一种兆瓦级风力发电机组变桨系统及其变桨控制方法

摘要

本发明公开了一种兆瓦级风力发电机组变桨系统及其变桨控制方法。所述变桨系统，包括充电机、直流24伏电源模块、直流母线、变桨控制器、现场通讯总线、低压变频器、变桨电机以及超级电容，所述超级电容直接挂在直流母线上，同时降低直流母线电压。所述变桨控制方法，由主控制器将指令发送给变桨控制器，变桨控制器控制变桨驱动器，变桨驱动器驱动变桨电机，从而控制风力发电机组叶片到达相应位置。本发明采用超级电容作为后备电源，充电时间大大缩短，能在低温环境中使用，维护间隔时间延长，从而降低了成本；变桨系统的直流母线电压降低，减少了超级电容模组的个数，降低了变桨系统的生产成本。

权利要求

1.一种兆瓦级风力发电机组变桨系统，包括充电机、直流24伏电源模块、直流母线、变桨控制器、现场通讯总线、变桨驱动器和变桨电机，所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块用于为兆瓦级风力发电机组变桨系统提供电源，其特征是，还包括用于电网发生故障时作为后备电源给变桨驱动器提供能量的超级电容，所述超级电容直接挂在直流母线上，所述直流母线的电压为低电压；所述变桨驱动器是低压变频器；所述兆瓦级风力发电机组变桨系统通过现场通讯总线与风力发电机组主控制器相连；所述主控制器将指令发送给变桨控制器，变桨控制器根据接收到的主控制器的指令来控制低压变频器，低压变频器驱动变桨电机，从而控制风力发电机组叶片到达相应位置；

所述兆瓦级风力发电机组变桨系统包括四种运行工况，各工况及其对应的变桨系统模式和变桨系统控制方式分别如下：

工况一：变桨系统无故障，且收到主控制器发出的正常运行指令：变桨系统模式为正常运行模式，变桨系统根据主控制器的指令，驱动叶片到达指定的位置；

工况二：变桨系统无故障，手动操作盒与变桨系统相连：变桨系统模式为手动运行模式；变桨系统根据手动操作盒的指令，驱动叶片正转或反转或保持不动，直到指令取消或接收到另一条指令；

工况三：变桨系统收到主控制器发出的安全运行指令：变桨系统模式为安全运行模式，变桨系统收到安全运行指令后，立即驱动叶片到达顺桨位；

工况四：变桨系统故障：变桨系统模式为紧急模式，变桨系统立即驱动叶片到达顺桨位；

在风力发电机组正常发电的情况下，变桨系统在工况一运行；在变桨系统维护情况下，变桨系统在工况二下运行；在风机正常停机时，变桨系统在工况三下运行；在变桨系统故障情况下，变桨系统在工况四下运行。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机组变桨系统，其特征是，所述直流母线的额定电压为120伏或120伏以下。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机组变桨系统，其特征是，兆瓦级风力发电机组每个叶片都有一套相互独立的变桨系统。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机组变桨系统，其特征是，所述兆瓦级风力发电机组变桨系统与主控制器之间采用CANopen作为通讯总线，主控制器与变桨控制器之间采用一对三的通讯方式：主控制器分别与三个变桨控制器通讯。

5.一种兆瓦级风力发电机组变桨系统的变桨控制方法，其特征是，采用权利要求1所述的兆瓦级风力发电机组变桨系统；降低变桨系统的直流母线电压；所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块为兆瓦级风力发电机组变桨系统提供电源，当电网发生故障时，由直接挂在直流母线上的作为后备电源的超级电容给变桨驱动器提供能量；所述主控制器将指令发送给变桨控制器，变桨控制器根据接收到的主控制器的指令控制低压变频器，低压变频器驱动变桨电机，从而控制风力发电机组叶片到达相应位置。

6.根据权利要求5所述的兆瓦级风力发电机组变桨系统的变桨控制方法，其特征是，变桨控制器与主控制器之间、变桨控制器与变桨驱动器之间都采用CANopen作为通讯总线；

