專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具體地說(shuō)，涉及的是一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)再可生能源尤其是風(fēng)能的大量開(kāi)發(fā)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越多地受到了人們的重視。隨著電動(dòng)變槳距技術(shù)在兆瓦級(jí)大型風(fēng)機(jī)上的大量應(yīng)用，變槳系統(tǒng)的重要性日漸增加。電動(dòng)變槳系統(tǒng)通過(guò)電力傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)槳葉變動(dòng)，相比液壓傳動(dòng)系統(tǒng)避免了非線性、容易泄漏、卡澀等缺點(diǎn)，從整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)層面提升了變槳系統(tǒng)的可靠性。由于變槳系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著重要作用，因此不同于一般的電控伺服系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)在最初的設(shè)計(jì)上必須保證足夠的安全性設(shè)計(jì)。相比變槳伺服系統(tǒng)除了在精度要求和跟隨性能上有更高的要求外，在硬件結(jié)構(gòu)上，變槳系統(tǒng)還需要配備備用電源用于故障情況下的應(yīng)急供電，用于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及緊急順槳功能，備用電源和伺服系統(tǒng)一起安裝在風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)，受到環(huán)境制約以及空間大小的限制，備用電源的體積和可靠性決定了傳統(tǒng)電源無(wú)法很好地滿足變槳系統(tǒng)的需求。傳統(tǒng)的風(fēng)電電動(dòng)變槳系統(tǒng)多采用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件，近年來(lái)超級(jí)電容逐漸被一些廠家采用作為風(fēng)電變槳系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容又稱為雙層電容器，是一種新型儲(chǔ)能元件，有著功率密度大、充放電循環(huán)次數(shù)多、工作溫度范圍大，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，非常適合瞬時(shí)提供大功率的伺服系統(tǒng)。公開(kāi)號(hào)為201247964的中國(guó)專利公開(kāi)了一種風(fēng)力發(fā)電變槳距系統(tǒng)電源裝置，采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件為伺服電機(jī)供電公開(kāi)號(hào)為201328023的中國(guó)專利公開(kāi)了一種設(shè)有充電和放電裝置的超級(jí)電容后備電源，超級(jí)電容器組通過(guò)充放電裝置和伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線進(jìn)行能力傳遞?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳系統(tǒng)多采用超級(jí)電容器組直接串聯(lián)供電的方案，由于超級(jí)電容電和容量成二次方比，隨著放電過(guò)程的持續(xù)，備用電源兩端電壓將急劇下降，如果外加放電裝置，如Boost升壓電路則一旦升壓電路失控超級(jí)電容無(wú)法完成放電工作，可靠性大大下降，并且升壓電路工作環(huán)境要求嚴(yán)格，不適合變槳系統(tǒng)惡劣的環(huán)境條件。另外現(xiàn)有電動(dòng)變槳系統(tǒng)多采用獨(dú)立變槳技術(shù)，即三個(gè)槳葉對(duì)應(yīng)三個(gè)獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立配備一臺(tái)備用電源，當(dāng)任何一臺(tái)備用電源失效將導(dǎo)致緊急情況下這個(gè)伺服電機(jī)控制的槳葉失去控制，由于備用電源多數(shù)時(shí)間備而不用，增大了超級(jí)電容的故障概率。而且由于超級(jí)電容生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的容量偏差，導(dǎo)致充放電過(guò)程中單體超級(jí)電容電壓不均衡，嚴(yán)重影響超級(jí)電容的使用壽命，由于串聯(lián)使用，任何一支超級(jí)電容的損壞將導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)效，嚴(yán)重影響變槳系統(tǒng)可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，增強(qiáng)安全可靠性；提高了超級(jí)電容能量利用率；增強(qiáng)超級(jí)電容一致性，提高使用壽命，降低故障概率。