專利名稱：一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置及風力發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著風力發(fā)電機組設(shè)計水平的不斷提高，在大型風力發(fā)電機組，特別在是 兆瓦級機組中，通常設(shè)置有變槳系統(tǒng)，其可控制葉片沿其軸向轉(zhuǎn)動從而改變氣流對葉片的 攻角，進而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩。當風速超過額定風速后，通過變槳系統(tǒng) 減小葉片攻角，從而使輸出功率穩(wěn)定在額定功率；而當遇到大風情況時，變槳系統(tǒng)可使風力 發(fā)電機組處于順槳狀態(tài)，即使葉片攻角為零，從而避免風力發(fā)電機組葉片被大風損壞。變槳 系統(tǒng)一般分為電動變距控制系統(tǒng)和液壓變槳控制系統(tǒng)。電動變槳系統(tǒng)是利用電動機的轉(zhuǎn)動 來實現(xiàn)對槳葉位置的調(diào)節(jié)，其一般包括變槳電動機、驅(qū)動器、變槳控制器、傳感器及備用電 源。備用電源用于在機組突然故障或電網(wǎng)失電時為變槳系統(tǒng)供電，以使葉片達到順槳位置， 保證機組安全。超級電容由于具有充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長等特點，通常在電動 變槳距系統(tǒng)作為備用電源使用。請參閱圖1，其為現(xiàn)有的一種電動變槳控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該裝 置主要由充電器1、超級電容組2、變頻驅(qū)動器3、變槳電機4、直流電源模塊5、以及控制電 路6組成。其中，充電器1的輸入端接三相交流電源L1、L2、L3和地線PE，輸出端為直流母 線，充電器1將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，一方面，為超級電容組2充電，使其為變槳系統(tǒng) 提供備用電源；另一方面，直流母線電壓輸入到變頻驅(qū)動器3，由變頻驅(qū)動器3將直流電逆 變成三相交流電，輸出到變槳電機4為電機供能量；同時，直流母線電壓通過直流電源模塊 5輸入到控制電路6中，由控制電路6對變槳過程進行控制。在這種裝置中，由于直流母線電壓即充電器1輸出的額定直流電壓較高，超級電 容組2需要串聯(lián)多個電容單體來共同承受該直流電壓。然而超級電容組2串聯(lián)多個電容單 體后，如果電容單體間電壓不平衡則會造成單體因承受電壓過大而損壞，而任何一個電容 單體損壞均會造成整個超級電容組2無法正常工作，因而，在超級電容組2中串聯(lián)多個單體 后帶來的電容單體間電壓平衡問題，使得系統(tǒng)的故障率大大提高，維修等費用成本也相應 提尚。此外，為了滿足變槳電機的最低工作電壓，直流母線的電壓不能低于某一個電壓 值，因此，在超級電容組作為備用電源使用時，當其輸出電壓低于某一值時便不能為變槳系 統(tǒng)提供能量，這大大降低了超級電容組2的能量利用率，為了保證超級電容組2的輸出能量 可確保系統(tǒng)能使葉片到達安全位置，就需要相應地增加超級電容組2的實際容量，即增加 超級電容組的串聯(lián)單體，從而使得超級電容組2的成本相應增加。為了降低超級電容組2的故障率和成本，現(xiàn)有技術(shù)中對圖1所示的變槳控制裝置 進行了改進，形成另一種電動變槳控制裝置，如圖2所示，其為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝 置改進之處是在圖1所示的變槳控制裝置中增加一個升壓裝置7，該升壓裝置7設(shè)置在變頻 驅(qū)動器3前端，其主要作用是將充電器1輸出的直流電壓，也就是超級電容組2兩端直流電壓和主回路中直流母線電壓，進行升壓，以使直流母線電壓滿足變槳電機4的電壓要求，由 于設(shè)置了升壓裝置7，因而在滿足變槳電機4電壓要求的同時可降低充電器1額定輸出電壓 和超級電容組2兩端的工作電壓，從而在保證超級電容能量的前提下，使得超級電容組2串 聯(lián)的電容單體減少，電容單體可以通過并聯(lián)方式組合，減少了因電容單體電壓不平衡而造 成的故障。而且在超級電容組2作為備用電源時，當電壓下降到較低電壓值時，可通過升壓 裝置7進行升壓，繼續(xù)為變槳系統(tǒng)的正常工作提供能量，從而使得超級電容組2在低電壓下 的能量得到了利用，從而提高了超級電容組2的能量利用率，進而可減少超級電容組2的實 際容量。