本发明属于风力发电装置范围，尤其是一种直流电机变桨距系统。本系统包括电机驱动器、直流电机、超级电容组、升压直流变换器和充电机。充电机的输入端与三相或单相交流电源相连接。超级电容组的一端与充电机的输出端相连接，另一端与升压直流变换器的输入端相连接。升压直流变换器的输出端口通过导线与直流电机的输入端口相连接。当系统出现断电情况时，超级电容支路可瞬间替代三相交流电源为电机系统供电，系统的可靠性得到有效提高。同时由于超级电容的能量利用率高，所以减少了其实际使用容量，降低了系统成本。该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，提高了紧急变桨的可靠性。
1.直流电机变桨距系统，包括电机驱动器(4)和与电机驱动器(4)相连接的直流电机(3)，其特征在于：还包括超级电容组(1)、升压直流变换器(2)和充电机(5)；充电机(5)的输入端与三相或单相交流电源相连接；超级电容组(1)的一端与充电机(5)的输出端相连接，另一端与升压直流变换器(2)的输入端相连接；升压直流变换器(2)的输出端口通过第一导线(L4)、第二导线(L5)与直流电机(3)的输入端口相连接，第一开关(K2)串联在第一导线(L4)上、第二开关(K3)串联在第二导线(L5)。
2.根据权利要求1所述的直流电机变桨距系统，其特征在于：所述的电机驱动器(4)包括整流桥(6)、由第二电阻(R2)和第三开关(K1)并联构成的缓冲电路、支撑电容(C)、由第一电阻(R1)与功率开关器件(T)串接构成的过压保护装置、以及驱动桥(7)；其中：整流桥(6)的输入端接三相交流电源，三相交流电源经整流桥(6)和缓冲电路接至第一直流母线(P)、第二直流母线(N)上，支撑电容(C)并接至第一直流母线(P)、第二直流母线(N)上，过压保护装置并接至第一直流母线(P)、第二直流母线N上；驱动桥(7)的输入端连接到第一直流母线(P)与第二直流母线(N)上，驱动桥(7)的输出端与直流电机(3)相连接。
3.根据权利要求2所述的直流电机变桨距系统，其特征在于：所述的升压直流变换器(2)的输出端通过二极管(D)连接至第一直流母线(P)与第二直流母线(N)上。
4.一种权利要求2所述的直流电机变桨距系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据三相交流电源能否正常供电控制该系统分别运行于自动变桨或紧急变桨状态，其中：自动变桨控制方法如下：
1)当三相交流电源正常供电时，断开第一开关(K2)、第二开关(K3)；
2)充电机(5)将超级电容组(1)充电至其额定电压，控制升压直流变换器(2)的输出电压低于直流母线电压UPN；
3)通过驱动桥(7)控制直流电机(3)，此时直流电机的能量来源于三相交流电源；
4)判断直流母线电压UPN是否达到最大允许值，若达到则开通功率开关器件(T)使UPN恢复至正常，否则继续判断三相交流电源的供电状态；
1)当三相交流电源没有正常供电时，断开第一开关(K2)、第二开关(K3)；
2)若驱动桥(7)能够正常工作，则通过驱动桥(7)控制直流电机(3)旋转，直至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机(3)的能量通过驱动桥(7)和升压直流变换器(2)来源于超级电容组(1)，之后继续判断三相交流电源的状态；
3)若驱动桥(7)不能正常工作，则送入驱动桥(7)中的开关器件的控制信号全部为关断信号，此时驱动桥(7)处于关断状态；
5)调节升压直流变换器(2)的输出电压控制直流电机(3)旋转，直至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机(3)的能量通过升压直流变换器(2)来源于超级电容组(1)；
直流电机变桨距系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电装置范围，尤其是一种直流电机变桨距系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 变桨距系统作为大型风电机组的技术核心，可改善桨叶受力状况、获取最大风量、提高机组的发电效率和电能质量，并可在超高风速下紧急顺桨以保证风机安全运行。
[0003] 电动变桨距系统采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节，结构简单，不存在漏油、卡塞等现象，因而受到广泛关注，而直流电机是电动变桨距系统中的重要执行机构。
[0004] 电动变桨距系统采用三相四线制380V电源供电，为实现故障或断电后的紧急变桨功能，需要储能装置作为系统后备电源供给电机将桨叶调为顺桨位置。储能装置一般采用蓄电池，但近期超级电容已成为更具竞争力的选择。超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点使其在风电领域很有发展前景。
[0005] 专利CN2736554Y和CN101083404A公布了采用超级电容作为储能装置的电动变桨距系统，且超级电容与直流母线直接连接。考虑超级电容供电时电压快速降低的因素，上述方法必须选择容量很大的超级电容才能满足使用要求，因而超级电容的能量利用率低，经济性差。