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個(gè)超級(jí)電容柜和切換繼電器開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)超級(jí)電容柜通過(guò)切換繼電器開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)動(dòng)器的備用電源；三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)切換繼電器開(kāi)關(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；每個(gè)超級(jí)電容柜內(nèi)安裝有多個(gè)相同的超級(jí)電容模塊，多個(gè)模塊串聯(lián)而成超級(jí)電容模組。所述超級(jí)電容柜內(nèi)安裝的超級(jí)電容模塊內(nèi)設(shè)有被動(dòng)均衡模塊，超級(jí)電容模塊之間設(shè)有主動(dòng)均衡模塊，主動(dòng)均衡模塊控制電路采用能量轉(zhuǎn)移方式或者耗能式均衡電路完成電壓均衡，由變槳控制器PLC實(shí)現(xiàn)控制，從而保證充放電過(guò)程中超級(jí)電容電壓的一致性，保證超級(jí)電容的使用壽命。所述切換繼電器開(kāi)關(guān)用于電路的串并聯(lián)切換，即串并聯(lián)切換電路全部由開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)繼電器首尾相連，變槳控制器輸出連接繼電器控制端，根 據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線的設(shè)計(jì)，其最高工作電壓為600V，最低為280V。當(dāng)一臺(tái)備用電源出現(xiàn)故障時(shí)，變槳控制器等待另外兩個(gè)槳葉完成順槳，電機(jī)停轉(zhuǎn)后判斷另兩臺(tái)備用電源端電壓，決定串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式。本發(fā)明系統(tǒng)提出并采用超級(jí)電容串并聯(lián)技術(shù)，在增加少量切換元件的基礎(chǔ)上，增加超級(jí)電容器的能量利用效率，與此同時(shí)作為備用電源故障的冗余備用，增大了備用電源的可靠性。本發(fā)明系統(tǒng)為每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)多個(gè)超級(jí)電容模塊串聯(lián)使用，每個(gè)模塊內(nèi)以及模塊之間配有均衡電路，均衡電路保證了超級(jí)電容的充放電一致性，增加了超級(jí)電容模塊的工作壽命。采用上述技術(shù)方案之后，本發(fā)明增加二級(jí)備用，增強(qiáng)安全可靠性，提高了超級(jí)電容能量利用率，增強(qiáng)超級(jí)電容一致性，提高使用壽命，降低故障概率；不僅可在變槳系統(tǒng)中應(yīng)用，在超級(jí)電各儲(chǔ)能系統(tǒng)中均可以米用本技術(shù)。
圖I為本發(fā)明超級(jí)電容柜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中超級(jí)電容模塊被動(dòng)均衡電路圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中超級(jí)電容模塊主動(dòng)均衡電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的解釋，但是以下的內(nèi)容不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1-3所示，本實(shí)施例提供一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個(gè)超級(jí)電容柜和切換繼電器開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)超級(jí)電容柜通過(guò)切換繼電器開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接；三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)切換繼電器開(kāi)關(guān)首尾相連。本實(shí)施例系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為備用電源的儲(chǔ)能元件，由于超級(jí)電容單體電壓較低常見(jiàn)值為2. 7V，為了給伺服驅(qū)動(dòng)器提供足夠的電壓，本系統(tǒng)選用650F單體的超級(jí)電容器串聯(lián)成137. 5V的模塊，4個(gè)模塊串聯(lián)為一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器備用，額定輸出電壓537V，等效電容值3F。本實(shí)施例系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上利用串并聯(lián)切換技術(shù)，利用低電壓部分的容量作為冗余備用，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖I所示。超級(jí)電容模組安裝在超級(jí)電容柜內(nèi)，其輸出正負(fù)極通過(guò)繼電器SDfSD3與伺服驅(qū)動(dòng)器#1的直流母線連接，作為一級(jí)備用供電電源。