專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(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，涉及的是一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著我國再可生能源尤其是風(fēng)能的大量開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來越多地受到了人們的重視。隨著電動變槳距技術(shù)在兆瓦級大型風(fēng)機(jī)上的大量應(yīng)用，變槳系統(tǒng)的重要性日漸增加。電動變槳系統(tǒng)通過電力傳動驅(qū)動伺服電機(jī)帶動槳葉變動，相比液壓傳動系統(tǒng)避免了非線性、容易泄漏、卡澀等缺點(diǎn)，從整個執(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)電源無法很好地滿足變槳系統(tǒng)的需求。傳統(tǒng)的風(fēng)電電動變槳系統(tǒng)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(fēng)電變槳系統(tǒng)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(huán)次數(shù)多、工作溫度范圍大，無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，非常適合瞬時提供大功率的伺服系統(tǒng)。公開號為201247964的中國專利公開了一種風(fēng)力發(fā)電變槳距系統(tǒng)電源裝置，采用超級電容作為儲能元件為伺服電機(jī)供電公開號為201328023的中國專利公開了一種設(shè)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(qū)動器直流母線進(jìn)行能力傳遞。現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電電動變槳系統(tǒng)多采用超級電容器組直接串聯(lián)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(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(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)有電動變槳系統(tǒng)多采用獨(dú)立變槳技術(shù)，即三個槳葉對應(yīng)三個獨(dú)立伺服驅(qū)動器，每個驅(qū)動器獨(dú)立配備一臺備用電源，當(dāng)任何一臺備用電源失效將導(dǎo)致緊急情況下這個伺服電機(jī)控制的槳葉失去控制，由于備用電源多數(shù)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(chǎn)過程中不可避免的容量偏差，導(dǎo)致充放電過程中單體超級電容電壓不均衡，嚴(yán)重影響超級電容的使用壽命，由于串聯(lián)使用，任何一支超級電容的損壞將導(dǎo)致整個串聯(lián)儲能系統(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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，增強(qiáng)安全可靠性；提高了超級電容能量利用率；增強(qiáng)超級電容一致性，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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個超級電容柜和切換繼電器開關(guān)組成，每個超級電容柜通過切換繼電器開關(guān)與對應(yīng)的伺服驅(qū)動器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)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(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；每個超級電容柜內(nèi)安裝有多個相同的超級電容模塊，多個模塊串聯(lián)而成超級電容模組。所述超級電容柜內(nèi)安裝的超級電容模塊內(nèi)設(shè)有被動均衡模塊，超級電容模塊之間設(shè)有主動均衡模塊，主動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(guān)用于電路的串并聯(lián)切換，即串并聯(lián)切換電路全部由開關(guān)器件構(gòu)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(jù)伺服驅(qū)動器直流母線的設(shè)計(jì)，其最高工作電壓為600V，最低為280V。當(dāng)一臺備用電源出現(xiàn)故障時，變槳控制器等待另外兩個槳葉完成順槳，電機(jī)停轉(zhuǎn)后判斷另兩臺備用電源端電壓，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(fā)明系統(tǒng)為每個伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)多個超級電容模塊串聯(lián)使用，每個模塊內(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(shù)方案之后，本發(fā)明增加二級備用，增強(qiáng)安全可靠性，提高了超級電容能量利用率，增強(qiáng)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(tǒng)中應(yīng)用，在超級電各儲能系統(tǒng)中均可以米用本技術(shù)。


圖I為本發(fā)明超級電容柜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中超級電容模塊被動均衡電路圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中超級電容模塊主動均衡電路圖。
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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個超級電容柜和切換繼電器開關(guān)組成，每個超級電容柜通過切換繼電器開關(guān)與對應(yīng)的伺服驅(qū)動器直流母線連接；三個超級電容柜間通過六個切換繼電器開關(guān)首尾相連。本實(shí)施例系統(tǒng)采用超級電容作為備用電源的儲能元件，由于超級電容單體電壓較低常見值為2. 7V，為了給伺服驅(qū)動器提供足夠的電壓，本系統(tǒng)選用650F單體的超級電容器串聯(lián)成137. 5V的模塊，4個模塊串聯(lián)為一臺伺服驅(qū)動器備用，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。超級電容模組安裝在超級電容柜內(nèi)，其輸出正負(fù)極通過繼電器SDfSD3與伺服驅(qū)動器#1的直流母線連接，作為一級備用供電電源。正常情況下系統(tǒng)檢測超級電容模組電壓，如低于額定閾值則啟動充電裝置，直至充滿到額定電壓，緊急情況時每個超級電容模組通過繼電器SDf SD3給伺服驅(qū)動器供電實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及緊急順槳功能，當(dāng)超級電容模組電壓故障時報錯，發(fā)送錯誤信號給變槳控制器。