技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
风力发电变桨系统，尤其是一种基于超级电容、通过BOOSTER
升压电路提供备份直流电源的、高可靠冗余电变桨系统。
背景技术
[0002] 变桨系统在
风力发电系统中发挥着重要作用，变桨系统性能直接影响到风
电机组的输入功率和风力
发电机组安全稳定。 变桨系统通过调节桨叶
角度来调节吸收的风力功率大小，并且在不同工况下
风力发电机组发生任何故障时，都能保证桨叶迅速收桨，使风机转速下降。 在故障情况下，桨叶能否顺利收桨，关系到整个风电机组的安全，如果收桨失败，特别是在风速很大的情况下，将会损坏
齿轮箱、
刹车盘，甚至整个机组损坏的严重后果。
[0003] 现在风力发电领域变桨系统执行机构主要有2种：液压变桨距执行机构和电气变桨距执行机构。 液压变桨控制机构具有传动力矩大、重量轻、
刚度大、执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把桨叶调节至设定
节距，但液压变桨距系统存在漏油、卡塞、不易维护等缺点。 电气变桨执行机构是利用电机驱动桨叶转动的。 电气变桨距系统没有液压变桨机构那么复杂，便于维护，也没有漏油、卡塞等现象发生，因此受到了许多厂家的关注。 随着电机控制技术的进步，电气变桨距系统已经受到了大多数整机厂家的青睐，越来越多国内外大型整机厂的风力发电机组都采用了电气变桨距机构。
[0004] 而电气变桨距机构又可以分为2种：直流变桨系统和交流变桨系统。 直流变桨系统一般由
电池组
串联组成后备电源，采用直流串激电机作为
驱动电机，但直流电机具有电刷，存在需要经常维护，体积大、重量大等问题，同时直流电机鲁棒性也没有交流电机强。 交流变桨系统采用交流感应电机和
伺服电机，具备体积小、驱动性能好的特点。
[0005]
蓄电池因为成本低廉、技术成熟、产品较多等原因，现在广泛被用于变桨系统的后备电源，但是蓄电池在风力发电变桨系统中使用，也存在一定的问题。 首先，电池放电过程中会发生化学反应，多次充放电会严重影响电池寿命和性能，且电池充
放电管理复杂。 在
电网长时间掉电情况下，为了保证电池供电不间断，还要进行深度放电，导致电池使用寿命缩短，要经常更换，同时在重新给电池充电时时间较长。 其次电池功率
密度不高，在故障情况下，要提供足够的
能量，就要很多个电池串并组合，增大系统成本和体积。由于电池
工作温度范围较窄，一般要到0℃以上才能开始正常工作，不太适应寒冷
气候。
[0006] 在风力发电领域的变桨系统中，备份直流电源和交流驱动电源都采用采用冗余互联设计的方式，并在电网掉电和驱动系统出现故障的情况下，能够互相协调顺利收桨，目前尚未见诸报道。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于：针对目前风力发电领域变桨系统中电气变桨距系统存在的问题，尤其是电气变桨距中直流电机鲁棒性差、采用交流感应电机和伺服电机时以蓄电池为备份直流电源维护困难、工作可靠性特别是在低温环境的可靠性差等一系列问题，提供一种基于超级电容的冗余电变桨系统。
[0008] 本发明的目的是这样实现的：一种基于超级电容的冗余电变桨系统，包括PLC模
块、交流电源、备份直流电源和三个桨叶变桨驱动模块，PLC模块通过主回路
开关电源获得直流工作电源，各桨叶的安全
位置设有限位开关，与各桨叶对应的驱动电机上设有
编码器，其特征在于：
[0009] a)每个桨叶变桨驱动模块由两路电源输入，一路为380V三相交流电源，另一路为备份直流电源；
[0010] b)各桨叶变桨驱动模块通过设在输出端的主电源
接触器K1或K2或K3
直接驱动对应的驱动电机M1或M2或M3；当三个桨叶变桨驱动模块中至少有一个无故障，且有故障的桨叶变桨驱动模块无法直接驱动对应的驱动电机时，在无故障的桨叶变桨驱动模块直接驱动对应的驱动电机收桨，使对应桨叶到达安全位置后，再由无故障的桨叶变桨驱动模块驱动有故障的桨叶变桨驱动模块对应的驱动电机到达安全位置；
[0011] 各桨叶变桨驱动模块分别通过主