正常情況下系統(tǒng)檢測(cè)超級(jí)電容模組電壓，如低于額定閾值則啟動(dòng)充電裝置，直至充滿到額定電壓，緊急情況時(shí)每個(gè)超級(jí)電容模組通過(guò)繼電器SDf SD3給伺服驅(qū)動(dòng)器供電實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及緊急順槳功能，當(dāng)超級(jí)電容模組電壓故障時(shí)報(bào)錯(cuò)，發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)給變槳控制器。串并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)備用電源系統(tǒng)二級(jí)備用，利用繼電器完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換。繼電器SI連接超級(jí)電容模組#I的正極和超級(jí)電容模組#2的正極，繼電器S2連接超級(jí)電容模組#I的負(fù)極和超級(jí)電容模組#2的正極，繼電器S3連接超級(jí)電容模組#1的負(fù)極和超級(jí)電容模組#2的負(fù)極，繼電器S4連接超級(jí)電容模組#2的正極和超級(jí)電容模組#3的正極，繼電器S5連接超級(jí)電容模組#2的負(fù)極和超級(jí)電容模組#2的正極，繼電器S6連接超級(jí)電容模組#2的負(fù)極和超級(jí)電容模組#3的負(fù)極。 超級(jí)電容模組#I的正極作為串并聯(lián)切換電路輸出正極，通過(guò)繼電器SD4 SD6與三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接，超級(jí)電容模組#3的負(fù)極作為串并聯(lián)切換電路輸出負(fù)極。當(dāng)變槳控制器接收到某一臺(tái)超級(jí)電容柜發(fā)出的電壓錯(cuò)誤信號(hào)，例如超級(jí)電容模組#1故障，系統(tǒng)首先通過(guò)繼電器SDl將故障電源切除，然后等待其余兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器反饋位置信號(hào)，當(dāng)其余兩個(gè)槳葉完成順槳后，變槳控制器檢測(cè)超級(jí)電容模組#2和超級(jí)電容模組#3端電壓，如電壓之和高于600V，且差值低于20V，則SI，S4，S6開(kāi)通，S2，S3，S5斷開(kāi)，超級(jí)電容模組#2和超級(jí)電容模組#3并聯(lián)供電；如電壓之和高于600V且差值高于20V，假設(shè)超級(jí)電容模組#2電壓較高，則SI，S6開(kāi)通，S2，S3，S4，S5斷開(kāi)，超級(jí)電容模組#2單獨(dú)為伺服驅(qū)動(dòng)器#1供電，直至下一判斷周期；如電壓低于或等于600V，此時(shí)SI，S5開(kāi)通，S2，S3，S4，S6斷開(kāi)，超級(jí)電容模組#2和超級(jí)電容模組#3串聯(lián)供電。超級(jí)電容模組內(nèi)設(shè)有均衡系統(tǒng)，4個(gè)超級(jí)電容模塊內(nèi)置被動(dòng)均衡電路，模塊之間設(shè)有主動(dòng)均衡電路，典型實(shí)施案例如圖2 圖3所示。圖2中使用穩(wěn)壓二極管并聯(lián)穩(wěn)定超級(jí)電容單體電壓，采用均衡板實(shí)現(xiàn)拓?fù)?，均衡板放置于超?jí)電容器陣列上方。圖3中Sf S3采用MOSFETj^SiS 200V，額定頻率10K，L1 L3為均衡電感，通過(guò)S1 S3以及D1 D3的開(kāi)關(guān)開(kāi)斷，利用電感實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容模塊間能量轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例中，超級(jí)電容與直流母線之間設(shè)有充放電裝置，防止過(guò)流損壞超級(jí)電容，并提高充放電效率。本實(shí)施例中，超級(jí)電容柜內(nèi)安裝溫度檢測(cè)裝置，連接變槳控制器進(jìn)行判斷，柜內(nèi)配備散熱風(fēng)扇以及加熱裝置。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于包括三個(gè)超級(jí)電容柜和切換繼電器開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)超級(jí)電容柜通過(guò)切換繼電器開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)動(dòng)器的備用電源；三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)切換繼電器開(kāi)關(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；所述每個(gè)超級(jí)電容柜內(nèi)安裝有多個(gè)相同的超級(jí)電容模塊，多個(gè)模塊串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容模組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級(jí)電容柜內(nèi)的超級(jí)電容模組，其輸出正負(fù)極通過(guò)繼電器SDf SD3與第一伺服驅(qū)動(dòng)器的直流母線連接，作為一級(jí)備用供電電源；正常情況下系統(tǒng)檢測(cè)超級(jí)電容模組電壓，如低于額定閾值則啟動(dòng)充電裝置，直至充滿到額定電壓，緊急情況時(shí)每個(gè)超級(jí)電容模組通過(guò)繼電器SDf