变桨系统为正常运行模式时，主控制器通过CANopen通讯总线将控制状态与叶片角度指令发送给每个叶片的变桨控制器，变桨控制器再根据叶片当前角度计算出电机速度指令，最后将速度指令发送给变桨驱动器执行；变桨系统工作时，每个变桨控制器实时监测自系统的运行状态和与主控制器的通讯状态，并通过CANopen总线将信息、状态反馈给主控制器；如果主控制器通过信息处理发现系统存在故障情况，主控制器通过CANopen总线发送停机指令给每一个变桨控制器，同时断开主控制器安全链，而该信息通过硬连线被变桨控制器接收到；若是任何一个变桨控制器检测到故障，该变桨控制器执行安全停机操作，并通过CANopen总线与硬连线告知主控制器；

当变桨系统为手动运行模式时，变桨系统检测到手动操作盒接入到本系统中，立即切换到手动运行模式；在此模式中，变桨系统将不再理会主控制器发送过来的各种指令，而是以手动操作盒的指令为准；

当变桨系统为安全运行模式时，变桨系统进入安全运行模式后，变桨系统根据内置的指令与程序驱动叶片回到顺桨位置；在此模式中，变桨系统以预定的速度驱动叶片回到指定位置；

当变桨系统为紧急模式时，变桨驱动器驱动电机以预定的速度向预定的方向转动，直到能量用尽或者变桨驱动器使能断开为止；在顺桨位置装有两个限位开关，当叶片运行到顺桨位置时触发限位开关，而限位开关与变桨驱动器的使能相连，保证在顺桨位置通过断开变桨驱动器使能来使叶片停在顺桨位置。

说明书

一种兆瓦级风力发电机组变桨系统及其变桨控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种兆瓦级风力发电机组变桨系统及其变桨控制方法。

背景技术

[0002] 为了提高兆瓦级风力发电机组的市场竞争力，既要提高风机质量、减少运行维护成本，也要尽量降低风机的生产成本。变桨系统是兆瓦级风力发电机组的关键子系统之一，
若变桨系统时常发生故障或经常需要停机维护，必然导致兆瓦级风力发电机组运行维护成
本的升高。随着滨海型或海上型风力发电机组越来越受到政策支持和市场关注，其高额的
维护成本要求子其系统具备更高的可靠性和免维护性。变桨系统作为风力发电机组的关键
子系统之一，其可靠性和免维护性在实际应用中显得尤为重要。

[0003] 目前兆瓦级风力发电机组的变桨系统一般采用铅酸蓄电池作为后备电源。铅酸蓄电池由于成本低在变桨系统中应用最早，市场占有率较高，但其充电时间长、不耐低温且维
护周期短。兆瓦级风力发电机组的变桨系统在使用铅酸蓄电池作为后备电源的模式下，为
保证风机安全，必须经常对铅酸蓄电池的容量进行检测。以普通风电用蓄电池为例，在风机
运行的前六个月，每个月必须检测一次；在第六到十二个月，每两个星期必须检测一次；在
第十二到十八个月，每个星期必须检测一次；风机运行满十八个月，所有铅酸蓄电池必须全
部更换。而且，为保证检测结果准确，在检测前必须充电满4个小时。因此，铅酸蓄电池在使
用过程中会占用大量的维护时间，而经常定期更换也使得物料成本居高不下，使风机运行
维护的人力成本与物料成本大大升高。另外，由于在低温时铅酸蓄电池活性会大大降低，变
桨系统必须时刻维持电池柜的温度在一个适宜的范围内，在增加了系统复杂性的同时降低
了系统可靠性。

