CN109826750B - 风电变桨系统及其供电方法、供电装置及控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风电变桨系统及其供电方法、供电装置及控制模块，风电变桨系统包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、控制模块、检测模块，整流模块通过母线与变桨驱动模块连接，整流模块向母线输出充电电能，变桨驱动模块用于连接风电机组并为风电机组提供变桨驱动电能，自动平衡模块连接于母线，用于在充电电能低于变桨驱动电能时向母线输出电能，且在充电电能高于变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使充电电能与变桨驱动电能平衡。供电方法通过在不同条件下，控制整流模块按照不同的功率输出充电电能，以使自动平衡模块提供不同的变桨驱动电能，能够满足不同变桨过程的不同需求，实现了稳定的变桨。

Description

风电变桨系统及其供电方法、供电装置及控制模块

技术领域

本发明涉及风电变桨技术领域，尤其涉及风电变桨系统及其供电方法、供电装置及控制模块。

背景技术

风能作为可再生清洁能源，其蕴含量巨大，是替代化石燃料最主要的能源之一，越来越受到各个国家的关注。随着风电技术的不断成熟与发展，变桨技术在大型风力发电机(简称“风电机组”)中的应用更加广泛。变桨系统是保障风力发电机整体安全性的关键环节，风电机组在工作过程中通过调节变桨系统的桨叶角度来进行功率调节。为了保障风电机组的整体安全，必须在出现任何故障的情况下都要保证桨叶能够可靠顺桨和刹车制动。顺桨就是调节桨叶向90度角的方向转动，使得风机转速下降。若顺桨失败，将会发生事故，甚至出现塔架倒塌等灾难性后果。

现有技术中，通常采用超级电容作为备用电源，并且设置有超级电容充电器为超级电容充电，从而保证超级电容为风电机组顺桨提供足够的能量。现有应用于风电变桨系统的超级电容充电器均采用恒流充电方式，该方式设计的电源裕量一般较小，在风电机组变桨过程中对超级电容的依赖较大，当超级电容在使用过程中出现容量衰减时，容易因为储能不足导致无法满足顺利变桨的需求。

发明内容

本发明实施例提供了风电变桨系统及其供电方法、供电装置及控制模块，旨在解决现有技术中难以保证变桨的稳定性的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种风电变桨系统的供电方法，所述风电变桨系统包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、控制模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡；

所述供电方法包括：

在风电机组运行过程中，所述检测模块检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件；

当所述风电机组运行在非紧急顺桨条件下，控制模块控制所述整流模块按照额定输出模式向母线输出第一充电电能，所述第一充电电能经所述自动平衡模块后提供第一变桨驱动电能；

当所述风电机组运行在紧急顺桨条件下，且当前第二变桨驱动电能大于所述第一变桨驱动电能时，控制模块控制所述整流模块按照第一紧急恒功率向母线输出第二充电电能，所述第二充电电能经所述自动平衡模块后提供第二桨驱动电能，其中，所述第二充电电能大于所述第一充电电能。

本发明实施例的第二方面提供了一种控制模块，存储有计算机程序，其特征在于，所述控制模块执行所述计算机程序时实现如上所述供电方法的步骤。

本发明实施例的第三方面提供了一种风电变桨系统的供电装置，用于为变桨驱动模块供电，包括如上所述的控制模块，还包括整流模块、母线、自动平衡模块和检测模块；

所述整流模块的输入端连接交流电，输出端连接母线；所述自动平衡模块与母线连接；所述检测模块与控制模块连接，用于检测母线电压或风电机组的桨距角，并输出检测量至所述控制模块，所述控制模块还与所述整流模块连接，用于根据检测量控制所述整流模块向母线输出恒电压或恒电流或非紧急恒功率或紧急恒功率。

本发明实施例的第四方面提供了一种风电变桨系统，包括如上所述的控制模块，还包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过在不同条件下，控制整流模块按照不同的功率输出充电电能，以使自动平衡模块提供不同的变桨驱动电能，能够满足不同变桨过程的不同需求，实现了稳定的变桨。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例提供的供电方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的控制流程示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的风电变桨系统的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例1：

