专利名称：一种风电收桨供电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种供电装置，尤其涉及一种风电收桨供电装置。
背景技术：
根据风电第一纸媒《风能世界》杂志撰文我国风电装机连续4年翻番，风电装机容量世界排名由2008年的第四名升至第三名。2009年底，全国共建设423个风电场，总容量达2268万千瓦，约占全国发电装机的2. 6%。2010年，我国风电规模已经位居世界第一。 按照国家风电发展规划，2020年，我国风电装机容量有望达到1.5亿千瓦。截至2009年底， 我国风电累计发电量约为516亿千瓦时，按照发电标煤煤耗每千瓦时350克计算，可节约标煤1806万吨，减少二氧化碳排放5562万吨，减少二氧化硫排放观万吨。2010年，我国风电新增装机超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，“双居”世界第一。风电技术中，桨叶在紧急状况下能否收桨成功关系到风电设备的安全，能否顺利收桨主要由两个因素决定，即收桨控制和收桨供电电源的可靠。现有技术中收桨供电电源一般采用可充电的铅酸蓄电池供电，通过充电器连接后备电源后给蓄电池充电。而蓄电池的外部环境一般都比较恶劣，温差很大，且其所处的位置导致测试蓄电池容量的工作也非常困难。与常温相比，温度过高，会缩短蓄电池的寿命；温度过低，会降低蓄电池的容量；而电池蓄能能否达到收桨条件，需要经过在线测试，较短测试间隔周期会缩短电池的寿命；较长的测试间隔周期，因环境温度变化较大难以准确地评估电池的储能情况。而风电设备在收桨时必须在规定时间(约15s)提供足够的能量(电流不小于20A，电压不小于200V)才足以保证安全的收桨。现有技术中使用蓄电池作为收桨供电存在电池蓄能不稳定的技术问题。容易因为供电问题导致收桨失败，影响风电设备的安全，出现重大事故。
实用新型内容针对现有技术中存在的使用蓄电池作为收桨供电存在电池蓄能不稳定的技术问题。因此有必要提供一种风电收桨供电装置。本实用新型公开了一种风电收桨供电装置，包括后备电源、充电器、蓄电池、整流电路、电压高选电路、收桨电机；上述后备电源依序连接充电器、蓄电池后形成蓄电池供电电源，上述后备电源连接整流电路形成整流供电电源；上述整流供电电源的高压端连接第二二极管、蓄电池供电电源的高压端连接第一二极管后并联形成电压高选电路，上述电压高选电路输出连接收桨电机。优选地，上述整流电路和电压高选电路之间连接二极管整流缺相检测器。优选地，上述二极管整流缺相检测器包括缺相检测、报警和发光二极管。优选地，上述后备电源的三相输入分别串联连接熔断器。优选地，上述熔断器的额定电流为63A。优选地，上述整流电路为三相半波整流电路或三相全波整流电路。本实用新型的有益效果为收桨电机在收桨时必须在规定时间(约15s)提供足够的能量(电流不小于20A，电压不小于200V)才足以保证安全的收桨，这就需要在任何时候都有非常稳定的电压输出才可以实现，而现有技术中使用蓄电池供电的方式因为蓄电池的外部环境恶劣，导致蓄电池的性能下降，同时因为蓄电池安装位置的特殊性，导致检测非常困难。本实用新型提供的供电装置使用后备电源连接整流电路，并和现有技术中存在的蓄电池供电电路并联实现电压高选电路输出，给收桨电机供电。使用稳定的后备电源整流并和现有技术中的蓄电池高选输出作为收桨供电，一方面保证了收桨供电的稳定性，另一方面本实用新型的供电装置可将其安装在变桨调速箱体内，所有的交流电源输入线和直流输出线均在该箱体内，连线简单，易于改造。
图1为变桨电机供电系统主回路电气原理图。图2为驱动器交流供电与直流供电结合的原理图。图3为电源并联电路原理图。图4为整流电路加入原电路后的电气原理图。图5为整流模块和驱动器的简化原理测试图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本实用新型的具体实施方式