[0004] 现有技术中，申请号为201010220250.8的中国发明专利一种风力发电机组电动变桨系统,包括第一轴伺服驱动器、第二轴伺服驱动器以及第三轴伺服驱动器三个轴伺服驱
动器;第一轴伺服驱动器与第一执行单元相连,第二轴伺服驱动器与第二执行单元相连,第
三轴伺服驱动器与第三执行单元相连;所述第一轴伺服驱动器或第二轴伺服驱动器或第三
轴伺服驱动器作为主伺服驱动器与主控控制器相通讯;所述主伺服驱动器与作为辅伺服启
动器的其他两个轴伺服驱动器相通讯;或,所述第一轴伺服驱动器、第二轴伺服驱动器和第
三轴伺服驱动器与所述主控控制器均相通讯。本发明提供了一种风力发电机组电动变桨系
统,用于实现减少通讯节点,降低通讯故障率。申请号为201010258521.9中国发明专利公开
了一种用于风力发电机组的变桨系统,包括变桨轴承,还包括相互配合的第一锁定件和第
二锁定件,所述第一锁定件与所述变桨轴承的轴承内圈固定连接,所述第二锁定件与所述
风力发电机组的轮毂固定连接,所述第一锁定件和所述第二锁定件可选择地在锁定动力部
件的作用下锁紧。本发明所提供的变桨系统改善了变桨轴承的工作环境和受力状态,延长
了变桨轴承的使用寿命,降低了变桨轴承卡死可能性,进而提高了变桨系统的可靠性。申请
号为201110261821.7的中国发明专利申请一种风力发电机组的变桨系统包括机舱柜、滑
环、变桨驱动器、变桨电机和变桨减速器,所述风力发电机组的变桨系统还包括通用变频器
和转换开关,其中,机舱柜从塔底接收电能;通用变频器连接到发电机组中的定子单元,从
发电机组接收电能,并进行频率转换;当需要执行变桨操作时,转换开关选择性地将来自机
舱柜的电能或来自通用变频器的电能通过滑环提供给变桨驱动器;变桨驱动器使用从转换
开关接收的电能驱动变桨电机;变桨电机再驱动变桨减速器将桨叶转动到顺桨位置。所述
变桨系统直接利用发电机输出的电能,避免采用额外备电设备,降低了故障率和成本,具有
较强的移植性。上述现有技术均没有很好地解决前述技术问题，有待进一步改进。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种兆瓦级风力发电机组变桨系统，其能适应低温环境、大大降低维护工作量、降低生产成本。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述兆瓦级风力发电机组变桨系统，包括充电机、直流24伏电源模块、直流母线、变桨控制器、现场通讯总线、变桨驱动器、
变桨电机以及用于电网失电或发生故障时作为后备电源给变桨驱动器提供能量的超级电
容，所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块用于为兆瓦级风力发电机组变桨系统提供
电源，所述超级电容直接挂在直流母线上，为减少超级电容模块的数量，直流母线的电压为
低电压；所述变桨驱动器是低压变频器；所述兆瓦级风力发电机组变桨系统通过现场通讯
总线与风力发电机组主控制器相连；所述主控制器将指令发送给变桨控制器，变桨控制器
根据接收到的主控制器的指令来控制低压变频器，低压变频器驱动变桨电机，从而控制风
力发电机组叶片到达相应位置。所述兆瓦级风力发电机组变桨系统包括四种运行工况，各
工况及其对应的变桨系统模式和变桨系统控制方式分别如下：工况一：变桨系统无故障，且
收到主控制器发出的正常运行指令：变桨系统模式为正常运行模式，变桨系统根据主控制
器的指令，驱动叶片到达指定的位置；工况二：变桨系统无故障，手动操作盒与变桨系统相
连：变桨系统模式为手动运行模式；变桨系统根据手动操作盒的指令，驱动叶片正转或反转
或保持不动，直到指令取消或接收到另一条指令；工况三：变桨系统收到主控制器发出的安
全运行指令：变桨系统模式为安全运行模式，变桨系统收到安全运行指令后，立即驱动叶片
到达顺桨位；工况四：变桨系统故障，或没有收到主控制器的指令：变桨系统模式为紧急模
式，变桨系统立即驱动叶片到达顺桨位；在风力发电机组正常发电的情况下，变桨系统在工
况一运行；在变桨系统维护情况下，变桨系统在工况二下运行；在风机正常停机时，变桨系
统在工况三下运行；在变桨系统故障或与主控制器通讯中断情况下，变桨系统在工况四下
运行。

