专利名称：一种变桨装置及风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电的技术领域，具体地，涉及一种变桨装置及风力发电机。
背景技术：
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。我国风能资源丰 富，利用风力发电机发电的潜力巨大。风力发电机在发电过程中，由于风速不稳定性和不可控，当风力太大时，需要通过 变桨装置中的变桨电机进行对桨叶进行变桨操作，以保护风力发电机的安全。但是，当风力 风力发电机出现故障时，可以通过风力发电机上安装的超级电容对变桨电机进行放电，以 使变桨电机顺利完成变桨。超级电容由于可以提供瞬间很大的放电电流，具备很高的能量密度，而且不像普 通铅酸蓄电池有记忆效应，超级电容可以反复充放电高达几十万次，特别适用于高功率输 出场合，在风力发电机变桨装置中，当伺服电机驱动器的主电回路上的电流失去后，超级电 容为驱动器顺桨提供电能，一旦超级电容出现故障，风力发电机在主电丢失的情况下会有 飞车、断桨危险，所以超级电容的稳定工作对于风力发电机至关重要。现有的变桨装置中，超级电容与伺服电机驱动器上的主电回路通过充满关断方式 的充电电路的方式连接，当对超级电容充电到达额定电压时就自动切断，当超级电容的电 压低于某一阈值时，对超级电容进行恒流充电，频繁的充放电导致超级电容的使用寿命缩 短，并使超级电容的电能存储常常处于不足状态，无法使变桨电机顺利完成顺桨操作，而 且，超级电容的频繁充放电导致超级电容中的电容单元的等效阻值发生变化，使某些电容 单元的可能出现过电压，导致超级电容频繁报出过电压信号。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种变桨装置及风力发电机，用于解决现有技术中 超级电容的充放电频繁、使用寿命短的问题。为此，本发明提供一种变桨装置，其中，包括伺服电机驱动器、变桨电机和超级电 容；所述伺服电机驱动器包括主电回路、控制器和充放电电路；所述主电回路与所述变桨电机连接，用于向变桨电机提供电能；所述充放电电路与所述超级电容连接，所述充放电电路为脉冲宽度调制电路；所述控制器用于根据变桨参数控制所述变桨电机进行变桨操作。其中，所述主电回路包括整流电路、逆变电路和直流母线；所述整流电路和所述逆变电路分别与所述直流母线连接，所述主电回路中的逆变 电路与所述变桨电机连接；所述主电回路中的直流母线通过充放电电路与所述超级电容连接。其中，所述变桨参数包括桨距角和桨叶转速中的至少一种。
其中，所述超级电容包括至少两个电容单元；所述超级电容中的各电容单元串联连接，每个电容单元并联一个均压电阻。其中，在所述直流母线通过恒压脉冲宽度调制充电方式对所述超级电容充电。其中，在所述直流母线上电流为零时，所述超级电容通过所述充放电电路向所述 伺服电机驱动器放电。其中，还包括信号检测电路板，用于检测所述超级电容的电压； 所述信号检测电路板包括滤波电容，所述滤波电容用于对所述超级电容的电压信 号进行滤波。本发明还提供了一种风力发电机，包括桨叶、轮毂、主控制器和塔架，其中还包括 上述的任意一项所述的变桨装置；
所述主控制器根据风速向所述变桨装置中的控制器发出便将参数。本发明具有下述有益效果本发明提供的变桨装置，伺服电机驱动器与超级电容之间通过PWM电路的充放电 电路进行充放电，降低了主电回路电压波动对超级电容的影响，减少了超级电容充放电次 数，延长了超级电容的使用寿命，并有效避免超级电容频繁发生过电压的情况，改善了超级 电容的工作环境。本发明提供的风力发电机中，伺服电机驱动器与超级电容之间通过PWM电路的充 放电电路进行充放电，使充电后的超级电容上电压值保持在额定电压，降低了主电回路电 压波动对超级电容的影响，减少了超级电容充放电次数以及超级电容的电能损耗，并有效 降低超级电容频繁发生过电压的情况，提高了风力发电机的可利用率，改善了超级电容的 工作环境，有效避免了飞车、断桨等事故的发生，确保风力发电机的安全。
图1为本发明提供的变桨装置第一实施例的结构示意图；图2为图1中的超级电容的结构示意图；图3为本发明提供的变桨装置第二实施例的结构示意图；图4为本发明提供的风力发电机实施例的结构示意图；图5为图4中变桨装置的连接示意图；图6为本发明提供的风力发电机的工作流程图。