[0006] 专利CN201050444Y公布了基于蓄电池和直流电机的变桨距系统，紧急变桨时，蓄电池通过简单电路给电机供电，而不经过电机驱动器。这种方案使得电机可控性变差，而且一旦控制装置出现故障，将难以有效控制电机。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于克服了现有电动变桨距系统的上述缺陷，提供了一种新型的直流电机变桨距系统。该系统采用了超级电容组，由于超级电容的能量利用率高，所以减少了其实际使用容量，降低了系统成本；该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，不但使直流电机的可控性更好，而且提高了系统的可靠性。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括超级电容组1、升压直流变换器2、直流电机3、电机驱动器4和充电机5。
[0009] 充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。超级电容组1的一端与充电机5的输出端相连接，另一端与升压直流变换器2的输入端相连接。升压直流变换器2的输出端口通过开关K2、开关K3以及导线L4、导线L5与直流电机3的输入端口相连接。
[0010] 电机驱动器4包括整流桥6、由电阻R2和开关K1构成的缓冲电路、支撑电容、由电阻R1与功率开关器件T串接构成的过压保护装置、以及驱动桥7。
[0011] 驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流电机3相连接。电机驱动器4的输入端即整流桥6输入端接三相交流电源A、B、C，三相交流电源A、B、C经整流桥6和缓冲电路接至直流母线P、直流母线N上，支撑电容C并接至直流母线P、直流母线N上。过压保护装置并接至直流母线P、直流母线N上。当直流母线电压过高时，功率开关器件T导通，使部分电能消耗在电阻R1上，从而降低直流母线电压，提高系统安全性。
[0012] 驱动桥7由四个功率开关器件T1～T4构成，其输入与直流母线相连接，输出与直流电机3相连。
[0013] 升压直流变换器2的输出经二极管D连接至直流母线。二极管D保证了电能由超级电容组1经升压直流变换器2流向直流母线。升压直流变换器2的应用使超级电容可以释放更多的储能，高能量利用率降低了其实际使用容量，从而使系统成本降低。
[0014] 系统正常工作时，电机驱动器4接收的电能来自三相交流电源；电源断电需要紧急变桨时，电机驱动器4接收的电能来自超级电容组1。由于超级电容经升压直流变换器实现了与直流母线的无缝连接，故网压波动时直流母线电压的稳定性好；当出现断电情况时，超级电容支路可瞬间替代三相交流电源为电机系统供电，因此，变桨距系统的可靠性得到有效提高。
[0015] 升压直流变换器2的输出除了经二极管D连接至直流母线外，同时与直流电机输入端口通过开关K2、开关K3相连接。发生电源断电故障需要紧急变桨时，可通过两种方式控制电机：一是升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2、驱动桥7流向直流电机3；二是控制升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2直接流向直流电机3。两种控制方式均能有效控制电机，而且当一路装置出现故障时，另一路装置仍可有效控制电机，因此提高了系统的可靠性。
[0016] 本发明所述控制方法的特征在于：根据三相电源uA、uB、uC能否正常供电控制该系统分别运行于自动变桨或紧急变桨状态。其中：
[0017] 自动变桨控制方法如下：
[0018] 1)当三相交流电源uA、uB、uC正常供电时，断开开关K2、开关K3；
[0019] 2)充电机5将超级电容组1充电至其额定电压，控制升压直流变换器2的输出电压低于直流母线电压；
[0020] 3)通过驱动桥7控制直流电机3，此时直流电机的能量来源于三相交流电源；
[0021] 4)判断直流母线电压UPN是否达到最大允许值，若达到则开通功率开关器件T使UPN恢复至正常，否则继续判断uA、uB、uC的供电状态。
[0022] 紧急变桨控制方法如下：
[0023] 1)当三相交流电源uA、uB、uC没有正常供电时，断开开关K2、开关K3；
[0024] 2)若驱动桥7能够正常工作，则通过驱动桥7控制直流电机3旋转，直至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机3的能量通过驱动桥7和升压直流变换器2来源于超级电容组1，之后继续判断三相交流电源uA、uB、uC的状态；
[0025] 3)若驱动桥7不能正常工作，则送入驱动桥7中的开关器件的控制信号全部为关断信号，此时驱动桥7处于关断状态；
[0026] 4)闭合开关K2、开关K3；
[0027] 5)调节升压直流变换器2的输出电压控制直流电机3旋转，直至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机3的能量通过升压直流变换器2来源于超级电容组1；