然而，在這種裝置中，升壓裝置7是一個非常重要的部件并且是串聯(lián)在整個主電 路中，因此一旦該升壓裝置出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)均無法正常工作，超級電容組2作為備用電 源也無法起到作用，變槳系統(tǒng)可能因此而無法將葉片完成順槳動作，給整個系統(tǒng)帶來很大 的安全隱患，易造成飛車等嚴重后果。此外，在圖1和圖2所示的變槳控制裝置中，充電器1均起兩個主要作用1)將由 三相交流電網(wǎng)輸入的工頻交流電整流成直流電供超級電容組2充電；幻作為變槳驅(qū)動的主 電壓回路，為變槳電機提供能量。當變槳系統(tǒng)正常工作時，變槳過程所需要的電能主要由三 相交流電網(wǎng)提供；當三相交流電網(wǎng)失電時，超級電容組2作為備用電源為變槳系統(tǒng)提供能 量，保證整套變槳電控系統(tǒng)內(nèi)部電路正常工作，以使葉片到達順槳位置或安全位置。由于充電器1具有上述重要作用，其一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將無法持續(xù)正常工 作，因此對充電器1的可靠性設(shè)計要求較高。而且由于整個系統(tǒng)的電能均通過充電器回路， 因此，充電器1的輸出功率和輸出電流都較大，從而使其可靠性設(shè)計要求更高，也相應提高 了設(shè)計難度。此外，由于充電器1需要對超級電容組2進行充電，因此，充電器1中包括有用于 控制超級電容組組充電的控制單元，而且由于充電器1輸出電流和功率比較大，需要對超 級電容快速充電，使得相應的控制單元較復雜，從而增加了成本，并且進一步提高了充電器 1的設(shè)計要求及難度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置及在 變槳系統(tǒng)中使用該控制裝置的風力發(fā)電機組，該種變槳控制裝置設(shè)計較簡單且具有較高的 可靠性，并且成本較低。為此，本發(fā)明提供了一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其包括主供電單元、備用供 電單元、變頻驅(qū)動器和變槳電機，所述主供電單元或所述備用供電單元向所述變頻驅(qū)動器 輸出直流電，所述變頻驅(qū)動器將所述直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，并輸出到變槳電機為其提
供能量。其中，所述主供電單元包括電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置一端與三相交流電 源電連接，另一端與所述變頻驅(qū)動器電連接，用于將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電并輸出至所 述變頻驅(qū)動器。其中，所述備用供電單元包括依次電連接的充電器、備用電源和至少一個升壓裝 置，所述充電器與三相交流電源電連接，用于將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供所述備用電源充電，所述升壓裝置用于對所述備用電源的輸出電壓進行升壓，以滿足所述變槳電機的最 低工作電壓。其中，所述備用電源為蓄電池或超級電容組。其中，當所述升壓裝置為2個以上時，所述2個以上的升壓裝置并聯(lián)連接。其中，本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置還包括與所述主供電單元和所述 備用供電單元電連接的切換單元，用于僅使所述主供電單元和所述備用供電單元其中之一 為所述變槳電機提供能量。其中，發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置還包括控制單元，所述主供電單元 或所述備用供電單元向所述控制單元提供能量其中，所述控制單元包括直流電源模塊和控制電路，所述直流電源模塊用于將由 所述主供電單元或所述備用供電單元提供的直流電電壓轉(zhuǎn)換成所述控制電路中控制器及 電器元件的工作電壓。此外，本發(fā)明提供一種風力發(fā)電機組，其包括變槳系統(tǒng)，所述變槳系統(tǒng)采用本發(fā)明 提供的上述變槳控制裝置。