制动接触器B1或B2或B3与对应的电机M1或M2或M3的制动线圈连接，同时，第一桨叶变桨驱动模块D1通过制动冗余接触器FB2与驱动电机M2的制动线圈连接，第二桨叶变桨驱动模块D2通过制动冗余接触器FB3与驱动电机M3的制动线圈连接，第三桨叶变桨驱动模块D3通过制动冗余接触器FB1与驱动电机M1的制动线圈连接；
[0012] c)当三个桨叶变桨驱动模块都出现故障时，380V三相交流电源将分别通过接触器GK1或GK2或GK3直接驱动对应的驱动电机M1或M2或M3，完成收桨，桨叶触及相应的限位开关后，使驱动电机停机，完成收桨动作；
[0013] d)所述的备份直流电源为三个，它们分别与各桨叶变桨驱动模块的对应连接，所述的各备份直流电源均由超级电容充电器、超级电容和BOOSTER升压电路组成，三个备份直流电源的输出端分别与各自对应的桨叶驱动模块的直流输入DC-link端连接，同时，第一备份直流电源的输出端还通过第一继电器开关KB1与第二桨叶驱动模块D2的直流输入DC-link端连接，第二备份直流电源的输出端还通过第二继电器开关KB2与第三桨叶驱动模块D3的直流输入DC-link端连接，第三备份直流电源的输出端还通过第三继电器开关KB3与第一桨叶驱动模块D1直流输入DC-link端连接；可以实现三个备份直流电源同时向任意一个驱动模块提供备份直流电源，满足驱动模块收桨能量需求；
[0014] e)PLC模块与桨叶变桨驱动模块之间设有通讯线。
[0015] 在本发明中：当三个桨叶变桨驱动模块中的至少一个无故障，有故障的桨叶变桨驱动模块无法直接驱动对应的驱动电机时，由无故障的桨叶变桨驱动模块驱动有故障的桨叶变桨驱动模块对应的驱动电机收桨，其中：
[0016] 在一个
驱动器坏掉的情况下，可以实现三个桨叶顺利收桨：当只有第一桨叶变桨驱动模块D1出现故障，首先第二桨叶变桨驱动模块D2通过第二主接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，第三桨叶变桨驱动模块D3通过第三主接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，在第二桨叶和第三桨叶到达安全位置后，由第三桨叶变桨驱动模块D3通过第一冗余接触器FK1驱动第一驱动电机M1收桨，使第一桨叶运行到安全位置；当只有第二桨叶变桨驱动模块D2出现故障，首先第一桨叶变桨驱动模块D1通过第一主接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，第三桨叶变桨驱动模块D3通过第三主接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，在第一桨叶和第三桨叶到达安全位置后，由第一桨叶变桨驱动模块D1通过第二冗余接触器FK2驱动第二驱动电机M2收桨，使第二桨叶运行到安全位置，当只有第三桨叶变桨驱动模块D3出现故障，首先第一桨叶变桨驱动模块D1通过第一主接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，第二桨叶变桨驱动模块D2通过第二主接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，在第一桨叶和第二桨叶到达安全位置后，由第二桨叶变桨驱动模块D2通过第三冗余接触器FK3驱动第三驱动电机M3收桨，使第三桨叶运行到安全位置；
[0017] 在两个驱动器同时坏掉的情况下，可以实现两个桨叶顺利收桨：当第一桨叶变桨驱动模块D1和第二桨叶变桨驱动模块D2同时出现故障，则第三桨叶变桨驱动模块D3首先通过第三主电源接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，当第三桨叶到达安全位置后，由第三桨叶变桨驱动模块D3通过第一冗余接触器FK1，驱动第一驱动电机M1收桨，使第一桨叶到达安全位置；当第二桨叶变桨驱动模块D2和第三桨叶变桨驱动模块D3同时出现故障，则第一桨叶变桨驱动模块D1首先通过第一主电源接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，当第一桨叶到达安全位置后，由第一桨叶变桨驱动模块D1通过第二冗余接触器FK2，驱动第二驱动电机M2收桨，使第二桨叶到达安全位置；当第一桨叶变桨驱动模块D1和第三桨叶变桨驱动模块D3同时出现故障，则第二桨叶变桨驱动模块D2首先通过第二主电源接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，当第二桨叶到达安全位置后，由第二桨叶变桨驱动模块D2通过第三冗余接触器FK3，驱动第三驱动电机M3收桨，使第三桨叶到达安全位置。