实施例1提供了一种风电变桨系统的供电方法。

所述风电变桨系统包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、控制模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡。

如图1所示，所述供电方法包括：

步骤S101，在风电机组运行过程中，所述检测模块检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件；

步骤S102，当所述风电机组运行在非紧急顺桨条件下，控制模块控制所述整流模块按照额定输出模式向母线输出第一充电电能，所述第一充电电能经所述自动平衡模块后提供第一变桨驱动电能；

步骤S103，当所述风电机组运行在紧急顺桨条件下，且当前第二变桨驱动电能大于所述第一变桨驱动电能时，控制模块控制所述整流模块按照第一紧急恒功率向母线输出第二充电电能，所述第二充电电能经所述自动平衡模块后提供第二桨驱动电能，其中，所述第二充电电能大于所述第一充电电能。

本实施例中，自动平衡模块包括超级电容。

额定输出模式，包括恒功率、恒压、恒流模式之一或者组合。当额定输出模式为恒功率输出时，紧急恒功率大于额定输出恒功率。

相比额定输出模式，整流模块输出更大的能量，可以减少电容能量输出，特别是在电容容量衰减的情况下，可以通过该方式为变桨提供足够的能量。

在本发明的一个实施例中，当所述整流模块以第一紧急恒功率运行第一时间；或，当前第二变桨驱动电能不大于所述第一变桨驱动电能；或，当前第二变桨驱动电能不大于所述第一变桨驱动电能且所述母线的电压高于第一预设值时；控制模块控制所述整流模块按照额定输出模式向母线输出第一充电电能，其中，所述第一紧急恒功率为所述整流模块的过载功率，所述第一时间不大于所述整流模块当前过载功率的最大过载时间。

其中，所述整流模块以第一紧急恒功率运行第一时间，包括：过载时间到，即恢复额定输出，之后变桨能量如果高于额定输出，由超级电容放电补充，变桨初期消耗功率大，不足也由电容补充，一般不存在整流输出大于变桨能量给电容充电的情况。

当前第二变桨驱动电能不大于所述第一变桨驱动电能，包括：变桨所需的功率低于额定输出对应功率时，即恢复额定输出，之后变桨能量逐渐降低，整流输出会大于变桨消耗能量，电容处于被充电，电容电压处于上升趋势。

当前第二变桨驱动电能不大于所述第一变桨驱动电能且所述母线的电压高于第一预设值，包括：在提供变桨能量时尽可能给电容充电，尽可能的利用整流模块前级的交流源(可能是市电，也可能是其他电来源)，保证电容后备能量充足，降低前级掉电导致电容储能不足的风险。

在本发明的一个实施例中，当所述整流模块以第一紧急恒功率运行第一时间后，且当前第二变桨驱动电能大于所述第一变桨驱动电能时，控制模块控制所述整流模块按照第二紧急恒功率向母线输出第三充电电能，其中，所述第一紧急恒功率为所述整流模块的过载功率，所述第一时间不大于所述整流模块当前过载功率的最大过载时间，所述第三充电电能小于所述第二充电电能，且大于所述第一充电电能。

其中，第三充电电能可能大于、等于、小于第一充电电能。

在本发明的一个实施例中，当当前第二变桨驱动电能小于所述第一变桨驱动电能，且所述母线电压低于第二预设值时，控制模块控制所述整流模块按照充电模式向母线输出第四充电电能，所述自动平衡模块向母线吸收电能，所述第四充电电能小于所述第一充电电能，且所述第二预设值大于第一预设值。

其中，充电模式，可以恒功率、恒压、恒流模式之一或者组合成其他充电曲线。

变桨末期，所需的能量很小，可以减小整流模块的输出，但保持给电容充电，在电容充饱或过充时，可以关闭整流模块。

在本发明的一个实施例中，所述充电模式为恒功率模式、恒压模式或恒流模式。

在本发明的一个实施例中，所述检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件，具体包括：

检测所述母线的电压，当所述电压小于第三预设值且在预设时间内所述电压呈下降趋势，或所述电压在预设时间内的下降量大于预设下降值时，则判断所述风电机组运行在紧急顺桨条件。

