变桨系统的制作方法

本申请涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种变桨系统。

背景技术：

变桨系统作为风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨控制已成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。

传统的变桨系统，包括供电模块、驱动器、后备电源和充电机。供电模块处于正常供电状态时，充电机向后备电源充电，驱动器接入供电模块，向变桨电机提供电能；当供电模块出现故障时，由备用电源通过驱动器向变桨电机紧急供电，驱动桨叶完成紧急安全收桨动作。由于变桨电机所承受的载荷随外界风速的变化而变化，而变桨电机的需求功率随载荷变化而变化，因此。传统的变桨系统需要供电模块的功率与对应变桨电机的载荷匹配，满足变桨电机动作的全功率要求。因此，传统的变桨系统，存在电路成本高的缺点。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种低成本的变桨系统。

一种变桨系统，包括供电模块、电源组件、驱动器、后备电源和变桨电机；

所述电源组件的交流输入端连接所述供电模块的交流供电端，所述电源组件的直流输出端连接所述后备电源和所述驱动器；所述驱动器连接所述变桨电机；

所述电源组件用于对供电模块输出的交流电进行整流，得到直流电向所述后备电源充电，以及通过所述驱动器向所述变桨电机供电；所述后备电源用于在所述变桨电机的变桨需求功率大于预设功率阈值时，通过所述驱动器向所述变桨电机供电。

在其中一个实施例中，所述驱动器为双向ac/dc转换电路。

在其中一个实施例中，所述电源组件包括整流单元和储能单元；所述整流单元的输入端连接所述供电模块的交流供电端；所述整流单元的输出端连接所述储能单元、所述驱动器和所述后备电源。

在其中一个实施例中，所述电源组件还包括限流限压单元，所述整流单元通过所述限流限压单元连接所述后备电源和所述驱动器。

在其中一个实施例中，所述驱动器包括储能组件和逆变组件；所述储能组件的一端连接所述电源组件的直流输出端；所述储能组件的另一端连接所述逆变组件的直流端，所述逆变组件的交流端连接所述变桨电机。

在其中一个实施例中，所述电源组件的直流输出端通过所述驱动器的储能单元连接所述后备电源。

在其中一个实施例中，所述后备电源为超级电容。

在其中一个实施例中，还包括双向充电机，所述双向充电机一端连接所述驱动器，另一端连接所述后备电源。

在其中一个实施例中，所述变桨电机的数量为两个以上，所述电源组件、所述驱动器和所述后备电源的数量与所述变桨电机的数量相同；所述电源组件、所述后备电源和所述变桨电机分别对应连接所述驱动器。

在其中一个实施例中，所述变桨电机的数量为两个以上，所述电源组件的数量为一个，所述驱动器和所述后备电源的数量与所述变桨电机的数量相同；所述电源组件连接各所述驱动器，所述后备电源和所述变桨电机分别对应连接所述驱动器。

上述变桨系统，通过在供电模块和驱动器之间设置电源组件，电源组件接入供电模块的交流供电端，对供电模块输出的交流电进行整流后向后备电源充电，以及通过驱动器向变桨电机供电；当变桨电机的变桨需求功率大于预设功率阈值时，后备电源通过驱动器向变桨电机供电。即当变桨电机所承受的载荷较大，对应的变桨需求功率大于预设功率阈值时，由后备电源补充供电。这样，相当于隔离了变桨电机侧载荷突变对供电模块的影响，从而减小了变桨电机对供电模块的功率需求，有利于降低电路成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例的变桨系统的组成框图；

图2为另一实施例的变桨系统的组成框图；

图3为一种三叶变桨系统的组成框图；

图4为另一种三叶变桨系统的组成框图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在一个实施例中，请参考图1，提供了一种变桨系统，装配在风力发电机组的轮毂内，与主控制器以及风机主系统协同工作。其中，主控制器以及变桨系统通过滑环与风机主系统连接，主控制器与变桨系统连接。该变桨系统，包括供电模块100、电源组件200、驱动器300、后备电源400和变桨电机500。该电源组件200的交流输入端连接供电模块100的交流供电端，电源组件200的直流输出端连接后备电源400和驱动器300；驱动器300连接变桨电机500。电源组件200用于对供电模块100输出的交流电进行整流，得到直流电向后备电源400充电，以及通过驱动器300向变桨电机500供电；后备电源400用于在变桨电机500的变桨需求功率大于预设功率阈值时，通过驱动器300向变桨电机500供电。