[0007] 所述直流母线的额定电压在120伏或120伏以下。所述兆瓦级风力发电机组每个叶片都有一套相互独立的变桨系统。所述兆瓦级风力发电机组变桨系统与主控制器之间采用
CANopen作为通讯总线，主控制器与变桨控制器之间采用一对三的通讯方式，即主控制器分
别与三个变桨控制器通讯。

[0008] 所述兆瓦级风力发电机组变桨系统的变桨控制方法，采用上述兆瓦级风力发电机组变桨系统；降低变桨系统的直流母线电压；所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块为
兆瓦级风力发电机组变桨系统提供电源，当电网失电或发生故障时，由直接挂在直流母线
上的作为后备电源的超级电容给变桨驱动器提供能量；所述主控制器将指令发送给变桨控
制器，变桨控制器根据接收到的主控制器的指令控制低压变频器，低压变频器输出给变桨
驱动器驱动变桨电机，从而控制风力发电机组叶片到达相应位置。

[0009] 在上述方法中，所述变桨系统还可以包括手动操作盒，所述变桨系统在维护状态时可以根据手动操作盒的指令，驱动叶片正转或反转或保持不动。所述变桨系统出现故障
或没有收到主控制器的指令时，立即驱动叶片到达顺桨位。变桨控制器与主控制器之间、变
桨控制器与变桨驱动器之间都采用CANopen作为通讯总线。变桨系统为正常运行模式时，主
控制器通过CANopen通讯总线将控制状态与叶片角度指令发送给每个叶片的变桨控制器，
变桨控制器再根据叶片当前角度计算出电机速度指令，最后将速度指令发送给变桨驱动器
执行；变桨系统工作时，每个变桨控制器实时监测自系统的运行状态和与主控制器的通讯
状态，并通过CANopen总线将信息、状态反馈给主控制器；如果主控制器通过信息处理发现
系统存在故障情况，主控制器通过CANopen总线发送停机指令给每一个变桨控制器，同时断
开主控制器安全链，而该信息通过硬连线被变桨控制器接收到；若是任何一个变桨控制器
检测到故障，该变桨控制器执行安全停机操作，并通过CANopen总线与硬连线告知主控制
器。当变桨系统为手动运行模式时，变桨系统检测到手动操作盒接入到本系统中，立即切换
到手动运行模式；在此模式中，变桨系统将不再理会主控制器发送过来的各种指令，而是以
手动操作盒的指令为准。当变桨系统为安全运行模式时，变桨系统进入安全运行模式后，变
桨系统根据内置的指令与程序驱动叶片回到顺桨位置；在此模式中，变桨系统以预定的速
度驱动叶片回到指定位置。当变桨系统为紧急模式时，变桨驱动器驱动电机以预定的速度
向预定的方向转动，直到能量用尽或者变桨驱动器使能断开为止；在顺桨位置装有两个限
位开关，当叶片运行到此位置时触发限位开关，而限位开关与驱动器的使能相连，保证在顺
桨位置通过断开变桨驱动器使能来使叶片停在此位置。

[0010] 本发明采用低压电容方案，即采用超级电容作为变桨系统的后备电源，同时降低变桨系统的直流母线电压，采用低压变频器作为变桨电机的驱动。在该变桨系统中，超级电
容直接挂在直流母线上，当电网失电或发生故障时，作为后备电源立即给变桨驱动器提供
能量驱动叶片安全回到顺桨位。由于超级电容的免维护特性，该变桨系统无需经常检测后
备电源的容量，从而大大减少了运行维护的时间和成本。同时，即使在-40摄氏度的低温环
境下，超级电容的性能也没有丝毫的变差，使得该变桨系统可以应用在低温或严寒地区，拓
展了风力发电机组的适用环境。另外，虽然超级电容的价格较铅酸蓄电池贵，但由于采用低
压变频器，每组后备电源只需采用几个超级电容模块即可，使得该变桨系统的生产成本与
采用铅酸蓄电池的普通变桨系统也不相上下。

