[發明專利]一種風力發電電動變槳備用電源系統

有效

• 申請號: 201210258419.8
• 申請日: 2012-07-24
• 公開（公告）號: CN102769333A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 曹云峰;蔡旭;葉成城
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02J9/04
• 分類號: H02J9/04;H02J7/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種風力發電系統，具體地說，涉及的是一種風力發電電動變槳備用電源系統。

背景技術

隨著我國再可生能源尤其是風能的大量開發，風力發電系統越來越多地受到了人們的重視。隨著電動變槳距技術在兆瓦級大型風機上的大量應用，變槳系統的重要性日漸增加。電動變槳系統通過電力傳動驅動伺服電機帶動槳葉變動，相比液壓傳動系統避免了非線性、容易泄漏、卡澀等缺點，從整個執行機構層面提升了變槳系統的可靠性。由于變槳系統對風力發電系統的安全可靠運行起著重要作用，因此不同于一般的電控伺服系統，變槳系統在最初的設計上必須保證足夠的安全性設計。

相比變槳伺服系統除了在精度要求和跟隨性能上有更高的要求外，在硬件結構上，變槳系統還需要配備備用電源用于故障情況下的應急供電，用于實現低電壓穿越以及緊急順槳功能，備用電源和伺服系統一起安裝在風機輪轂內，受到環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電源無法很好地滿足變槳系統的需求。

傳統的風電電動變槳系統多采用鉛酸蓄電池作為儲能元件，近年來超級電容逐漸被一些廠家采用作為風電變槳系統的儲能元件，超級電容又稱為雙層電容器，是一種新型儲能元件，有著功率密度大、充放電循環次數多、工作溫度范圍大，無環境污染等優點，非常適合瞬時提供大功率的伺服系統。

公開號為201247964的中國專利公開了一種風力發電變槳距系統電源裝置，采用超級電容作為儲能元件為伺服電機供電：公開號為201328023的中國專利公開了一種設有充電和放電裝置的超級電容后備電源，超級電容器組通過充放電裝置和伺服驅動器直流母線進行能力傳遞。

現有的風力發電電動變槳系統多采用超級電容器組直接串聯供電的方案，由于超級電容電和容量成二次方比，隨著放電過程的持續，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電容無法完成放電工作，可靠性大大下降，并且升壓電路工作環境要求嚴格，不適合變槳系統惡劣的環境條件。另外現有電動變槳系統多采用獨立變槳技術，即三個槳葉對應三個獨立伺服驅動器，每個驅動器獨立配備一臺備用電源，當任何一臺備用電源失效將導致緊急情況下這個伺服電機控制的槳葉失去控制，由于備用電源多數時間備而不用，增大了超級電容的故障概率。而且由于超級電容生產過程中不可避免的容量偏差，導致充放電過程中單體超級電容電壓不均衡，嚴重影響超級電容的使用壽命，由于串聯使用，任何一支超級電容的損壞將導致整個串聯儲能系統的實效，嚴重影響變槳系統可靠性。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中的上述不足，提供一種風力發電電動變槳備用電源系統，增強安全可靠性；提高了超級電容能量利用率；增強超級電容一致性，提高使用壽命，降低故障概率。

為實現上述的目的，本發明所述的一種風力發電電動變槳備用電源系統，包括三個超級電容柜和切換繼電器開關組成，每個超級電容柜通過切換繼電器開關與對應的伺服驅動器直流母線連接，作為該伺服驅動器的備用電源；三個超級電容柜間通過六個切換繼電器開關首尾相連，提供串聯供電或并聯供電模式；每個超級電容柜內安裝有多個相同的超級電容模塊，多個模塊串聯而成超級電容模組。

所述超級電容柜內安裝的超級電容模塊內設有被動均衡模塊，超級電容模塊之間設有主動均衡模塊，主動均衡模塊控制電路采用能量轉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實現控制，從而保證充放電過程中超級電容電壓的一致性，保證超級電容的使用壽命。

所述切換繼電器開關用于電路的串并聯切換，即串并聯切換電路全部由開關器件構成，三個超級電容柜間通過六個繼電器首尾相連，變槳控制器輸出連接繼電器控制端，根據伺服驅動器直流母線的設計，其最高工作電壓為600V，最低為280V。當一臺備用電源出現故障時，變槳控制器等待另外兩個槳葉完成順槳，電機停轉后判斷另兩臺備用電源端電壓，決定串聯供電或并聯供電模式。

本發明系統提出并采用超級電容串并聯技術，在增加少量切換元件的基礎上，增加超級電容器的能量利用效率，與此同時作為備用電源故障的冗余備用，增大了備用電源的可靠性。

本發明系統為每個伺服驅動器設計多個超級電容模塊串聯使用，每個模塊內以及模塊之間配有均衡電路，均衡電路保證了超級電容的充放電一致性，增加了超級電容模塊的工作壽命。

采用上述技術方案之后，本發明增加二級備用，增強安全可靠性，提高了超級電容能量利用率，增強超級電容一致性，提高使用壽命，降低故障概率；不僅可在變槳系統中應用，在超級電容儲能系統中均可以采用本技術。