其中，供电模块100是指变桨系统中电源组件200的前端供电系统，供电模块100用于将外部电源接入电源组件200。电源组件200包含整流单元，用于将供电模块100输入的交流电转换为直流电输入驱动器300，驱动器300包含逆变组件，用于将直流电转换成交流电后输出至变桨电机500，向变桨电机500供电。后备电源400包含储能元件，该储能元件可以是储能电容，也可以是储能电池，以及其他类型的可以实现储能功能的电子元件。进一步的，当后备电源400保护储能电池时，该储能电池可以是铅酸电池或锂电池。进一步的，驱动器300可以通过直流母线与电源组件200连接，而后备电源400可以连接在驱动器300的直流母线上。

具体的，变桨系统上电时，电源组件200对供电模块100输出的交流电进行整流后，将整流后得到的直流电输入后备电源400，向后备电源400充电。后备电源400充电完毕后，后备电源400与电源组件200的公共端会维持一定的电参数值，该电参数值由后备电源400的电路构成决定。此时，驱动器300和变桨电机500都处于待机状态。

当主控制器向变桨系统发送变桨指令时，变桨电机500需要根据变桨指令进行变桨动作，此时，电源组件200整流得到的直流电输入驱动器300，通过驱动器300将直流电转换成交流电后，向变桨电机500供电。由于变桨电机500执行动作时，所承受的载荷与外界风速有关，取能大小也就对应不同。电源组件200向变桨电机500供电时，电源组件200的直流输出端电参数的变化量与变桨电机500的取能大小直接相关。那么，变桨电机500所承受的载荷不同时，根据电源组件200直流输出端的电参数值与后备电源400的电参数值的大小关系，变桨系统将有不同的工作模式。当变桨电机500所承受的载荷较小，对应的变桨需求功率小于或等于预设功率阈值时，电源组件200向变桨电机500供电的同时，还能使电源组件200的直流输出端维持与后备电源400相同的电参数值，此时，由电源组件200独自向变桨电机500供电。

当变桨电机500所承受的载荷较大，对应的变桨需求功率大于预设功率阈值时，电源组件200向变桨电机500供电的同时，无法使电源组件200的直流输出端维持与后备电源400相同的电参数值，此时，后备电源400通过驱动器300向变桨电机500补充供电，以满足变桨电机500的功率需求，直至变桨动作完成，或电源组件200的直流输出端与后备电源400的电参数值相等。变桨动作完成后，再由电源组件200将整流后得到的直流电输入后备电源400，向后备电源400充电。可以理解，上文所述的预设功率阈值并非一确定的数值，该预设功率阈值与变桨系统的实时载荷状态以及电源组件200和后备电源400的具体电路构成有关。

为了便于理解，下面以电参数是电压的情况为例进行说明。如上文所述，电源组件200向变桨电机500供电时，电源组件200的直流输出端的压降与变桨电机500的取能大小直接相关。那么也就是说，变桨电机500所承受的载荷不同时，根据电源组件200直流输出端的电压值与后备电源400的电压值的大小关系，变桨系统将有不同的工作模式。

具体的，当变桨电机500所承受的载荷很小时，电源组件200向变桨电机500供电的同时，还能保持电源组件200的直流输出端的电压值大于后备电源400的电压值。此时电源组件200向变桨电机500供电的同时，还会继续向后备电源400充电，直至后备电源400充满电，或电源组件200的直流输出端与后备电源400的电压值相等。当变桨电机500所承受的载荷较大，电源组件200的直流输出端的电压值小于后备电源400的电压值时，由后备电源400通过驱动器300向变桨电机500补充供电，直至变桨动作完成，或电源组件200的直流输出端与后备电源400的电压值相等，变桨动作完成后，再由电源组件200将整流后得到的直流电输入后备电源400，向后备电源400充电。

