直流電機變槳距系統及其控制方法技術方案

本發明專利技術屬于風力發電裝置范圍，尤其是一種直流電機變槳距系統。本系統包括電機驅動器、直流電機、超級電容組、升壓直流變換器和充電機。充電機的輸入端與三相或單相交流電源相連接。超級電容組的一端與充電機的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器的輸入端相連接。升壓直流變換器的輸出端口通過導線與直流電機的輸入端口相連接。當系統出現斷電情況時，超級電容支路可瞬間替代三相交流電源為電機系統供電，系統的可靠性得到有效提高。同時由于超級電容的能量利用率高，所以減少了其實際使用容量，降低了系統成本。該系統具備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，提高了緊急變槳的可靠性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于風力發電裝置范圍，尤其是一種直流電機變槳距系統及其控 制方法。
技術介紹
變槳距系統作為大型風電機組的技術核心，可改善槳葉受力狀況、獲取 最大風量、提高機組的發電效率和電能質量，并可在超高風速下緊急順槳以 保證風機安全運行。電動變槳距系統采用伺服電機對每個槳葉進行單獨調節，結構簡單，不 存在漏油、卡塞等現象，因而受到廣泛關注，而直流電機是電動變槳距系統 中的重要執行機構。電動變槳距系統采用三相四線制380V電源供電，為實現故障或斷電后的 緊急變槳功能，需要儲能裝置作為系統后備電源供給電機將槳葉調為順槳位 置。儲能裝置一般采用蓄電池，但近期超級電容已成為更具競爭力的選擇。 超級電容充放電速度快、效率高、循環壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高 等特點使其在風電領域很有發展前景。專利CN2736554Y和CN101083404A公布了采用超級電容作為儲能裝置的 電動變槳距系統，且超級電容與直流母線直接連接。考慮超級電容供電時電 壓快速降低的因素，上述方法必須選擇容量很大的超級電容才能滿足使用要 求，因而超級電容的能量利用率低，經濟性差。專利CN201050444Y公布了基于蓄電池和直流電機的變槳距系統，緊急變槳時，蓄電池通過簡單電路給電機供電，而不經過電機驅動器。這種方案使 得電機可控性變差，而且一旦控制裝置出現故障，將難以有效控制電機。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服了現有電動變槳距系統的上述缺陷，提供了一種 新型的直流電機變槳距系統。該系統采用了超級電容組，由于超級電容的能 量利用率高，所以減少了其實際使用容量，降低了系統成本；該系統具備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，不但使直流電機的可控性更好，而且提高 了系統的可靠性。為了實現上述目的，本專利技術采取了如下技術方案。本專利技術包括超級電容組l、升壓直流變換器2、直流電機3、電機驅動器4和充電機5。充電機5的輸入端可根據需要選擇連接三相或單相交流電源。超級電容組1的一端與充電機5的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器2的輸入端相連接。升壓直流變換器2的輸出端口通過開關K2、開關K3以及導線L4、導線L5與直流電機3的輸入端口相連接。電機驅動器4包括整流橋6、由電阻R2和開關K1構成的緩沖電路、支撐電容、由電阻R1與功率開關器件T串接構成的過壓保護裝置、以及驅動橋7。驅動橋7的輸入、輸出端分別與直流母線P與N、直流電機3相連接。 電機驅動器4的輸入端即整流橋6輸入端接三相交流電源A、 B、 C，三相交 流電源A、 B、 C經整流橋6和緩沖電路接至直流母線P、直流母線N上，支 撐電容C并接至直流母線P、直流母線N上。過壓保護裝置并接至直流母線 P、直流母線N上。當直流母線電壓過高時，功率開關器件T導通，使部分電 能消耗在電阻R1上，從而降低直流母線電壓，提高系統安全性。驅動橋7由四個功率開關器件T1 T4構成，其輸入與直流母線相連接， 輸出與直流電機3相連。升壓直流變換器2的輸出經二極管D連接至直流母線。二極管D保證了 電能由超級電容組1經升壓直流變換器2流向直流母線。升壓直流變換器2 的應用使超級電容可以釋放更多的儲能，高能量利用率降低了其實際使用容 量，從而使系統成本降低。系統正常工作時，電機驅動器4接收的電能來自三相交流電源；電源斷 電需要緊急變槳時，電機驅動器4接收的電能來自超級電容組1。由于超級電 容經升壓直流變換器實現了與直流母線的無縫連接，故網壓波動時直流母線 電壓的穩定性好；當出現斷電情況時，超級電容支路可瞬間替代三相交流電 源為電機系統供電，因此，變槳距系統的可靠性得到有效提高。