产生PWM信号，通过光耦隔离放大电路驱动逆变电路。
3.根据权利要求2所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述交流永磁同步电机驱动系统(U1)还通过CAN通信与PLC系统(U2)交互数据。
4.根据权利要求1所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述后备电源充电器，其电路输入端接在交流永磁同步电机驱动系统(U1)直流母线，输出端接后备电源(A3)。
5.根据权利要求4所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述后备电源充电器包括第一开关管(S10)、第二开关管(S20)、第一续流二极管(D10)、第二续流二极管(D20)、电感(L0)，所述第一开关管(S10)、第二开关管(S20)串联连接在交流永磁同步电机驱动系统(U1)的直流母线正负极之间；所述第一续流二极管(D10)、第二续流二极管(D20)分别反向并联在第一开关管(S10)、第二开关管(S20)两端，所述第一开关管(S10)、第二开关管(S20)的连接处通过电感(L0)连接至后备电源的一端，后备电源的另一端接直流母线的负极。
6.根据权利要求5所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述后备电源充电器还包括电感电流检测回路(Sen0)，数字信号处理器接收该电感电流信号。
7.根据权利要求6所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
通过调整第一开关管(S10)的占空比，控制后备电源(A3)的充电电流。
8.根据权利要求6或7所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
当电网电压失电时，所述后备电源充电器工作在电池放电模式，以维持一个较高的直流母线电压，平衡永磁同步电机在高转速时的反电势，使变桨系统尽快完成顺桨；
通过调整第二开关管(S20)的占空比，控制后备电源(A3)的放电电流。
9.根据权利要求1所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述开关电源(F1)输入端接在一体化变桨控制器的直流母线上；开关电源采用Boost和双端正激的两级式电路结构，前级输入采用Boost电路实现中间直流电压的抬升；通过高频脉冲隔离变压器(T1)实现稳定的控制系统电源输出。
10.根据权利要求1所述的高度集成式一体化风电变桨控制器，其特征在于：
所述PLC系统(U2)由开关电源(F1)的控制系统电源供电；PLC系统(U2)中，ARM控制核心采集DI信号，控制DO信号，通过CAN通信与永磁同步电机驱动系统(U1)交互数据，实现变桨系统逻辑控制与保护功能。

说明书全文

一种高度集成式一体化风电变桨控制器

技术领域

[0001] 本发明属于风电变桨控制技术领域，特别涉及一种高度集成式一体化风电变桨控制器，适用于对风电变桨系统永磁同步电机的控制。

背景技术

[0002] 目前国内2MW低风速及以上的大容量风力发电机电动型变桨系统中，高性能中等功率永磁同步电机由于其功率密度高、调节精度高、动态性和可靠性高的优势，得到越来越多的应用。当前，变桨系统的功率等级在不断提高的同时对控制系统可靠性的要求也越来越高。传统变桨控制系统采用分立式架构，此架构布局布线复杂，生产工艺繁琐；电缆接插件易老化易受温度湿度及电磁干扰等环境因素影响。传统变桨控制系统采用异步电机作为执行元件，

[0003] 本发明涉及的一种紧凑型架构的高度集成式一体化风电变桨控制器，控制器内将集成全功能的集成伺服驱动器，将PLC系统永磁同步电机控制系统、开关电源、后备电源充电器集成到控制器中，减小控制器体积，最大程度的保证系统可靠性和降低系统的成本。采用永磁同步电机驱动系统，增大了系统功率密度，增强了系统可靠性。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高度集成式一体化风电变桨控制系统。

[0005] 本发明具体采用以下技术方案：

[0006] 一种高度集成式一体化风电变桨控制器，包括交流永磁同步电机驱动系统U1、PLC系统U2、开关电源F1、后备电源充电器F2，其特征在于：

[0007] 交流永磁同步电机驱动系统U1通过外部三相电网输入A1供电，通过电机旋转变压器A4获取桨叶位置信号，并将所读取的桨叶位置信号通过CAN通信回路传递给PLC系统U2；

[0008] 交流永磁同步电机驱动系统U1控制永磁同步电机A5旋转；

[0009] PLC系统U2采集外部DI信号及控制DO信号；

[0010] 开关电源F1的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线上，开关电源F1输出24V控制系统电源；

[0011] 后备电源充电器F2的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线上，控制后备电源A3充电。