进一步的，后备电源400还用于当供电模块100断电或者电源组件200故障无输出时，通过驱动器300向变桨电机500供电。

上述变桨系统，通过在供电模块100和驱动器300之间设置电源组件200，电源组件200接入供电模块100的交流供电端，对供电模块100输出的交流电进行整流后向后备电源400充电，以及通过驱动器300向变桨电机500供电；当变桨电机500的变桨需求功率大于预设功率阈值时，后备电源400通过驱动器向变桨电机500供电。即当变桨电机500所承受的载荷较大，对应的变桨需求功率大于预设功率阈值时，由后备电源400补充供电。这样，相当于隔离了变桨电机500侧载荷突变对供电模块100，以及滑环等前端设备的影响，从而减小了变桨电机500对供电模块100的功率需求，也减小了滑环等前端设备的功率要求，有利于降低电路成本。另外，由于设置了后备电源400，在负载大时由后备电源400向变桨电机500补充供电，无需设计独立的储能回路，就实现了混合功能，同时也隔离了负载侧对电源组件200的高功率输出需求，同样也有利于降低变桨系统的电路成本。

进一步的，在一个实施例中，驱动器300为双向ac/dc转换电路，当输入端为直流端时，可以将输入的直流电转换成交流电从交流端输出；当输入端为交流端时，可以将输入的交流电转变成直流电从直流端输出。

可以理解，当变桨电机500的功率需求大，由后备电源400向变桨电机500补充供电后，将导致后备电源400的储能降低。当外部电路出现故障时，由后备电源400满足变桨电机500的瞬时功率需求，也会导致后备电源400的储能降低。那么，当变桨电机500处于发电状态，且后备电源400处于未充满电的状态时，变桨电机500反馈的交流电通过驱动器300转换成直流电后，到达后备电源400，向后备电源400充电，保持后备电源400的电量充足，一方面有利于提高后备电源400的充电效率，降低变桨系统的损耗，节约能源；另一方面也有利于提高变桨系统的风险抵御能力。

在一个实施例中，请参考图2，电源组件200包括整流单元210和储能单元220。其中，整流单元210的输入端连接供电模块100的交流供电端；整流单元210的输出端连接储能单元220、驱动器300以及后备电源400。

其中，整流单元210由整流二极管组成，经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是单向脉动性直流电压。具体的，该整流单元210可以为半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路或倍压整流电路等。总之，本实施例对整流单元210的类型和具体器件构成不作限定。储能单元220可以是储能电容、储能电池或其他具备储能功能的电子元器件，总之，本实施例对储能单元220的具体器件构成不作限定。

具体的，变桨系统上电时，整流单元210对供电模块100输出的交流电进行整流后，将整流后得到的直流电输入储能单元220和后备电源400，向储能单元220和后备电源400充电。当主控制器向变桨系统发送变桨指令时，变桨电机500需要根据变桨指令进行变桨动作，此时，整流单元210向变桨电机500供电，整流单元210直流侧的压降与变桨电机500的取能大小直接相关。那么，变桨电机500所承受的载荷不同时，根据整流单元210的电压值与后备电源400的电压值的大小关系，变桨系统将有不同的工作模式。

当变桨电机500所承受的载荷较小，对应的变桨需求功率小于或等于预设功率阈值时，由整流单元210向变桨电机500供电时，供电模块100持续向整流单元210供电，使整流单元210直流侧维持与后备电源400相同的电压值，此时，由整流单元210独自向变桨电机500供电。

当变桨电机500所承受的载荷较大，对应的变桨需求功率大于预设功率阈值时，整流单元210向变桨电机500供电时，供电模块100持续向整流单元210供电，无法使整流单元210直流侧维持与后备电源400相同的电压值，此时，后备电源400通过驱动器300向变桨电机500补充供电，以满足变桨电机500的功率需求，直至变桨动作完成，或整流单元210直流侧与后备电源400的电压值相等。同样的，上述预设功率阈值并非一确定的数值，该预设功率阈值与变桨系统的实时载荷状态，以及整流单元210、储能单元220和后备电源400的具体电路构成有关。进一步的，当供电模块100故障，无法继续向整流单元输出交流电时，由储能单元220配合后备电源400向变桨电机500紧急供电，可以避免因供电模块100故障而导致的安全事故，有利于提高变桨系统的风险抵御能力。