采用本發(fā)明提供的變槳控制裝置具有如下有益效果本發(fā)明提供的變槳控制裝置設(shè)置有主供電單元和備用供電單元，在正常情況下， 由主供電單元向變槳電機提供能量，當電網(wǎng)掉電或故障時則由備用供電單元向變槳電機提 供能量。與現(xiàn)有技術(shù)向比，主供電單元僅用于提供變槳過程中所需要的能量，不需要為超級 電容充電，因此主供電單元無需設(shè)置用于超級電容充電的控制模塊，在降低設(shè)計難度的同 時增加了可靠性；并且，由于不需要為超級電容充電，從而可相對降低主供電單元的輸出功 率，進而降低了主供電單元的設(shè)計要求，提高了系統(tǒng)可靠性。采用本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組具有如下有益效果本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組，其變槳系統(tǒng)中采用本發(fā)明提供的上述變槳控制裝 置，由于該變槳控制裝置可靠性較高，成本較低，從而使得本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組同樣 具有較高的可靠性和安全性，且成本相對降低。
圖1為現(xiàn)有的一種電動變槳控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有的另一種電動變槳控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3所示的風力發(fā)電機組變槳控制裝置的一種詳細結(jié)構(gòu)圖；圖5為圖3所示的風力發(fā)電機組變槳控制裝置的另一種詳細結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方 式對本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置及具有該控制裝置的風力發(fā)電機組進行詳 細描述。在這些附圖中，對于相同或者相當?shù)牟糠?，標注相同標號。請參閱圖3，其為本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖 3所示，本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置包括主供電單元10、備用供電單元20、變頻驅(qū)動器3和變槳電機4，主供電單元10或備用供電單元20向變頻驅(qū)動3輸出直流電，變頻驅(qū)動3將該直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并輸出至變槳電機4，為其完成變槳動作提供能量。其中，主供電單元10用于在正常情況下，即電網(wǎng)正常運行時工作，其將來自電網(wǎng)的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電并輸出至變頻驅(qū)動器3 ；而備用供電單元20則用于在電網(wǎng)掉電 或故障時向變頻驅(qū)動器3提供直流電，從而驅(qū)動變槳電機完成變槳動作，使葉片到達順槳 位置或安全位置，以保證機組安全。下面結(jié)合圖4和圖5對主供電單元10和備用供電單元20進行詳細說明。其中，主供電單元10包括電壓轉(zhuǎn)換裝置8，其一端與三相交流電源，即電網(wǎng)電連接，另一端與變頻驅(qū)動器3電連接，電壓轉(zhuǎn)換裝置8使電網(wǎng)提供的三相交流電經(jīng)過整流、降 壓、濾波轉(zhuǎn)換為直流電，并將該直流電輸出至變頻驅(qū)動器3，變頻驅(qū)動器3根據(jù)脈沖寬度調(diào) 制原理，輸出頻率和幅值可變的三相交流電來驅(qū)動變槳電機4的動作，利用變頻調(diào)速原理 控制變槳電機4的轉(zhuǎn)動速度，從而完成變槳動作。與現(xiàn)有技術(shù)的變槳控制裝置中的充電器1相比，電壓轉(zhuǎn)換裝置8僅需將三相交流 電經(jīng)過整流、降壓、濾波轉(zhuǎn)換為直流電即可，由于其不需要為超級電容組2充電，因此不需 要經(jīng)過逆變控制，即電壓轉(zhuǎn)換裝置8不需要包含有用于控制超級電容組充電的控制單元， 因而其設(shè)計難度相對容易，并且可靠性可大大增加，從而提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。其中，備用供電單元20包括依次電連接的充電器1、超級電容組2和升壓裝置7。 