[0012] 本发明进一步包括以下优选方案：

[0013] 交流永磁同步电机驱动系统U1包括顺次连接的整流电流、预充电电路、逆变电路以及数字信号处理器；

[0014] 所述整流电路将三相交流电网输入整流为直流母线，直流母线接入逆变电路的输入，逆变电路的三相输出接到永磁同步电机A5，控制永磁同步电机A5旋转；

[0015] 所述预充电电路包括预充电电阻R1和预充电继电器J1，所述预充电电阻R1连接在整流电路和逆变电路之间，所述预充电继电器J1与预充电电阻R1并联，由数字信号处理器控制；

[0016] 数字信号处理器P1接收永磁同步电机的电流检测信号、直流母线电压检测信号以及通过旋转变压器A4所获取桨叶位置信号，所述数字信号处理器P1产生PWM信号，通过光耦隔离放大电路Dr1驱动逆变电路。

[0017] 所述交流永磁同步电机驱动系统U1还通过CAN通信与PLC系统U2交互数据。

[0018] 所述后备电源充电器，其电路输入端接在交流永磁同步电机驱动系统U1直流母线，输出端接后备电源A3。

[0019] 所述后备电源充电器包括第一开关管S10、第二开关管S20、第一续流二极管D10、第二续流二极管D20、电感L0，所述第一开关管S10、第二开关管S20串联连接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线正负极之间；所述第一续流二极管D10、第二续流二极管D20分别反向并联在第一开关管S10、第二开关管S20两端，所述第一续流二极管D10、第二续流二极管D20的连接处通过电感L0连接至后备电源的一端，后备电源的另一端接直流母线的负极。

[0020] 所述后备电源充电器还包括电感电流检测回路Sen0，数字信号处理器接收该电感电流信号，通过调整第一开关管S10的占空比，控制后备电源A3的充电电流。

[0021] 当电网电压失电时，所述后备电源充电器工作在电池放电模式，以维持一个较高的直流母线电压，平衡永磁同步电机在高转速时的反电势，使变桨系统尽快完成顺桨。

[0022] 通过调整第二开关管S20的占空比，控制后备电源A3的放电电流。

[0023] 所述开关电源F1输入端接在一体化变桨控制器的直流母线上；开关电源采用Boost和双端正激的两级式电路结构，前级输入采用Boost电路实现中间直流电压的抬升；通过高频脉冲隔离变压器T1实现稳定的控制系统电源输出。

[0024] 所述PLC系统U2由开关电源F1的控制系统电源供电；PLC系统中，ARM控制核心采集DI信号，控制DO信号，通过CAN通信与永磁同步电机驱动系统U1交互数据，实现变桨系统逻辑控制与保护功能。本发明的优点：1)将传统的变桨控制柜内的分立的核心四大电控部件集成在一起，内部连接线路大大减少，集成度高，可靠性高；2)采用全数字化控制，控制性能稳定可靠；3)采用永磁同步电机控制，功率密度大，起动转矩大，对电网运行的影响小，系统体积小，重量轻；4)采用旋转变压器检测电机速度，保证良好的电机控制性能；5)采用RS232 接口和CAN接口作为通讯和调试接口。

[0025] 说明书附图

[0026] 图1为传统的变桨系统原理总图；

[0027] 图2为本发明提出的一体化变桨系统原理总图；

[0028] 图3为本发明的永磁同步电机驱动系统电路示意图；

[0029] 图4为本发明的后备电源充电器电路示意图；

[0030] 图5为本发明的开关电源电路示意图；

[0031] 图6为本发明的PLC系统结构示意图。

具体实施方式

[0032] 下面通过附图对本发明作进一步的详细说明。

[0033] 如图1所示为传统的变桨系统原理总图，包括交流异步电机驱动系统U10、开关电源F10、后备电源充电器F20、PLC系统U20等四大分立元件。外部三相电网输入A10接入后备电源充电器F20，后备电源充电器F20输出接入后备电源A30，后备电源A30同时连接系统直流母线。直流母线接入开关电源F10的输入，开关电源F10的输出接。图1所示在传统的变桨系统中，系统直流母线不是封闭在柜内的，与交流异步电机驱动系统U10、开关电源F10、后备电源充电器F20和后备电源A30存在耦合，连接线路较多。

[0034] 交流异步电机驱动系统U10控制异步电机A50旋转；交流异步电机驱动系统U10读取光电编码器A40获取桨叶位置信号，通过CAN通信回路传递给PLC系统U20。PLC系统U20采集外部DI信号A20及控制DO信号A60；