在一个实施例中，请参考图2，电源组件200还包括限流限压单元230，整流单元210通过限流限压单元230连接后备电源和驱动器。

电信号经过电源组件200的限流限压单元230后，从电源组件200的直流输出端输出，此时，该直流输出端的电流总是小于或等于预设电流值，电压总是小于或等于预设电压值。具体的，限流限压单元230可以包括电压反馈电路和电流反馈电路，通过电压反馈电路和电流反馈电路来实时调整开关管的开关频率和导通时间，达到限流限压效果。限流限压单元230也可以包括电流检测单元、电压检测单元以及控制芯片，通过对输出电流和输出电压进行检测，并将检测结果发送至控制芯片，再由控制芯片根据检测结果输出对应指令进行过流和过压保护。总之，本实施例中，对电源组件200中限流限压单元230所采用的具体电路结构不做限定。

上述实施例中，在电源组件200中设置限流限压单元230，使电源组件200的直流输出为限流限压输出，相当于电源组件200保持小功率运行，有效隔离了变桨电机500侧载荷突变对供电模块100以及滑环等前端设备的影响，从而减小了变桨电机500对供电模块100，以及滑环等前端设备的功率需求，有利于降低变桨系统的电路成本。

在一个实施例中，请继续参考图2，驱动器300包括储能组件310和逆变组件320。其中，储能组件310的一端连接电源组件200的直流输出端；储能组件310的另一端连接逆变组件320的直流端，逆变组件320的交流端连接变桨电机500。

其中，储能组件310可以是储能电容、储能电池或其他具备储能功能的电子元器件，进一步的，当后备电源400保护储能电池时，该储能电池可以是铅酸电池或锂电池。总之，本实施例对储能组件310的具体器件构成不作限定。逆变组件320可以是由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路，也可以是由无关断能力的半控型器件(如普通晶闸管)组成的半控型逆变电路。总之，本实施例对逆变组件320的具体器件构成不作限定。

具体的，电源组件200输出的直流电，可以存储于驱动器300的储能组件310中。当变桨电机500需要根据变桨指令进行变桨动作时，储能组件310输出直流电至逆变组件320的直流端，由逆变组件320将直流电转换成交流电后，通过逆变组件320的交流电输出交流电至变桨电机500，向变桨电机500供电。

进一步的，在一个实施例中，逆变组件320为双向ac/dc转换电路，当输入端为直流端时，可以将输入的直流电转换成交流电从交流端输出；当输入端为交流端时，可以将输入的交流电转变成直流电从直流端输出。具体的，当变桨电机500执行变桨动作时，电源组件200输入的直流电通过逆变组件320转换成交流电后，输出至变桨电机500，为变桨电机500提供电能；当桨电机500处于发电状态时，反馈的交流电通过逆变组件320的整流单元转换成直流电后，到达后备电源400，向后备电源400充电。

上述实施例中，驱动器300包括储能组件310和逆变组件320，可以实现储能和逆变功能，当供电模块100故障，无法继续通过电源组件200向驱动器300输出交流电，或者电源组件200故障无输出时，由储能组件310配合后备电源400向变桨电机500紧急供电，可以避免因供电模块100故障而导致的安全事故，有利于提高变桨系统的风险抵御能力。

在一个实施例中，电源组件的直流输出端通过驱动器的储能组件连接后备电源。

具体的，电源组件输出的直流电，可以存储于驱动器的储能组件中，再通过储能组件向后备电源充电。当变桨电机承受的载荷较大，需要后备电源补充供能时，由后备电源通过储能组件向逆变组件提供直流电，再由逆变组件将直流电转化为交流电后，向变桨电机供能。

在一个实施例中，后备电源为超级电容。其中，超级电容是指通过极化电解质来储能的一种电化学电容。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，其储能的过程并不发生化学反应。超级电容，包含一个正极，一个负极，并在这两个电极之间设置有隔膜，并由电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来孔隙。根据储能机理的不同，超级电容包括双电层电容和法拉第准电容。进一步的，该后备电源，可以是一个超级电容，也可以是有多个超级电容并联组成，总之，本实施例对后备电源中超级电容的种类、数量以及具体连接方式不作限定。