其中，第三预设值为母线低压告警点。

在本发明的一个实施例中，所述检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件，具体包括：检测风电机组的桨距角，当所述桨距角大于预设桨距角时，则判断所述风电机组运行在紧急顺桨条件。

为了便于理解，如图2所示，以一个具体的控制流程为例对上述各个步骤进行说明。

开始后，控制模块检测超级电容的两端电压，并按照大小不同执行以下步骤：

若两端电压＝预设电压，则按照恒定电流进行充电。

若两端电压＜预设电压，则进行进一步判断，当两端电压＜变桨母线低压告警值且在预设时间内两端电压呈下降趋势时按照过载功率进行充电，当两端电压≥变桨母线低压告警值或者两端电压＜变桨母线低压告警值且在预设时间内两端电压不呈下降趋势时按照恒定电流进行充电。

若两端电压＞预设电压，则停止充电，并重新检测两端电压。

本发明实施例具有以下优点：

1、在紧急顺桨时，风电机组会消耗大量的能量，本实施例通过加大整流模块的输出，和超级电容一并给负载供电，可以弥补超级电容在使用过程中容量衰减导致储能不足的问题，确保成功顺桨到位。

2、顺桨需要一定的时间，在初期以能提供的最大功率(过载功率)输出，以免电容电量损耗过多，后继乏力，但是过载有过载时间，因此限定最大过载时间。

3、在电压下降到一定值(低于告警点)且下降趋势，才判定紧急调节，此时电容是未充饱且负载还在消耗能量，此时输出大功率，可以避免电容过充。

4、顺桨过程中，初期和末期所需的能量不同，初期大于末期，大功率输出，顺桨经过一定时间后母线电压会不再下降，此时可以回到常规充电方式，同样可避免电容过充。

5、当出现过充时，可以采用图2的第三支路停止充电的方式，让负载消耗过充的能量。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例2：

实施例2提供了一种控制模块，存储有计算机程序，所述控制模块执行所述计算机程序时实现如实施例1中所述供电方法的步骤。

所述控制模块是指具有数据处理能力的逻辑器件，包括但不限于微处理器、单片机、中央处理器等。

实施例3：

如图3所示，实施例3提供了一种风电变桨系统的供电装置，用于为变桨驱动模块供电，包括如实施例2中所述的控制模块，还包括整流模块、母线、自动平衡模块和检测模块；

所述整流模块的输入端连接交流电，输出端连接母线；所述自动平衡模块与母线连接；所述检测模块与控制模块连接，用于检测母线电压或风电机组的桨距角，并输出检测量至所述控制模块，所述控制模块还与所述整流模块连接，用于根据检测量控制所述整流模块向母线输出恒电压或恒电流或非紧急恒功率或紧急恒功率。

本实施例提供的供电装置装配在风力发电机组的轮毂内。

在一个实施例中，整流模块包括AC/DC开关电源。

在一个实施例中，控制模块通过控制整流模块的输出电压和输出电流，来控制整流模块按照过载功率、恒定电流或者恒定电压给超级电容充电。

在本发明的一个实施例中，检测模块包括电流采样单元和电压采样单元。所述电流采样单元分别与所述自动平衡模块和所述控制模块连接。

在一个实施例中，自动平衡模块为超级电容。

整流模块的第一输出端与所述超级电容的第一端和所述变桨驱动模块的第一供电端共接，所述整流模块的第二输出端与所述超级电容的第二端和所述变桨驱动模块的第二供电端共接。

超级电容的第一端和第二端分别与电压采样单元的第一输入端和第二输入端一一对应连接，超级电容的第一端或者第二端与电流采样模块的输入端连接。

控制模块的输入端分别与电压采样单元的输出端和电流采样模块的输出端连接，控制模块的输出端与整流模块的驱动控制端连接。

在一个实施例中，整流模块接入三相交流电，整流模块的第一相输入端、第二相输入端、第三相输入端和接地端分别与三相交流电的第一相线、第二相线、第三相线和地线一一对应连接。