具体实施例方式为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提 供的变桨装置及风力发电机进行详细描述。图1为本发明提供的变桨装置第一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明实 施例变桨装置包括伺服电机驱动器、变桨电机201和超级电容202，伺服电机驱动器包括充 放电电路203、控制器204和主电回路，其中，伺服电机驱动器通过主电回路与变桨电机201 连接，变桨电机201用于驱动风力发电机的变桨操作，伺服电机驱动器通过充放电电路203 与超级电容202连接，充放电电路203为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)电 路，主电回路与超级电容202之间通过PWM电路的充放电电路进行充放电，控制器204分别与主电回路和充放电电路203连接，控制器204根据变桨参数来控制变桨电机201进行变 桨操作。
在实际应用中，主电回路通有电流时，主电回路通过充放电电路203以恒流方式 对超级电容202进行充电，超级电容202达到额定电压后，充放电电路203采用恒压PWM充 电方式使超级电容202的电压值维持在额定电压，主电回路中的电压波动不影响超级电容 202的电压值；当主电回路中的电流为零时，超级电容202将会通过充放电电路203向伺服 电机驱动器提供电能，控制器204接收风力发电机的主控制器根据风速等参数获取的变桨 参数。
本发明实施例中，伺服电机驱动器与超级电容之间通过PWM电路的充放电电路进 行充放电，降低主电回路电压波动对超级电容的影响，减少超级电容充放电次数，维持超级 电容中的电压稳定，延长了超级电容的使用寿命，并有效避免超级电容频繁发生过电压的 情况，改善了超级电容的工作环境。
图2为图1中的超级电容的结构示意图。如图2所示，超级电容202包括至少2 个电容单元2021，每个电容单元2021并联一个均压电阻，超级电容202上连接有检测超级 电容202的电压的信号检测电路板，信号检测电路板用于检测超级电路202上的电压，在信 号检测电路板上安装滤波电容，以使信号检测电路板检测到超级电容202的电压信号更加 稳定，减少过电压信号的误报。
图3为本发明提供的变桨装置第二实施例的结构示意图。如图3所示，在本发明 实施例中，主电回路包括整流电路205、逆变电路206和直流母线207，整流电路205和逆变 电路206分别与直流母线207连接，其中，整流电路205用于接收风力发电机输入的电能， 主电回路中的逆变电路206与变桨电机201连接，用于向变桨电机201提供电能，直流母线 207与充放电电路203连接，在直流母线207断电的情况下，超级电容202通过充放电电路 203向伺服电机驱动器提供电能，超级电容只在直流母线207断电的情况下向伺服电机驱 动器提供电能，减少超级电容20的充放电次数，延长超级电容20的使用寿命，充放电电路 203采用PWM电路同时，保证每个电容单元2021的等效电阻不会因频繁充放电而频繁波动， 减少过电压信号的误报，提高风力发电机的发电时间和发电效率。
图4为本发明提供的风力发电机实施例的结构示意图，图5为图4中变桨装置的 连接示意图。如图4、5所示，本发明风力发电机包括变桨装置20、桨叶301、轮毂302、发电 机303、机舱304、塔架305和主控制器(图中未示出)，其中，变桨装置20用于控制桨叶301 的桨距角、桨叶转速等参数，变桨装置20可以采用图1或图3所示的任意一种结构，桨叶 301固定在轮毂302上，轮毂302设置在塔架305上，在本发明实施例中，变桨装置20采用 图3所示的结构变桨装置安装在机舱304中，伺服电机驱动器中的整流电路205通过滑环 304与发电机303连接，轮毂302中设置有上位机307，主控制器安装在塔架305中，主控制 器根据风速等实际工况获取变桨参数并输出到变桨装置20中控制器204，控制器204与上 位机307连接，上位机207根据控制器204输出的变桨参数对桨叶301进行变桨操作，控制 器204同时还将主电回路、充放电电路203中的电学参数以及实际执行的变桨参数反馈回 风力发电机的主控制器，在风速较大时增大桨距角，防止发生飞车或断桨等事故，在风速较 小时减小桨距角，以提高风能的利用率，增加发电量。
图6为本发明提供的风力发电机的工作流程图。如图6所示，本发明实施例风力发电机的工作流程具体包括如下步骤
步骤601、伺服电机驱动器通过充放电电路向超级电容充电。