[0018] 在本发明中：所述的备份直流电源输出端与桨叶变桨驱动模块的直流输入端DC-link之间设有隔离
二极管DC，在电网掉电时，可以实现桨叶变桨驱动模块备份直流电源和交流电源的自动切换。
[0019] 在本发明中：所述的各备份直流电源中超级电容充电器输出端还设有24V直流
开关电源，所述的24V直流开关电源直接为对应的桨叶变桨驱动模块提供工作电源，同时还通过隔离二极管向PLC模块提供后备工作电源。
[0020] 在本发明中：所述的各备份直流电源中还设有超级电容放电
电阻和超级电容状态监控器，相应的超级电容状态监控器获得的温度和
电压状态
信号导入对应桨叶变桨驱动模块的Ain1和Ain2端口。
[0021] 在本发明中：所述的380V三相交流电源与桨叶变桨驱动模块的交流输入端X1连接，在所述备份直流电源中，BOOSTER升压电路的输入端为30～150V，输出端直流电压为300～560±10V。
[0022] 在本发明中：在各驱动电机上设有编码器和各桨叶安全位置设有限位开关LS1和LS2，驱动电机的工作状态通过编码器传递到桨叶变桨驱动模块的X2端，限位开关LS1和LS2的
电信号与对应桨叶变桨驱动模块的Din3和Din4端连接，同时传递到PLC模块；当桨叶完成收桨时，将触及限位开关LS1或LS2，使驱动电机停机，完成收桨动作。
[0023] 在本发明中：所述的收桨是驱动电机驱动桨叶，调节桨叶的叶面与风向的夹角，减小风力通过桨叶产生的推力；所述的完成收桨是指桨叶处于安全位置，桨叶的叶面与风向平行，风力通过桨叶产生的推力为0，此时定义桨叶角度为90°。
[0024] 本发明的优点在于：采用由超级电容充电器、超级电容和BOOSTER升压电路组成的备份直流电源寿命长、充放电管理容易、工作温度范围广、系统冗余性好，尤其是备份直流电源和交流驱动电源都采用冗余互联设计，在电网掉电和驱动系统出现故障的情况下都能可靠收桨确保风电设备的安全；本发明结构紧凑，维护方便，尤其是在电网掉电时，若只有一个桨叶变桨驱动模块出现故障的情况下，可以保证所有桨叶顺利收桨，若出现两个桨叶变桨驱动模块同时出现故障的情况下，可以保证两片桨叶顺利收桨，满足风电系统安全要求。
附图说明
[0025] 图1是本发明
实施例的变桨系统拓扑图；
[0026] 图2是本发明涉及的一个桨叶变桨控制示意图。
具体实施方式
[0027] 附图非限制性地公开了本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0028] 实施例中涉及的主要元件及其来源：
[0029] PLC模块：型号CX1001，来源于Beckhoff。
[0030] 超级电容充电器：型号CS10.481，来源于PLUS。
[0031] 超级电容：型号BMOD0165，来源于MAXWELL。
[0032] 超级电容状态监控器：型号Supervisor For Ultracapacitor，来源于NGC。
[0033] BOOSTER升压电路：型号DC booster，来源于NGC。
[0034] 24V直流开关电源：型号cs10e241，来源于PLUS。
[0035] 桨叶变桨驱动模块：型号S700，来源于Kollmorgen。
[0036] 编码器：型号AC58，来源于HENGSTLER。
[0037] 未列的其他元件均为本领域中的惯用标准件，可以直接外购。
[0038] 由图1可见，本发明的实施例包括：PLC模块、交流电源、备份直流电源和三个桨叶变桨驱动模块，PLC模块通过开关电源获得直流工作电源，三个驱动电机M1、M2和M3均设有独立的桨叶变桨驱动模块D1、D2和D3。
[0039] 每个桨叶变桨驱动模块由两路输入模式，一路由380V三相交流电源提供，一路由备份直流电源提供。