上述实施例中，使用超级电容作为后备电源，由于超级电容具备充电速度快、循环使用寿命长、大电流放电能力强以及安全系数高等诸多优点，有利于提升变桨系统的性能。

在一个实施例中，请继续参考图2，该变桨系统还包括双向充电机600，该双向充电机600一端连接驱动器300，另一端连接后备电源400。

其中，双向充电机600是指可以根据需要改变电流的方向，实现能量双向传递的充电机。具体的，当供电模块100正常供电时，双向充电机600向后备电源400的充电；当供电模块100出现故障无法继续供电时，双向充电机600切换工作模式，实现后备电源400的深度放电功能，通过驱动器300向变桨电机600供电。进一步的该双向充电机600还可以根据不同工作模式下后备电源400的充放电电流与时间，对后备电源400进行寿命监控。

上述实施例中，通过设置双向充电机600，可以实现能量的双向传递，由于双向具有效率高、体积小、动态性能好、成本低等优势，能够有效减小后备电源400的体积，另外通过利用双向充电机600，能够提高电压从而充分利用超级电容的能量，增强了变桨系统的供电性能。

在一个实施例中，变桨电机的数量为两个以上,电源组件、驱动器和后备电源的数量与变桨电机的数量相同；电源组件、后备电源和变桨电机分别对应连接驱动器。

具体的，变桨电机的数量可以为两个以上的任意数值，根据实际需要设置。请参考图3，提供了一种三叶变桨系统的组成框图，该三叶变桨系统包括三个变桨电机，三个变桨电机分别控制对应的桨叶，执行变桨动作。具体的，该三叶变桨系统包括一个供电模块，三个电源组件，三个驱动器和三个后备电源。其中，供电模块100输出的交流电分成三路，分别与第一电源组件201、第二电源组件202以及第三电源组件203连接。第一电源组件201通过第一驱动器301连接第一变桨电机501，第一电源组件201还与第一后备电源401连接；第二电源组件202通过第二驱动器302连接第二变桨电机502，第二电源组件202还与第二后备电源402连接；第三电源组件203通过第三驱动器303连接第三变桨电机503，第三电源组件203还与第三后备电源403连接。

系统上电时，有供电模块100输出的交流电，通过电源组件整流后分别向对应的后备电源供电。执行变桨动作时，根据对应变桨电机所承受载荷的不同，每一个变桨电机对应的后备电源、电源组件和驱动器以不同的工作模式运行，具体工作模式的限定参考上文，此处不再赘述。当变桨电机处于发电状态时，反馈的交流电通过对应驱动器转换成直流电后，到达对应的后备电源，向对应的后备电源充电。

上述实施例中，采用独立的电源组件、备用电源、驱动器以及变桨电机分别控制不同的桨叶，当其中一路变桨系统故障时，另外几路变桨系统还可以正常工作，有利于提高变桨系统的安全性和可靠性。

在一个实施例中，变桨电机的数量为两个以上，电源组件的数量为一个，驱动器和后备电源的数量与变桨电机的数量相同；电源组件连接各驱动器，后备电源和变桨电机分别对应连接驱动器。

具体的，变桨电机的数量可以为两个以上的任意数值，根据实际需要设置。请参考图3，提供了另一种三叶变桨系统的组成框图，该三叶变桨系统包括三个变桨电机，三个变桨电机分别控制对应的桨叶，执行变桨动作。具体的，该三叶变桨系统包括一个供电模块，一个电源组件，三个驱动器和三个后备电源。其中，供电模块100输出的交流电通过电源组件200整流后分成三路，分别与第一驱动器301、第二驱动器302以及第三驱动器303连接，电源组件200还与第一后备电源401、第二后备电源402以及第三后备电源403连接。第一驱动器301连接第一变桨电机501；第二驱动器302连接第二变桨电机502；第三驱动器303连接第三变桨电机503。

系统上电时，有供电模块100输出的交流电，通过电源组件200整流后分别向不同的后备电源供电。执行变桨动作时，根据对应变桨电机所承受载荷的不同，每一个变桨电机对应的后备电源和驱动器以不同的工作模式运行，具体工作模式的限定参考上文，此处不再赘述。当变桨电机处于发电状态时，反馈的交流电通过对应驱动器转换成直流电后，到达对应的后备电源，向对应的后备电源充电。

上述实施例中，将不同桨叶对应的变桨系统的电源组件集成到一起，有利于保证变桨系统的可靠性的同事减小变桨系统的体积。

可以理解，上述整流单元、储能单元、储能组件和逆变组件等都可以采用其他的形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要能达到完成对应的功能即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。