其中，充電器1 一端與三相交流電源，即電網(wǎng)電連接，另一端與超級電容組2電連接，用于將 電網(wǎng)提供的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電，供超級電容組2充電；升壓裝置7用于對超級電容組 2的輸出電壓進行升壓，以滿足變槳電機4的工作要求。如前所述備用供電單元20僅在電網(wǎng)掉電或故障時，即主供電單元10不能正常工 作時，為變槳電機4提供能量，以完成變槳動作，因此正常情況下，充電器1僅是將電網(wǎng)提供 的交流電轉(zhuǎn)換為直流電供超級電容組2充電，并不向變槳電機4提供能量。當電網(wǎng)掉電或 故障時，超級電容組2作為備用電源，向變槳電機4提供能量，以完成變槳動作，并且由于設(shè) 置有升壓裝置7，當電壓下降到較低電壓值時，可通過升壓裝置進行升壓，繼續(xù)為變槳系統(tǒng) 的正常工作提供能量，從而提高了超級電容組2的能量率用率，減少了超級電容組2的實際 使用容量。此外，由于充電器1僅用于為超級電容組2充電，因此其輸出功率和輸出電壓可大 大降低，從而使得可靠性設(shè)計要求和成本相應降低，并且由于其輸出功率降低，使得超級電 容組2不必像現(xiàn)有技術(shù)中一樣需要快速充電，可相對延長充電所需時間，這樣一來就可簡 化充電機器1中包含的用于控制超級電容組2充電的控制單元，從而進一步降低充電器1 的可靠性設(shè)計要求以及成本。進一步，由于充電器1輸出功率和輸出電壓降低，也使得超級電容組2兩端電壓降 低，從而使串聯(lián)電容單體的數(shù)量減少，因此由電容單體間電壓平衡問題而造成的損壞相應 減少，超級電容組2的故障率降低，壽命延長。需要說明的是，超級電容組2由于其自身優(yōu)點，比如效率高、放電電流大、狀態(tài)容 易監(jiān)控、循環(huán)壽命長和環(huán)保，優(yōu)選地用作備用電源，但在實際應用中，也可使用蓄電池代替 超級電容組2作為備用電源，其同樣可在電網(wǎng)掉電或故障時，為變槳電機4提供能量，以完 成變槳動作，使葉片到達順槳或安全位置，從而保證機組安全。此外，為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可對升壓裝置7進行冗余設(shè)計，即采用并聯(lián)連接的多個升壓裝置，其數(shù)量可為2 個或2個以上。此外，還需要說明的是，為了保證正常情況備用供電單元20不向變槳電機4提供 能量，本發(fā)明的變槳控制裝置還包括切換單元，主供電單元10和備用供電單元20與所述切 換單元連接，通過該切換單元可實現(xiàn)正常情況下由主供電單元10向變槳電機提供能量，當 電網(wǎng)掉電或故障時，則由備用供電單元20向變槳電機提供能量。其中，所述切換單元可為 由諸如二極管、三極管的電子元件構(gòu)成的開關(guān)電路。請再次參閱圖4，如圖4所示，本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置還包括控 制單元30，其由直流電源模塊5和控制電路6構(gòu)成。主供電單元10或備用供電單元20向 控制單元30輸出直流電，直流電源模塊5將該直流電電壓轉(zhuǎn)換成控制電路6中控制器及電 氣元件的工作電壓，從而對變槳過程進行控制。其中，在正常情況下，控制單元30工作所需 的能量由主供電單元10提供，在電網(wǎng)掉電或故障時則由備用供電單元20提供。請參閱圖5，為本發(fā)明提供的風力發(fā)電機組變槳控制裝置的另一種詳細結(jié)構(gòu)圖。如 圖5所示，該變槳控制裝置與前述實施例的大體相同，其也包括主供電單元10、備用供電單 元20和控制單元30，其中，主供電單元10包括電壓轉(zhuǎn)換裝置8，備用供電單元20包括依次 連接的充電器1、超級電容組2和升壓裝置7，控制單元30包括直流電源模塊5和控制電路 6，主供電單元10或備用供電單元20向變頻驅(qū)動器3輸出直流電，變頻驅(qū)動器3將該直流 電轉(zhuǎn)換為交流電，并輸出至變槳電機4，為完成變槳動作提供能量。二者不同之處在于，在本 實施例中，無論正常情況下還是電網(wǎng)掉電或故障時，控制單元30均由備用供電單元20提供 其工作用的能量，與前述實施例的變槳控制裝置相比，由于充電器輸出電壓較低，因而降低 了直流電源模塊5的輸入電壓，從而降低了直流電源模塊5的設(shè)計要求和難度，并且提高了 其可靠性。此外，本發(fā)明還提供一種風力發(fā)電機組，其包括變槳系統(tǒng)，在所述變槳系統(tǒng)中采用 本發(fā)明提供的上述風力發(fā)電機組變槳控制裝置，由于該種結(jié)構(gòu)的變槳控制裝置設(shè)計相對較 容易，并且可靠性較高，從而提高了風力發(fā)電機組的可靠性和安全性?？