[0040] 各桨叶变桨驱动模块通过设在输出端的主电源接触器K1或K2或K3直接驱动对应的驱动电机M1或M2或M3，并通过主制动接触器B1或B2或B3与对应的驱动电机M1或M2或M3的制动线圈连接，当主制动接触器接通开启时驱动电机放松，失电时驱动电机被制动。 当三个桨叶变桨驱动模块中至少有一个无故障，且有故障的桨叶变桨驱动模块无法直接驱动对应的驱动电机收桨，在无故障的桨叶变桨驱动模块直接驱动对应的驱动电机后，再由无故障的桨叶变桨驱动模块驱动有故障的桨叶变桨驱动模块对应的驱动电机收桨，即：
[0041] 当三个桨叶变桨驱动模块中的只有一个出现故障时，假设只有第一桨叶变桨驱动模块D1出现故障，首先第二桨叶变桨驱动模块D2通过第二主接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，第三桨叶变桨驱动模块D3通过第三主接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，在第二桨叶和第三桨叶到达安全位置后，通过主制动接触器B2、B3直接制动对应的电机M2、M3，再由第三桨叶变桨驱动模块D3通过第一冗余接触器FK1驱动第一驱动电机M1收桨，使第一桨叶运行到安全位置，D3通过制动冗余接触器FB1制动电机M1。 假设只有第二桨叶变桨驱动模块D2出现故障，首先第一桨叶变桨驱动模块D1通过第一主接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，第三桨叶变桨驱动模块D3通过第三主接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，在第一桨叶和第三桨叶到达安全位置后，通过主制动接触器B1、B3直接制动对应的电机M1、M3，再由第一桨叶变桨驱动模块D1通过第二冗余接触器FK2驱动第二驱动电机M2收桨，使第二桨叶运行到安全位置，D1通过制动冗余接触器FB2制动电机M2。 假设只有第三桨叶变桨驱动模块D3出现故障，首先第一桨叶变桨驱动模块D1通过第一主接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，第二桨叶变桨驱动模块D2通过第二主接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，在第一桨叶和第二桨叶到达安全位置后，通过主制动接触器B2、B3直接制动对应的电机M1、M2，再由第二桨叶变桨驱动模块D2通过第三冗余接触器FK3驱动第三驱动电机M3收桨，使第三桨叶运行到安全位置，D2通过制动冗余接触器FB3制动电机M3。 可见在一个驱动器坏掉的情况下，可以实现三个桨叶顺利收桨；
[0042] 当三个桨叶变桨驱动模块中的两个同时出现故障时，假设第一桨叶变桨驱动模块D1和第二桨叶变桨驱动模块D2同时出现故障，则第三桨叶变桨驱动模块D3首先通过第三主电源接触器K3驱动第三驱动电机M3收桨，当第三桨叶到达安全位置后(制动过程与上一节描述相同，特省略)，由第三桨叶变桨驱动模块D3通过第一冗余接触器FK1，驱动第一驱动电机M1收桨，使第一桨叶到达安全位置。 假设第二桨叶变桨驱动模块D2和第三桨叶变桨驱动模块D3同时出现故障，则第一桨叶变桨驱动模块D1首先通过第一主电源接触器K1驱动第一驱动电机M1收桨，当第一桨叶到达安全位置后，由第一桨叶变桨驱动模块D1通过第二冗余接触器FK2，驱动第二驱动电机M2收桨，使第二桨叶到达安全位置。 假设第一桨叶变桨驱动模块D1和第三桨叶变桨驱动模块D3同时出现故障，则第二桨叶变桨驱动模块D2首先通过第二主电源接触器K2驱动第二驱动电机M2收桨，当第二桨叶到达安全位置后，由第二桨叶变桨驱动模块D2通过第三冗余接触器FK3，驱动第三驱动电机M3收桨，使第三桨叶到达安全位置。可见在两个驱动器同时坏掉的情况下，可以实现两个桨叶顺利收桨。