。如图3所示的一种风电收桨供电装置，包括后备电源、蓄电池、整流电路、电压高选电路、收桨电机；上述后备电源连接蓄电池后形成蓄电池供电电源，上述后备电源连接整流电路形成整流供电电源；上述整流供电电源的高压端连接第二二极管(2V2)、蓄电池供电电源的高压端连接第一二极管(2V1)后并联形成电压高选电路，上述电压高选电路输出连接收桨电机，作为收桨供电。优选地，上述整流电路和电压高选电路之间连接二极管整流缺相检测器，整流电路的输出缺相检测并报警远传。优选地，上述二极管整流缺相检测器包括缺相检测、报警和发光二极管，正常情况下，发光二极管正常亮，缺相时发光二极管熄灭。优选地，上述后备电源的三相输入分别串联连接熔断器。每相交流输入采用熔断器作为短路保护开关，在一相电有故障的情况下，其它两相可以实现正常供电。优选地，上述熔断器的额定电流为63A。在电机直接启动时，冲击电流大，特别是在缺相时，电流非常集中，经过多次试验表明，熔断器的额定电流为63A时，可以最大限度地实现短路保护。优选地，上述整流电路可以为三相半波整流电路或三相全波整流电路。下面以三相半波整流为例详细说明本实用新型的工作方式。三相半波整流在正常情况下，平均输出电压为270V，高于在风电系统中一般使用的铅酸蓄电池216V的电压，所以在给直流收桨电机供电时基本上由整流供电电源供电。下面通过具体的电路结构图详细说明本实用新型的优选实施例。如图1所示的变桨电机供电系统主回路电气原理图。IMl是变桨拖动串极式直流电机，IGl是整流桥以保证电机励磁电流极性方向一致性；IFl是电机过载检测；IRl和1R2是在紧急收桨时(通过3K3输入216V直流电压直接驱动电机)并入电枢两端的电阻，目的是为防止电机启动后电枢电流减后也能保证有最低的励磁电流而防止飞车；IAl是变桨直流电机驱动器，3K4接通后由驱动器驱动电机。驱动器有两路电源输入口，其中一路由三相的 400V经自耦变压器降压成三相275V后输入驱动器L1、L2、L3端口，其中IQl是变压器或驱动器短路保护开关；另一路输入电源是直流输入，接入驱动器I+、ZK-端口。驱动器的直流输入电源是在交流电源L1、L2、L3欠压时接通4Κ1输入的，目的是把正在运行的发电设备在控制电源电压不足的情况下通过接入后备蓄电池由驱动器进行收桨。二极管IVl是保证直流电源加载到驱动器上极性正确，1F2是短路保护。变桨电机供电系统的安全性不仅是关系到风力发电设备的正常使用，更重要的是关系到风电设备的安全。从变桨供电系统我们可以看到在驱动器或三相电源出现故障时都得依赖于后备的蓄电池供电进行收桨，因此无论是采用接通3K4用驱动器收桨或通过3K3 接通(3K3与3K4是互锁的不能同时接通)蓄电池的供电能力的可靠性决定着收桨的成败。 这里我们不再对蓄电池本身进行探讨，只对供电系统中蓄电池的安全运行进行探讨。如图2所示的驱动器交流供电与直流供电结合的原理图。图中L1、L2、L3是驱动器三相275V电源输入端口，经三相全桥整流后得到在Ι+、ΖΚ-的370V直流电压，以提供给由绝缘栅双极型晶体管IGBT组成脉冲宽度调制PWM的电源输入(这部分未画出)，PWM的输出驱动电机。由于蓄电池电压只有216V，在二极管的反向阻断下不能加载在I+、ZK-端， 只有当交流输入端的输入电压欠压时，所整流电压小于216V时蓄电池的电压才能加载在 ZK+, ZK-端，以提供PWM的输入电源进行收桨。当然驱动器正常时是可以的，但驱动器的 IGBT被击穿后所形成的短路势必也将造成蓄电池输出的短路，蓄电池的输出短路快速放电应当是使熔断器1F2熔断。我们知道功率管IGBT是驱动器最薄弱的部分。另外蓄电池的快速放电将影响蓄电池的寿命，有些蓄电池外壳鼓泡，储能不足将带来收桨不力。蓄电池供电应当是在其它供电形式失效的情况下进行投入，而且投入的方式应当是直接地投入，最大程度地减小别的环节对它的影响。从前面对故障紧急收桨简要的分析中看出，后备蓄电池可以对驱动器供电用驱动器进行收桨，也可以通过切换到接通3Κ3直接对电机启动收桨。我们认为原设计对可信度并不是很高的蓄电池，尤其是在风电这种特殊使用环境，赋予的作用和责任过大，将使得收桨的可信度并不高。