[0011] 本发明采用超级电容作为变桨系统的后备电源，同时降低变桨系统直流母线电压，使其与超级电容相匹配。一方面超级电容低温性能良好、充电时间非常短且维护周期长
达10年，使得该变桨系统不仅能适应低温环境，而且不用经常更换超级电容模块、维护工作
量大大降低。另一方面，降低变桨系统直流母线电压，使得每组后备电源所需的超级电容模
块数大大减少，降低了变桨系统生产成本。

[0012] 本发明的优点：1、变桨系统采用超级电容作为后备电源，有效避免了铅酸蓄电池的一些缺点，使得后备电源的充电时间大大缩短，并能在低温环境中使用，而且维护间隔时
间大大延长，从而降低了风电机组的运行维护成本，提高了风机的市场竞争力。2、变桨系统
的直流母线电压降低，也就是后备电源电压降低，减少了超级电容模组的个数，降低了变桨
系统的生产成本。

附图说明

[0013] 图1是本发明采用超级电容作为后备电源的示意图。

具体实施方式

[0014] 在兆瓦级风力发电机组中，每个叶片可配备一套相互独立的变桨系统，如图1所示，每套兆瓦级风力发电机组变桨系统包含一个充电机、一套超级电容、两个直流24伏电源
模块（DC 24V）、一套变桨控制器（PLC）、一个低压变频器、以及一个交流变桨电机。每套兆瓦
级风力发电机组变桨系统与兆瓦级风力发电机组主控制器通过现场通讯总线（CANOPEN）相
连；所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块用于为兆瓦级风力发电机组变桨系统提供
电源，所述超级电容用于电网失电或发生故障时作为后备电源给变桨驱动器提供能量，所
述超级电容直接挂在直流母线上，同时降低直流母线电压。

[0015] 所述兆瓦级风力发电机组变桨系统的变桨控制方法，采用上述兆瓦级风力发电机组变桨系统；降低变桨系统的直流母线电压；所述充电机、直流母线和直流24伏电源模块为
兆瓦级风力发电机组变桨系统提供电源，当电网失电或发生故障时，由直接挂在直流母线
上的作为后备电源的超级电容给变桨驱动器提供能量；所述主控制器将指令发送给变桨控
制器，变桨控制器根据接收到的主控制器的指令控制低压变频器，低压变频器输出给变桨
驱动器驱动变桨电机，从而控制风力发电机组叶片到达相应位置。

[0016] 根据风机实际运行状况，该变桨系统分四种运行工况：见表1。

[0017] 表1

[0018]变桨系统运行工况 变桨系统模式 变桨系统控制
工况一：变桨系统无故障，且收到主控制器发出的正常运行指令 正常运行模式 根据主控制器的指令，驱动叶片到达指定的位置
工况二：变桨系统无故障，手动操作盒与变桨系统相连 手动运行模式 根据手动操作盒的指令，驱动叶片正转或反转或保持不动，直到指令取消或接收到另一条指令。
工况三：收到主控制器发出的安全运行指令 安全运行模式 收到安全运行指令后，立即驱动叶片到达顺桨位。
工况四：变桨系统故障，或没有收到主控制器的指令 紧急模式 立即驱动叶片到达顺桨位。

[0019] 在风力发电机组正常发电的情况下，变桨系统在工况一运行；在变桨系统维护情况下，变桨系统在工况二下运行；在风机正常停机时，变桨系统在工况三下运行；在变桨系
统故障或与主控制器通讯中断情况下，变桨系统在工况四下运行。

[0020] 为了更好的了解本发明，下面结合图1与表1作进一步说明。

[0021] 以WT2000D110风电机组的变桨系统为例，驱动器采用ATECH公司的AC-2（6.5KW），电机采用ATECH公司的G1602500（6KW），变桨控制器采用BECKHOFF公司的BX5100，超级电容
模块采用麦克斯威公司的BMOD0500-P016。变桨控制器与主控制器之间、变桨控制器与驱动
器之间都采用CANopen作为通讯总线。