[0043] 三个桨叶变桨驱动模块都配有独立的备份直流电源，所述的各备份直流电源均由超级电容充电器、超级电容和BOOSTER升压电路组成，三个备份直流电源的输出端分别与各自对应的桨叶驱动模块的直流输入DC-link端连接，同时，第一备份直流电源的输出端还通过第一继电器开关KB1与第二桨叶驱动模块D2的直流输入DC-link端连接，第二备份直流电源的输出端还通过第二继电器开关KB2与第三桨叶驱动模块D3的直流输入DC-link端连接，第三备份直流电源的输出端还通过第三继电器开关KB3与第一桨叶驱动模块D1直流输入DC-link端连接，可以实现三个备份直流电源同时向其他驱动模块提供备份直流电源，满足驱动模块收桨能量需求。
[0044] 由图2可见，380V三相交流电源与桨叶变桨驱动模块的交流输入端X1连接；驱动信号由X3输出，制动信号由X4输出。
[0045] 备份直流电源均由超级电容充电器、超级电容和BOOSTER升压电路组成，超级电容还配有超级电容状态监控器，超级电容充电器的状态信号导入桨叶变桨驱动模块的Din1，在备份直流电源输出端与桨叶变桨驱动模块的直流输入DC-link端之间设有隔离二极管DC，在电网掉电时，隔离二极管DC可以实现桨叶变桨驱动模块备份直流电源和交流电源的自动切换。
[0046] 备份直流电源中超级电容充电器输出端设有24V直流开关电源，所述的24V直流开关电源由Din2输入，直接为对应的桨叶变桨驱动模块提供工作电源，同时还通过隔离二极管向PLC模块提供后备电源。
[0047] 备份直流电源中还设有超级电容放电电阻和超级电容状态监控器，相应的超级电容状态监控器获得超级电容的温度状态信号和电压信号导入对应桨叶变桨驱动模块的Ain1和Ain2端口。
[0048] 在各驱动电机上设有编码器和各桨叶安全位置设有限位开关LS1和LS2，驱动电机的工作状态通过编码器传递到桨叶变桨驱动模块的X2端，限位开关LS1和LS2的电信号与对应桨叶变桨驱动模块的Din3和Din4端连接，同时传递到PLC模块；当桨叶完成收桨时，将触及限位开关LS1或LS2，使驱动电机停机。在本实施例中，BOOSTER升压电路的输入端为48V，输出端直流电压为300～560±10V。 所述的收桨是通过驱动电机驱动桨叶，调节桨叶的叶面与风向的夹角，减小风力通过桨叶产生的推力。
[0049] 所述的完成收桨是指桨叶的叶面与风向平行，即桨叶角度在90°时，桨叶处于安全位置，风力通过桨叶产生的推力为0
[0050] 在实际应用中，本发明只要有一个桨叶变桨驱动模块出现故障，或只要存在380V三相交流电源，在PLC模块的控制下，都能将三个桨叶顺利收桨。 在电网掉电和两个驱动模块同时坏掉的情况下，也可以满足两个桨叶顺利收桨，满足风电系统安全要求。 PLC模块的工作电源为复式供电，即可以源于主回路开关电源提供的直流24V，也可以由备份直流电源中设置的备份开关电源提供，即：当380V三相交流电源正常供电时，PLC模块的工作电源源于主开关电源提供的直流24V，当380V三相交流电源出现故障导致停电后，PLC模块的工作电源将由无故障的备份直流电源中设置的备份开关电源提供的直流24V。 确保在出现故障的状态下PLC模块工作稳定。
[0051] 实际工作中，首先PLC初始化时后进入工作状态。 在出现故障情况下PLC模块的控制流程是这样的：当发现交流电源出现故障掉电后，立即通过各驱动模块完成收桨。在交流电源正常的情况下，PLC模块循环检测驱动模块状态。假设出现故障的是第一桨叶驱动模块D1故障，则首先正常的第二驱动模块D2和第三驱动模块D3分别将驱动各自对应的第二驱动电机M2和第三驱动电机M3，使第二桨叶和第三桨叶都运行到90°安全位置，然后第三驱动模块D3再通过冗余互联结构，驱动第一驱动电机M1，使第一桨叶运行到90°安全位置，此时PLC向风电主控系统发送所有桨叶处在安全位置信号，完成收桨。 假设第一驱动模块D1和第二驱动模块D2同时出现故障，则首先第三驱动模块D3驱动第三驱动电机M3，使第三桨叶运行到90°安全位置，然后第三驱动模块D3再通过冗余互联结构，驱动第一驱动电机M1，使第一桨叶运行到90°安全位置，此时PLC向风电主控系统发送第一桨叶和第三桨叶处在安全位置信号，完成收桨。 当发现三个驱动模块都出现故障，则通过主控信号由交流电源通过接触器GK1或GK2或GK3分别驱动各电机，完成收桨。
[0052] 以上各实施例不是对本发明的具体限制。