的确蓄电池是必不可少的，它应当是在其它电源都失效的情况下提供最后的收桨动能。在异常情况下更不能把蓄电池的电源，送入同样可信度不高的电机驱动器上。本身系统的交流供电电源安全性是比较高的，我们应当充分的加以利用，采用最简单的方法与蓄电池并联，形成在供电电源正常的情况下，使用供电电源收桨，在供电电源失效的情况下自动切换到后备蓄电池电源上进行收桨。供电电源整流有多种方式，并入时必须考虑不能形成电源短路。在不考虑电源负载接法的情况下，蓄电池充电器如果是隔离的(已确认是隔离的)，就可以采用不同的整流方式，把交流电整流成直流利用二极管特性，避免直流不同电压并联后出现输出短路，最终达到高选直流输出的目的。在考虑电源与负载接法的情况下，就只有根据电源与负载的实际接法构建直流整流电路，否则整流电路将会通过负载形成电源短路。如图3是我们根据图1和图2的实际电路设计的电源并联电路原理图。在图3中，L1、L2、L3、N(PE)是系统三相供电230V (线电压400V)电源，经二极管2V3.2V4.2V5三相半波整流，相当于交流电源中性点N为-270VZ直流电压。直流电电压正输出在交流中性N上，直流电压负输出在二极管2V2的共阳端。蓄电池正输出接入二极管 2V1的阳极，蓄电池负输出接入二极管2V2的阴极。由于二极管三相半波整流的平均电压高于蓄电池输出电压216V，在通过二极管2V1和2V2将两电源并接后不会形成电源短路。由于蓄电池充电电路已确认是隔离的，也不会形成输入交流电源短路。电路中二极管使用的是进口高耐压大电流模块进行串联目的是为了提高电路的安全性和可靠性。图中的电压正常指示部分是对三相半波整流后缺相的指示，并非是对输出电压的监视，当输入三相半波整流后不缺相，发光二极管亮，指示正常，否则不亮表示缺相。图4为整流电路加入原电路后的电气原理图。在图4中所示虚心框内为增加的电源整流模块，其输入的400V三相交流电源来自滑环，接入IQl的输入端，其目的是驱动器回路出现短路不影响整流模块供电。整流模块的输入电源保护采用三相互不影响的熔断器，即使出现缺一相的交流输入整流后仍能获得210V的直流输出(在蓄电池填补缺相缺口后能达到250V直流输出);如果缺上两相，也能获得100V的整流直流输出(在蓄电池填补缺相缺口后也能达到230直流输出);当三相全缺模块输出电压全部来自蓄电池。由于二极管 2V1、2V2的反向阻断作用，阻断了整流电压向蓄电池方向回流。由于整流电路与驱动器共用未经隔离的交流电源输入，并且还通过4K1接通后加载于驱动器上。图5为将4K1和IQl同时接通后整流模块和驱动器的简化原理测试图。图5中U、 V、w用以模拟输入的三相交流电源，空开QFl负载接入三相全波整流桥，全波整流桥用以模拟驱动器三相整流；空开QF2负载端接三相负半波整流桥，用以模拟模块输出，二极管2V1、 2V2接法与模块整流与实际电路相一致；空开QF3接入交流经变压器隔离后的单相桥式整流并滤波用以模拟蓄电池电源。三相全波整流输出实际上是相对于中性点N的三相负半波整流和正半波整流串联的叠加和。在一个工频周期中，三相负半波整流和正半波整流均为脉动周期均为120度的三个波，正半波整流与负半波整流的脉动波峰相差60度，叠加后得到脉动波峰相差60度的三相全波整流输出。对于图4中，相对中性点N来说，驱动器的负半波整流与二极管2V3、2V4、2V5的共阳端整流出来的三相脉动电压无论从幅度和相位上是完全一致的，因此在2V2上并未有相位差且瞬态承受的是反相电压。但在实际电路中，加在驱动器上的电压是经三相自耦变压器降压输入的。从图中可知变压器是采用星形接法， 星点电位应与中性点电位接近(考虑到变压器不对称性情形)。因此对于驱动器的整流后的电压来说，正半周整流和负半周整流相对于中性点幅度要降低，但相位不会发生变化，因此驱动器上整流的共阳端电位始终会高于2V3、2V4、2V5半波整流共阳端电位，二极管2V2将阻止驱动器整流共阳端向2V3、2V4、2V5共阳端的电流流动(特别说明在QF2、QF3断开，但 QFl合上且有电的情况下，驱动器整流后的负半波还将通过2V2输出到模块的输出端，同时也能为3K3提供收桨电源)。