[0022] 变桨系统模式一：正常运行模式

[0023] 主控制器通过CANopen通讯总线将控制状态与叶片角度指令发送给每个叶片的变桨控制器（根据实际需要，每个叶片的角度指令可以不尽相同），变桨控制器再根据叶片当
前角度计算出电机速度指令，最后将速度指令发送给驱动器执行。变桨系统工作时，每个变
桨控制器会实时监测自系统的运行状态和与主控制器的通讯状态，并通过CANopen总线将
有用信息、状态反馈给主控制器。如果主控制器通过信息处理发现系统存在故障情况，会通
过CANopen总线发送停机指令给每一个变桨控制器，同时也会断开主控制器安全链，而该信
息会通过硬连线被变桨控制器接收到。若是任何一个变桨控制器检测到故障，也会马上执
行安全停机操作，并通过CANopen总线与硬连线告知主控制器。

[0024] 变桨系统模式二：手动运行模式

[0025] 当变桨系统检测到手动操作盒接入到本系统中，会立即切换到手动运行模式。在此模式中，变桨系统将不再理会主控制器发送过来的各种指令，而是以手动操作盒的指令
为准。

[0026] 变桨系统模式三：安全运行模式

[0027] 当变桨系统进入安全运行模式后，变桨系统会根据内置的指令与程序驱动叶片尽快回到顺桨位置。在此模式中，变桨系统会以预定的速度驱动叶片回到指定位置（一般是90
度左右），除非运行模式发生改变，否则变桨系统不会理会主控制器的任何角度指令。

[0028] 变桨系统模式四：紧急模式

[0029] 变桨系统只有在发生故障时（与主控制器的通讯中断也算故障）才会进入紧急模式。进入紧急模式后，驱动器将会驱动电机以预定的速度向预定的方向转动（在实际中这个
方向就是顺桨位方向），直到能量用尽或者驱动器使能断开为止。当然，在顺桨位置装有两
个限位开关，当叶片运行到此位置时必然会触发限位开关，而限位开关与驱动器的使能相
连，这样就可以保证在顺桨位置通过断开驱动器使能来使叶片停在此位置。

[0030] 在本发明采用的技术方案中，根据供电情况的不同，变桨系统又可以分为四种运行工况，如表2所示。

[0031] 表2

[0032]变桨系统运行工况 超级电容状态 变桨系统能量流动
工况一：三相400伏交流电正 当驱动器的功率不超过充电机的 当驱动器的功率不超过充电机的输出功率时，超级电容处于闲置但又随时待命的状态，低压变频常，变桨电机在电动模式下 输出功率时，超级电容电压保持 器的能量由三相400伏交流电供给；反之，超级电容会输出能量供给驱动器。换种说法，超级电容在额定值，容量满额；反之，超级电 尖峰负荷时可以给驱动器供电，减轻充电机的负担，使得充电机在设计时无须留太多余量。
容电压会下降
工况二：三相400伏交流电正 超级电容电压会暂时升高，容量 超级电容处于充电状态，其电压会暂时超过直流母线电压的额定值，此时叶片的一部分机械能通常，变桨电机在发电模式下 超过额定值 过变桨电机回馈给超级电容。但当该状态消失时，这部分能量会马上被变桨驱动器消耗掉，超级电容电压又会回到额定值。
工况三：三相400伏交流电不 超级电容电压会降低，容量慢慢 低压变频器的能量由超级电容供给，超级电容作为后备电源驱动叶片回到顺桨位置。
正常，变桨电机在电动模式下 减少
工况四：三相400伏交流电不 超级电容电压状态要据实际情况 一方面，超级电容给低压变频器和其他部件（如变桨控制器）供电；另一方面，此时叶片的一部分机正常，变桨电机在发电模式下 而定 械能通过变桨电机回馈给超级电容。具体超级电容处于何种状态，要根据实际情况而定。

[0033] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。