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連接超級電容模組#I的正極和超級電容模組#2的正極，繼電器S2連接超級電容模組#I的負(fù)極和超級電容模組#2的正極，繼電器S3連接超級電容模組#1的負(fù)極和超級電容模組#2的負(fù)極，繼電器S4連接超級電容模組#2的正極和超級電容模組#3的正極，繼電器S5連接超級電容模組#2的負(fù)極和超級電容模組#2的正極，繼電器S6連接超級電容模組#2的負(fù)極和超級電容模組#3的負(fù)極。 超級電容模組#I的正極作為串并聯(lián)切換電路輸出正極，通過繼電器SD4 SD6與三臺伺服驅(qū)動器直流母線連接，超級電容模組#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超級電容柜發(fā)出的電壓錯誤信號，例如超級電容模組#1故障，系統(tǒng)首先通過繼電器SDl將故障電源切除，然后等待其余兩臺伺服驅(qū)動器反饋位置信號，當(dāng)其余兩個槳葉完成順槳后，變槳控制器檢測超級電容模組#2和超級電容模組#3端電壓，如電壓之和高于600V，且差值低于20V，則SI，S4，S6開通，S2，S3，S5斷開，超級電容模組#2和超級電容模組#3并聯(lián)供電；如電壓之和高于600V且差值高于20V，假設(shè)超級電容模組#2電壓較高，則SI，S6開通，S2，S3，S4，S5斷開，超級電容模組#2單獨(dú)為伺服驅(qū)動器#1供電，直至下一判斷周期；如電壓低于或等于600V，此時SI，S5開通，S2，S3，S4，S6斷開，超級電容模組#2和超級電容模組#3串聯(lián)供電。超級電容模組內(nèi)設(shè)有均衡系統(tǒng)，4個超級電容模塊內(nèi)置被動均衡電路，模塊之間設(shè)有主動均衡電路，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)定超級電容單體電壓，采用均衡板實(shí)現(xiàn)拓?fù)?，均衡板放置于超級電容器陣列上方。圖3中Sf S3采用MOSFETj^SiS 200V，額定頻率10K，L1 L3為均衡電感，通過S1 S3以及D1 D3的開關(guān)開斷，利用電感實(shí)現(xiàn)超級電容模塊間能量轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例中，超級電容與直流母線之間設(shè)有充放電裝置，防止過流損壞超級電容，并提高充放電效率。本實(shí)施例中，超級電容柜內(nèi)安裝溫度檢測裝置，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)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于包括三個超級電容柜和切換繼電器開關(guān)組成，每個超級電容柜通過切換繼電器開關(guān)與對應(yīng)的伺服驅(qū)動器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)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(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；所述每個超級電容柜內(nèi)安裝有多個相同的超級電容模塊，多個模塊串聯(lián)構(gòu)成超級電容模組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級電容柜內(nèi)的超級電容模組，其輸出正負(fù)極通過繼電器SDf SD3與第一伺服驅(qū)動器的直流母線連接，作為一級備用供電電源；正常情況下系統(tǒng)檢測超級電容模組電壓，如低于額定閾值則啟動充電裝置，直至充滿到額定電壓，緊急情況時每個超級電容模組通過繼電器SDf SD3給伺服驅(qū)動器供電實(shí)現(xiàn)低電壓穿越以及緊急順槳功能，當(dāng)超級電容模組電壓故障時報錯，發(fā)送錯誤信號給變槳控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述切換繼電器開關(guān)實(shí)現(xiàn)超級電容模組的串并聯(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連接第一超級電容模組的正極和第二超級電容模組的正極，繼電器S2連接第一超級電容模組的負(fù)極和第二超級電容模組的正極，繼電器S3連接第一超級電容模組的負(fù)極和第二超級電容模組的負(fù)極，繼電器S4連接第二超級電容模組的正極和第三超級電容模組的正極，繼電器S5連接第二超級電容模組的負(fù)極和第二超級電容模組的正極，繼電器S6連接第二超級電容模組的負(fù)極和第三超級電容模組的負(fù)極；第一超級電容模組的正極作為串并聯(lián)切換電路輸出正極，通過繼電器SD4 SD6與三臺伺服驅(qū)動器直流母線連接，第三超級電容模組的負(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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于每個超級電容柜內(nèi)有四個相同的超級電容模塊，其中每個模塊額定電壓137. 5V，模塊電壓537V，采用650F超級電容器單體串聯(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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級電容柜內(nèi)安裝的超級電容模塊內(nèi)設(shè)有被動均衡模塊，超級電容模塊之間設(shè)有主動均衡模塊，主動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，從而保證充放電過程中超級電容電壓的一致性。
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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述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，伺服驅(qū)動器直流母線最高工作電壓為600V，最低為280V，當(dāng)一臺備用電源出現(xiàn)故障時，變槳控制器等待另外兩個槳葉完成順槳，電機(jī)停轉(zhuǎn)后判斷另兩臺備用電源端電壓，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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級電容柜內(nèi)安裝溫度檢測裝置，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)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，其特征在于所述超級電容柜內(nèi)配備散熱風(fēng)扇以及加熱裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種風(fēng)力發(fā)電電動變槳備用電源系統(tǒng)，包括三個超級電容柜和切換繼電器開關(guān)組成，每個超級電容柜通過切換繼電器開關(guān)與對應(yīng)的伺服驅(qū)動器直流母線連接，作為該伺服驅(qū)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(guān)首尾相連，提供串聯(lián)供電或并聯(lián)供電模式；所述每個超級電容柜內(nèi)安裝有多個相同的超級電容模塊，多個模塊串聯(lián)構(gòu)成超級電容模組。本發(fā)明增加二級備用，增強(qiáng)安全可靠性，提高了超級電容能量利用率，增強(qiáng)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(tǒng)中應(yīng)用，在超級電容儲能系統(tǒng)中均可以采用本技術(shù)。
文檔編號H02J9/04GK102769333SQ201210258419
公開日2012年11月7日 申請日期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 申請人:上海交通大學(xué)