[發明專利]直流電機變槳距系統及其控制方法

有效

• 申請號: 200910084274.2
• 申請日: 2009-05-15
• 公開（公告）號: CN101550906A
• 公開（公告）日: 2009-10-07
• 發明（設計）人: 許家群
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00;H02J15/00;H02J7/00;H02H3/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張 慧

技術領域

本發明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。

背景技術

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。

發明內容

本發明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，本發明采取了如下技術方案。本發明包括超級電容組1、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。

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。

本發明所述控制方法的特征在于：根據三相電源u_A、u_B、u_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：