在本发明实施例中，桨叶301在风力作用下转动时，带动发电机303发电，发电机 303通过滑轮304向伺服电机驱动器的主电回路输出电流，该电流经过主电回路中的整流 电路205、直流母线207、逆变电路206到达变桨电机201，直流母线207通过充放电电路203 与超级电容203连接，当超级电容202中的电压未达到额定电压时，直流母线207将通过充 放电电路203以恒流的方式向超级电容202充电，当超级电容202的电压值达到额定电压 后，充放电电路203以恒压PWM充电的方式使超级电容202的电压值维持在额定电压，当直 流母线207上没有电流通过时，进入步骤506。
步骤602、在直流母线没有电流通过时，超级电容向伺服电机驱动器放电。
当风力发电机由于断线等原因发生事故导致伺服控制器发生断电，直流母线207 上没有电流通过，变桨电机201、控制器204将无法进行变桨操作，这时充放电电路203向伺 服电机驱动器提供电能以及时进行变桨操作，防止发生飞车、断桨等事故。在本实施例中， 通过设定在主流母线207中的电压为0时，超级电容202通过充放电电路203向伺服电机 驱动器放电，以使变桨电机和伺服电机驱动器完成变桨操作，提高风力发电机的发电效率 和发电时的安全性。
本发明实施例中，伺服电机驱动器与超级电容之间通过PWM电路的充放电电路进 行充放电，使充电后的超级电容上电压值保持在额定电压，降低了主电回路电压波动对超 级电容的影响，减少了超级电容充放电次数以及超级电容的电能损耗，并有效降低超级电 容频繁发生过电压的情况，改善了超级电容的工作环境，有效避免了飞车、断桨等事故的发 生，确保了风力发电机的安全。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施 方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精 神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种变桨装置，其特征在于，包括伺服电机驱动器、变桨电机和超级电容； 所述伺服电机驱动器包括主电回路、控制器和充放电电路；所述主电回路与所述变桨电机连接，用于向变桨电机提供电能； 所述充放电电路与所述超级电容连接，所述充放电电路为脉冲宽度调制电路； 所述控制器用于根据变桨参数控制所述变桨电机进行变桨操作。
2.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，所述主电回路包括整流电路、逆变 电路和直流母线；所述整流电路和所述逆变电路分别与所述直流母线连接，所述主电回路中的逆变电路 与所述变桨电机连接；所述主电回路中的直流母线通过充放电电路与所述超级电容连接。
3.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，所述变桨参数包括桨距角和桨叶转 速中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，所述超级电容包括至少两个电容单元；所述超级电容中的各电容单元串联连接，每个电容单元并联一个均压电阻。
5.根据权利要求2所述的变桨装置，其特征在于，在所述直流母线通过恒压脉冲宽度 调制充电方式对所述超级电容充电。
6.根据权利要求2所述的变桨装置，其特征在于，在所述直流母线上电流为零时，所述 超级电容通过所述充放电电路向所述伺服电机驱动器放电。
7.根据权利要求1所述的变桨装置，其特征在于，还包括 信号检测电路板，用于检测所述超级电容的电压；所述信号检测电路板包括滤波电容，所述滤波电容用于对所述超级电容的电压信号进 行滤波。
8.一种风力发电机，包括桨叶、轮毂、主控制器和塔架，其特征在于还包括权利要求 1-7中任意一项所述的变桨装置；所述主控制器根据风速向所述变桨装置中的控制器发出变桨参数。
全文摘要
本发明提供一种变桨装置及风力发电机，其中，变桨装置包括伺服电机驱动器、变桨电机和超级电容；所述伺服电机驱动器包括主电回路、控制器和充放电电路；所述主电回路与所述变桨电机连接，用于向变桨电机提供电能；所述充放电电路与所述超级电容连接，所述充放电电路为脉冲宽度调制电路；所述控制器用于根据变桨参数控制所述变桨电机进行变桨操作。本发明实施例中，伺服电机驱动器与超级电容之间通过PWM电路的充放电电路进行充放电操作，降低了主电回路电压波动对超级电容的影响，减少了超级电容充放电次数，延长了超级电容的使用寿命，并有效避免超级电容频繁发生过电压的情况，改善了超级电容的工作环境。
文档编号F03D9/00GK102042167SQ20101060567
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者庞云亭, 张迪, 徐东宁, 李庆江 申请人:北京金风科创风电设备有限公司