[0028] 6)继续判断三相交流电源uA、uB、uC的供电状态。
[0029] 本发明具有以下优点：
[0030] 1)超级电容的能量利用率高，减少了其实际使用容量，降低了系统成本；超级电容的充电电源可以根据需要选择单相或三相交流电源。
[0031] 2)过压保护装置可有效避免直流母线电压过高，提高了系统安全性。
[0032] 3)直流母线电压稳定性好，电网电压波动对变桨距系统性能的影响小，系统可靠性高。
[0033] 4)直流电机具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，且二者互为备用，不仅使电机的可控性更好，而且提高了系统的可靠性。
附图说明
[0034] 图1是直流电机变桨距系统结构图
[0035] 图2是直流电机变桨距系统控制方法。
具体实施方式
[0036] 下面结合图1、图2对本发明作进一步说明：
[0037] 如图1所示，本实施例包括有超级电容组1、升压直流变换器2、直流电机3、电机驱动器4和充电机5。
[0038] 超级电容组1分别与升压直流变换器2的输入端、充电机5的输出端连接，充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。系统正常工作时，充电机5将超级电容组充电至额定电压值。
[0039] 电机驱动器4包括整流桥6、缓冲电路、支撑电容、过压保护装置、驱动桥7及相应的连接。驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流电机3相连接。电机驱动器4的输入接三相交流电源A、B、C，经整流桥6和电阻R2、开关K1构成的缓冲电路接至直流母线P、N上，支撑电容C并接至直流母线，整流桥6由6个二极管构成。
[0040] 电阻R1与功率开关器件T串接构成过压保护装置并接至直流母线。当直流母线电压过高时，功率开关器件T以脉宽调制控制方式通断，使部分电能消耗在电阻R1上。
[0041] 驱动桥7由四个功率开关器件T1～T4构成，其输入与直流母线相连接，输出与直流电机3相连。T1与T4、T2与T3分别构成两组，两组分时工作。通过T1～T4的开关作用，来自直流母线的电能通过驱动器7再经导线L1、L2送入电机3。
[0042] 升压直流变换器2的输出经二极管D连接至直流母线。二极管D保证了电能由超级电容1经升压直流变换器2流向直流母线。
[0043] 系统正常工作时，电机驱动器4接收的电能来自三相交流电源；电源断电需要紧急变桨时，电机驱动器4接收的电能来自超级电容1。
[0044] 升压直流变换器2的输出除了经二极管D连接至直流母线外，同时与直流电机输入端口通过开关K2、K3以导线L4、L5相连接。发生电源断电故障需要紧急变桨时，可通过两种方式控制电机：一是控制升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2、驱动桥7流向直流电机3，此时开关K2、K3断开；二是控制升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2直接流向直流电机3，此时T1～T4构成的驱动桥7处于关断状态，开关K2、K3接通。两种控制方式均能有效控制电机，当一路装置出现故障时，另一路装置仍可有效控制电机，因此提高了系统的可靠性。
[0045] 图2为直流电机变桨距系统控制方法。根据三相供电电源的状态控制该系统分别运行于自动变桨或紧急变桨工况，即uA、uB、uC正常供电时，系统工作于自动变桨工况，否则工作于紧急变桨工况。其中：
[0046] 自动变桨控制方法如下：
[0047] (1)当三相交流电源uA、uB、uC正常供电时，断开开关K2、K3；
[0048] (2)充电机5工作，将超级电容组1充电至其额定电压；
[0049] (3)升压直流变换器2工作，将超级电容组1的输出电压升高至低于直流母线电压UPN；
[0050] (4)通过驱动桥7控制电机3，此时电机的能量来源于三相交流电源；
[0051] (5)判断直流母线电压UPN是否达到最大允许值，若达到则开通器件T使UPN恢复至正常，否则继续判断uA、uB、uC的供电状态。
[0052] 紧急变桨控制方法如下：
[0053] (1)当三相交流电源uA、uB、uC没有正常供电时，断开开关K2、K3；
[0054] (2)若驱动桥7能够正常工作，则通过驱动桥7控制电机3旋转至电机的直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机3的能量通过驱动桥7和升压直流变换器2来源于超级电容组1，之后继续判断uA、uB、uC的供电状态；
[0055] (3)若驱动桥7不能正常工作，则送入驱动桥7中四个开关器件T1～T4的控制信号全部为关断信号，此时驱动桥7处于关断状态；
[0056] (4)闭合开关K2、K3；
[0057] (5)调节升压变换器2的输出电压控制电机3旋转，至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时电机的能量通过升压变换器2来源于超级电容组1；
[0058] (6)继续判断uA、uB、uC的供电状态。