SD3給伺服驅(qū)動(dòng)器供電實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及緊急順槳功能，當(dāng)超級(jí)電容模組電壓故障時(shí)報(bào)錯(cuò)，發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)給變槳控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述切換繼電器開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容模組的串并聯(lián)，該串并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)備用電源系統(tǒng)二級(jí)備用，利用繼電器完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換，繼電器SI連接第一超級(jí)電容模組的正極和第二超級(jí)電容模組的正極，繼電器S2連接第一超級(jí)電容模組的負(fù)極和第二超級(jí)電容模組的正極，繼電器S3連接第一超級(jí)電容模組的負(fù)極和第二超級(jí)電容模組的負(fù)極，繼電器S4連接第二超級(jí)電容模組的正極和第三超級(jí)電容模組的正極，繼電器S5連接第二超級(jí)電容模組的負(fù)極和第二超級(jí)電容模組的正極，繼電器S6連接第二超級(jí)電容模組的負(fù)極和第三超級(jí)電容模組的負(fù)極；第一超級(jí)電容模組的正極作為串并聯(lián)切換電路輸出正極，通過(guò)繼電器SD4 SD6與三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接，第三超級(jí)電容模組的負(fù)極作為串并聯(lián)切換電路輸出負(fù)極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)超級(jí)電容柜內(nèi)有四個(gè)相同的超級(jí)電容模塊，其中每個(gè)模塊額定電壓137. 5V，模塊電壓537V，采用650F超級(jí)電容器單體串聯(lián)而成，模塊額定等效電容值12F，四模塊串聯(lián)等效電容值3F。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級(jí)電容柜內(nèi)安裝的超級(jí)電容模塊內(nèi)設(shè)有被動(dòng)均衡模塊，超級(jí)電容模塊之間設(shè)有主動(dòng)均衡模塊，主動(dòng)均衡模塊控制電路采用能量轉(zhuǎn)移方式或者耗能式均衡電路完成電壓均衡，由變槳控制器PLC實(shí)現(xiàn)控制，從而保證充放電過(guò)程中超級(jí)電容電壓的一致性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)繼電器首尾相連，變槳控制器輸出連接繼電器控制端，伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線最高工作電壓為600V，最低為280V，當(dāng)一臺(tái)備用電源出現(xiàn)故障時(shí)，變槳控制器等待另外兩個(gè)槳葉完成順槳，電機(jī)停轉(zhuǎn)后判斷另兩臺(tái)備用電源端電壓，決定串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級(jí)電容與直流母線之間設(shè)有充放電裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級(jí)電容柜內(nèi)安裝溫度檢測(cè)裝置，連接變槳控制器進(jìn)行判斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級(jí)電容柜內(nèi)配備散熱風(fēng)扇以及加熱裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個(gè)超級(jí)電容柜和切換繼電器開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)超級(jí)電容柜通過(guò)切換繼電器開(kāi)關(guān)與對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)動(dòng)器的備用電源；三個(gè)超級(jí)電容柜間通過(guò)六個(gè)切換繼電器開(kāi)關(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；所述每個(gè)超級(jí)電容柜內(nèi)安裝有多個(gè)相同的超級(jí)電容模塊，多個(gè)模塊串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容模組。本發(fā)明增加二級(jí)備用，增強(qiáng)安全可靠性，提高了超級(jí)電容能量利用率，增強(qiáng)超級(jí)電容一致性，提高使用壽命，降低故障概率；不僅可在變槳系統(tǒng)中應(yīng)用，在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中均可以采用本技術(shù)。
文檔編號(hào)H02J9/04GK102769333SQ201210258419
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者葉成城, 曹云峰, 蔡旭 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)