实施例4：

如图3所示，实施例4提供了一种风电变桨系统，包括如实施例2中所述的控制模块，还包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风电变桨系统的供电方法，其特征在于，所述风电变桨系统包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、控制模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡；

所述供电方法包括：

在风电机组运行过程中，所述检测模块检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件；

当所述风电机组运行在非紧急顺桨条件下，控制模块控制所述整流模块按照额定输出模式向母线输出第一充电电能，所述第一充电电能经所述自动平衡模块后提供第一变桨驱动电能；

当所述风电机组运行在紧急顺桨条件下，且当前第二变桨驱动电能大于所述第一变桨驱动电能时，控制模块控制所述整流模块按照第一紧急恒功率向母线输出第二充电电能，所述第二充电电能经所述自动平衡模块后提供第二变桨驱动电能，其中，所述第二充电电能大于所述第一充电电能。

2.如权利要求1所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，当所述整流模块以第一紧急恒功率运行第一时间；或，当前第二变桨驱动电能不大于所述第一变桨驱动电能时；控制模块控制所述整流模块按照额定输出模式向母线输出第一充电电能，其中，所述第一紧急恒功率为所述整流模块的过载功率，所述第一时间不大于所述整流模块当前过载功率的最大过载时间。

3.如权利要求2所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，当所述整流模块以第一紧急恒功率运行第一时间后，且当前第二变桨驱动电能大于所述第一变桨驱动电能时，控制模块控制所述整流模块按照第二紧急恒功率向母线输出第三充电电能，其中，所述第一紧急恒功率为所述整流模块的过载功率，所述第一时间不大于所述整流模块当前过载功率的最大过载时间，所述第三充电电能小于所述第二充电电能，且大于所述第一充电电能。

4.如权利要求1-3任一项所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，当当前第二变桨驱动电能小于所述第一变桨驱动电能，且所述母线电压低于第二预设值时，控制模块控制所述整流模块按照充电模式向母线输出第四充电电能，所述自动平衡模块向母线吸收电能，所述第四充电电能小于所述第一充电电能，且所述第二预设值大于第一预设值。

5.如权利要求4所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，所述充电模式为恒功率模式、恒压模式或恒流模式。

6.如权利要求1-3、5任一项所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，所述检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件，具体包括：

检测所述母线的电压，当所述电压小于第三预设值且在预设时间内所述电压呈下降趋势，或所述电压在预设时间内的下降量大于预设下降值时，则判断所述风电机组运行在紧急顺桨条件。

7.如权利要求1所述风电变桨系统的供电方法，其特征在于，所述检测风电机组是否运行在紧急顺桨条件，具体包括：检测风电机组的桨距角，当所述桨距角大于预设桨距角时，则判断所述风电机组运行在紧急顺桨条件。

8.一种控制模块，存储有计算机程序，其特征在于，所述控制模块执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述供电方法的步骤。

9.一种风电变桨系统的供电装置，其特征在于，用于为变桨驱动模块供电，包括如权利要求8所述的控制模块，还包括整流模块、母线、自动平衡模块和检测模块；

所述整流模块的输入端连接交流电，输出端连接母线；所述自动平衡模块与母线连接；所述检测模块与控制模块连接，用于检测母线电压或风电机组的桨距角，并输出检测量至所述控制模块，所述控制模块还与所述整流模块连接，用于根据检测量控制所述整流模块向母线输出恒电压或恒电流或非紧急恒功率或紧急恒功率。

10.一种风电变桨系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的控制模块，还包括整流模块、母线、变桨驱动模块、自动平衡模块、检测模块，所述整流模块通过母线与所述变桨驱动模块连接，所述整流模块向母线输出充电电能，所述变桨驱动模块用于连接风电机组并为所述风电机组提供变桨驱动电能，所述自动平衡模块连接于母线，用于在所述充电电能低于所述变桨驱动电能时向母线输出电能，且在所述充电电能高于所述变桨驱动电能时从母线吸收电能，以使所述充电电能与所述变桨驱动电能平衡。

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