由于自藕变压器大幅将交流电电压降压，因此即使变压器输出产生了较大的相移，在二极管2V2中也不会形成电源脉动短路环流。此电路将不能用于升压的自耦变压器输出。原设计是216V通过3K3直接加载于直流串极电机直接启动并运转收桨，由于模块输出将达到270V，串极电机收桨转速会有增加，考虑到磁通也会增加对电机最大速度有一定的抑制作用，速度增加也不会太大，如果速度偏快仍不能满足要求，可在IRl和1R2并联电阻上再并接电阻，增大限制限制电机最小磁通量，压制电机转速到达许可范围内即可。具体电阻值需多大可根据电机负载特性算出，最好是采用现场带荷试凑调试确定。通过3K3接通，整流模块整流电压优先于蓄电池提供直接收桨能源，而把蓄电池作为真正的后备收桨电源(建议不要把蓄电池供驱动器收桨，一则可减轻对蓄电池的使用， 提高蓄电池的寿命；二则是因为驱动器功率模块是驱动器最薄弱的功率器件，它的短路会对蓄电池起到破坏作用，蓄电池应当用在最关键的时刻。整流模块不受环境温度的影响，器件选择合理可靠性极高。整流模块的接入不改变原控制逻辑，对于现场改造易于实现。由于模块整流故障易于检测，这里建议模块增加模块故障干接点输出，正常时接通，故障时断开，将此干接点串入蓄电池故障信号中有利于主控监测。整流模块的接入对原蓄电池除加载在3K3处外，不改变用在它处的电特性和功效。易于改造已经使用的风电设备，模块中所有的输入输出线均在驱动器控制箱内，而且接线方便。改造成本低、体积小易于在驱动器控制箱内实施。本实用新型中所有的二极管均采用德国IXYS的，型号为MDD95_16mB，规格为 180A /1600V，每组二极管采用串联形式，以提高系统的安全性和可靠性。本实用新型并不局限于前述的具体实施方式
。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组
I=I O
权利要求1.一种风电收桨供电装置，其特征在于，包括后备电源、充电器、蓄电池、整流电路、电压高选电路、收桨电机；所述后备电源依序连接充电器、蓄电池后形成蓄电池供电电源，所述后备电源连接整流电路形成整流供电电源；所述整流供电电源的高压端连接第二二极管、蓄电池供电电源的高压端连接第一二极管后并联形成电压高选电路，所述电压高选电路输出连接收桨电机。
2.如权利要求1所述的风电收桨供电装置，其特征在于，所述整流电路和电压高选电路之间连接二极管整流缺相检测器。
3.如权利要求2所述的风电收桨供电装置，其特征在于，所述二极管整流缺相检测器包括缺相检测、报警和发光二极管。
4.如权利要求3所述的风电收桨供电装置，其特征在于，所述后备电源的三相输入分别串联连接熔断器。
5.如权利要求4所述的风电收桨供电装置，其特征在于，所述熔断器的额定电流为63A。
6.如权利要求1或5所述的风电收桨供电装置，其特征在于，所述整流电路为三相半波整流电路或三相全波整流电路。
专利摘要本实用新型公开了一种风电收桨供电装置，包括后备电源、充电器、蓄电池、整流电路、电压高选电路、收桨电机；所述后备电源依序连接充电器、蓄电池后形成蓄电池供电电源，所述后备电源连接整流电路形成整流供电电源；所述整流供电电源的高压端连接第二二极管、蓄电池供电电源的高压端连接第一二极管后并联形成电压高选电路，所述电压高选电路输出连接收桨电机。使用稳定的后备电源整流并和现有技术中的蓄电池高选输出作为收桨供电，一方面保证了收桨供电的稳定性，另一方面本实用新型的供电装置可将其安装在变桨调速箱体内，所有的交流电源输入线和直流输出线均在该箱体内，连线简单，易于改造。
文档编号H02J9/06GK202042938SQ201120096920
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者何玲, 刘钊, 王东, 郑平, 陈光志 申请人:德阳智科电子有限公司