5升壓直流變換器2的輸出除了經二極管D連接至直流母線外，同時與直 流電機輸入端口通過開關K2、開關K3相連接。發生電源斷電故障需要緊急 變槳時，可通過兩種方式控制電機 一是升壓直流變換器2和驅動橋7實現 能量由超級電容組1經升壓直流變換器2、驅動橋7流向直流電機3; 二是控 制升壓直流變換器2和驅動橋7實現能量由超級電容組1經升壓直流變換器2 直接流向直流電機3。兩種控制方式均能有效控制電機，而且當一路裝置出現 故障時，另一路裝置仍可有效控制電機，因此提高了系統的可靠性。本專利技術所述控制方法的特征在于根據三相電源"a、 "b、 "c能否正常供 電控制該系統分別運行于自動變槳或緊急變槳狀態。其中自動變槳控制方法如下1) 當三相交流電源"a、 Wb、 "c正常供電時，斷開開關K2、開關K3;2) 充電機5將超級電容組1充電至其額定電壓，控制升壓直流變換器2 的輸出電壓低于直流母線電壓；3) 通過驅動橋7控制直流電機3，此時直流電機的能量來源于三相交流 電源；4) 判斷直流母線電壓C/pN是否達到最大允許值，若達到則開通功率開關器件T使f/pw恢復至正常，否則繼續判斷"a、 WB、 "c的供電狀態。緊急變槳控制方法如下1) 當三相交流電源"a、 "b、 "c沒有正常供電時，斷開開關K2、開關K3;2) 若驅動橋7能夠正常工作，則通過驅動橋7控制直流電機3旋轉，直 至直流電機拖動的槳葉達到順漿位置，此時直流電機3的能量通過驅動橋7 和升壓直流變換器2來源于超級電容組1，之后繼續判斷三相交流電源wa、 wb、 Mc的狀態；3) 若驅動橋7不能正常工作，則送入驅動橋7中的開關器件的控制信號 全部為關斷信號，此時驅動橋7處于關斷狀態；4) 閉合開關K2、開關K3;5) 調節升壓直流變換器2的輸出電壓控制直流電機3旋轉，直至直流電 機拖動的槳葉達到順漿位置，此時直流電機3的能量通過升壓直流變換器26來源于超級電容組l;6)繼續判斷三相交流電源"A、 "B、 "c的供電狀態。 本專利技術具有以下優點1) 超級電容的能量利用率高，減少了其實際使用容量，降低了系統成本;超級電容的充電電源可以根據需要選擇單相或三相交流電源。2) 過壓保護裝置可有效避免直流母線電壓過高，提高了系統安全性。3) 直流母線電壓穩定性好，電網電壓波動對變槳距系統性能的影響小，系統可靠性高。4) 直流電機具備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，且二者互為備用， 不僅使電機的可控性更好，而且提高了系統的可靠性。附圖說明圖1是直流電機變槳距系統結構圖圖2是直流電機變槳距系統控制方法。 具體實施例方式下面結合圖l、圖2對本專利技術作進一步說明如圖1所示，本實施例包括有超級電容組l、升壓直流變換器2、直流電 機3、電機驅動器4和充電機5。超級電容組1分別與升壓直流變換器2的輸入端、充電機5的輸出端連 接，充電機5的輸入端可根據需要選擇連接三相或單相交流電源。系統正常 工作時，充電機5將超級電容組充電至額定電壓值。電機驅動器4包括整流橋6、緩沖電路、支撐電容、過壓保護裝置、驅動 橋7及相應的連接。驅動橋7的輸入、輸出端分別與直流母線P與N、直流 電機3相連接。電機驅動器4的輸入接三相交流電源A、 B、 C,經整流橋6 和電阻R2、開關K1構成的緩沖電路接至直流母線P、 N上，支撐電容C并 接至直流母線，整流橋6由6個二極管構成。電阻Rl與功率開關器件T串接構成過壓保護裝置并接至直流母線。當直 流母線電壓過高時，功率開關器件T以脈寬調制控制方式通斷，使部分電能 消耗在電阻R1上。驅動橋7由四個功率開關器件T1 T4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
直流電機變槳距系統，包括電機驅動器（４）和與電機驅動器（４）相連接的直流電機（３），其特征在于：還包括超級電容組（１）、升壓直流變換器（２）和充電機（５）；充電機（５）的輸入端與三相或單相交流電源相連接；超級電容組（１）的一端與充電機（５）的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器（２）的輸入端相連接；升壓直流變換器（２）的輸出端口通過導線（Ｌ４）、導線（Ｌ５）與直流電機（３）的輸入端口相連接，開關（Ｋ２）串聯在導線（Ｌ４）上、開關（Ｋ３）串聯在導線（Ｌ５）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：許家群，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]