梢岳斫獾氖?，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施 方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明精神 和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，包括主供電單元、備用供電單元、變 頻驅(qū)動器和變槳電機，所述主供電單元或所述備用供電單元向所述變頻驅(qū)動器輸出直流 電，所述變頻驅(qū)動器將所述直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，并輸出到變槳電機為其提供能量。
2.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，所述主供電單元包 括電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置一端與三相交流電源電連接，另一端與所述變頻驅(qū)動 器電連接，用于將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電并輸出至所述變頻驅(qū)動器。
3.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，所述備用供電單元 包括依次電連接的充電器、備用電源和至少一個升壓裝置，所述充電器與三相交流電源連 接，用于將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供所述備用電源充電，所述升壓裝置用于對所述備用 電源的輸出電壓進行升壓，以滿足所述變槳電機的最低工作電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，所述備用電源為蓄 電池或超級電容組。
5.如權(quán)利要求3所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，當所述升壓裝置為2 個以上時，所述2個以上的升壓裝置并聯(lián)連接。
6.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，還包括與所述主供 電單元和所述備用供電單元電連接的切換單元，用于僅使所述主供電單元和所述備用供電 單元其中之一為所述變槳電機提供能量。
7.如權(quán)利要求1-6任意一項所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，還包括 控制單元，所述主供電單元或所述備用供電單元向所述控制單元提供能量。
8.如權(quán)利要求7所述的風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其特征在于，所述控制單元包括 直流電源模塊和控制電路，所述直流電源模塊用于將由所述主供電單元或所述備用供電單 元提供的直流電電壓轉(zhuǎn)換成所述控制電路中控制器及電器元件的工作電壓。
9.一種風力發(fā)電機組，包括變槳系統(tǒng)，其特征在于，所述變槳系統(tǒng)采用如權(quán)利要求1-8 任意一項所述的變槳控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種風力發(fā)電機組變槳控制裝置，其包括主供電單元、備用供電單元、變頻驅(qū)動器和變槳電機，所述主供電單元或所述備用供電單元向所述變頻驅(qū)動器輸出直流電，所述變頻驅(qū)動器將所述直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，并輸出到變槳電機為其提供能量。本發(fā)明還提供了一種風力發(fā)電機組，其包括變槳系統(tǒng)，所述變槳系統(tǒng)采用本發(fā)明提供的變槳控制裝置。該種變槳控制裝置設(shè)計較簡單并且具有較高的可靠性，成本也較低，同時采用該種變控制裝置的風力發(fā)電機組具有較高的可靠性和安全性。
文檔編號H02J9/06GK102148530SQ201110051509
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者唐鑫, 龐云亭, 張黎杰, 胡清陽 申請人:新疆金風科技股份有限公司