[0035] CAN接口C10作为PLC系统U20的通讯接口，RS232接口C20作为交流异步电机驱动系统U10的调试接口。

[0036] 如图2所示为本发明提出的高度集成式一体化变桨控制器系统原理总图。交流永磁同步电机驱动系统U1通过外部三相电网输入A1供电，读取电机旋转变压器A4获取桨叶位置信号，通过CAN通信回路传递给PLC系统U2；

[0037] 交流永磁同步电机驱动系统U1控制永磁同步电机电机A5旋转；

[0038] PLC系统U2采集外部DI信号A2及控制DO信号A6；

[0039] 开关电源F1的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线上，开关电源F1输出24V控制系统电源；

[0040] 后备电源充电器F2的输入端接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线上，控制后备电源A3充电；

[0041] CAN接口C1和RS232接口C2分别作为一体化变桨控制器的通讯和调试接口。

[0042] 如图3所示为交流永磁同步电机驱动系统电路示意图。整流电路将三相交流电网输入A1整流为直流母线。直流母线接入逆变电路INV的输入，逆变电路INV的三相输出接到永磁同步电机A5，控制永磁同步电机旋转A5。预充电电阻R1和预充电继电器J1构成预充电电路，预充电继电器J1由数字信号处理器P1控制。Cap1、Cap2为直流母线支撑电容，R2、R3为直流母线支撑电容的均压电阻，R4为直流母线泄放电阻。R5、Sen1构成直流母线电压检测电路，直流母线电压检测送入数字信号处理器P1。Sen2、Sen3构成电机电流检测电路，电机电流检测信号送入数字信号处理器P1。数字信号处理器P1产生PWM信号，通过光耦隔离放大电路Dr1驱动逆变电路INV。

[0043] 如图4所示为后备电源充电器电路示意图。所述后备电源充电器包括第一开关管S10、第二开关管S20、第一续流二极管D10、第二续流二极管D20、电感L0，所述第一开关管S10、第二开关管S20串联连接在交流永磁同步电机驱动系统U1的直流母线正负极之间；所述第一续流二极管D10、第二续流二极管D20分别反向并联在第一开关管S10、第二开关管S20两端，所述第一续流二极管D10、第二续流二极管D20的连接处通过电感L0连接至后备电源的一端，后备电源的另一端接直流母线的负极。

[0044] 图4中，充电器电路输入端接在直流母线，输出端接后备电源A3。开关管S10、续流二极管D20、电感L0构成充电Buck电路，Sen0构成电感电流检测回路，通过调整开关管S10的占空比，控制后备电源A3的充电电流。一般在变桨系统中，由于成本的原因，配置的后备电源电压低于交流三相电网的整流电压。比如三相交流整流的直流电压为540V左右，配置的后备电源电压为400V。在极端情况下，比如电网电压失电，如图4所示的电路还可以工作在电池放电模式，以维持一个较高的直流母线电压，可以平衡电机在高转速时的反电势的影响，避免因直流母线电压跌落造成的电机转速跌落问题，使变桨系统尽快完成顺桨。图4中，后备电源A3、开关管S20、续流二极管D10、电感L0构成放电Boost电路，通过调整开关管S20的占空比，控制后备电源A3的放电电流。

[0045] 如图5所示为开关电源电路示意图，开关电源输入端接在一体化变桨控制器的直流母线上。为实现宽范围电压输入，该24V开关电源采用Boost和双端正激的两级式电路结构。前级输入采用Boost电路实现中间直流电压Cap20电压的抬升。前级Boost输出稳定的直流电压Cap20电压，作为后级双管正激电路的输入电压，通过高频脉冲隔离变压器T1实现稳定的控制系统电源输出。Cap20为中间直流环节电容，Cap30为输出滤波电容。L1为前级Boost电感，S1为前级Boost电路开关管，D1为前级Boost电路续流二极管。S2、S3为后级双端正激开关管，D2、D3为后级双端正激回路续流二极管。D4为输出整流二极管，D5为输出抗浪涌保护二极管。

[0046] 如图6所示为PLC系统结构示意图。PLC系统由开关电源F1的控制系统电源供电。PLC系统中，ARM控制核心P3采集DI信号A2，控制DO信号A6，通过CAN通信与永磁同步电机驱动系统U1交互数据，实现变桨系统逻辑控制与保护功能。

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