风机主控的冗余供电装置及风能变流器的制作方法

本实用新型涉及电源
技术领域：
，特别涉及一种风机主控的冗余供电装置及风能变流器。
背景技术：
：风能变流器中，供电电源的稳定性主要体现在输出电压的幅值稳定，当供电电源前级发生异常时，要能够确保后级输出电压不受影响。目前，大部分变流器厂家从降低成本的角度考虑，供电电源均采用单电源供电，例如采用ups供电，而一旦ups供电失效，将导致风机主控瞬时掉电，容易影响整个机组与升压站之间的通讯。技术实现要素：本实用新型的主要目的是提出一种风机主控的冗余供电装置及风能变流器，旨在解决在ups供电故障时，风机主控器瞬间停机，影响机组与升压站之间的通讯的问题。为实现上述目的，本实用新型提出一种风机主控的冗余供电装置，用于风能变流器中，所述风能变流器包括风机主控器及变流器，所述风机主控的冗余供电装置包括：ups供电系统，用于将接入电网的电能转换为直流电能，以给风机主控器和变流器供电；冗余供电电路，所述冗余供电电路的输入端与所述变流器的直流支撑电容连接，所述冗余供电电路的输出端与所述风机主控器连接；所述冗余供电电路用于将变流器的直流支撑电容的电能转换为主控供电电能，以给所述风机主控器供电；供电切换电路，分别与所述ups供电系统和所述冗余供电电路连接；所述供电切换电路用于在所述ups供电系统供电故障时，接入所述冗余供电电路的电源，以给风机主控器继续供电。可选地，所述冗余供电电路包括电源转换电路、电源缓启动电路、辅助电源电路及开关控制电路，所述电源缓启动电路和所述电源转换电路的输入端分别与变流器的直流支撑电容连接，所述电源缓启动电路的输出端与所述开关控制电路的电源端，所述开关控制电路与所述电源转换电路的受控端连接，所述电源转换电路的输出端与所述风机主控器的电源端连接。可选地，所述电源转换电路包括变压器、第一二极管及第一电容，所述变压器的原边线圈与所述变压器的原边线圈与变流器的直流支撑电容连接，所述变压器的副边线圈与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极为所述电源转换电路的输出端，并与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端接地。可选地，所述电源缓启动电路包括第二二极管及第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述变压器原边线圈的一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与所述变压器原边线圈的另一端连接。可选地，所述辅助电源电路包括感应线圈、第三二极管及第二电阻，所述感应线圈与所述变压器耦合设置，并与所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极经所述第二电阻与所述开关控制电路的电源端连接。可选地，所述开关控制电路包括pwm控制芯片、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第四二极管及第三电阻；所述第一开关管的受控端经所述第三电阻与变流器的直流支撑电容连接，所述第一开关管的输入端与所述第二开关管的输出端连接，所述第一开关管的输出端与所述电源转换电路的受控端连接；所述第四二极管的阳极与所述pwm控制芯片的电源端、所述第三开关管的输入端、所述辅助电源电路的输出端互连，所述第四二极管的阴极与所述第一开关管的受控端连接；所述pwm控制芯片的控制端与所述第三开关管和第四开关管的受控端连接，所述第三开关管和第四开关管的公共端与所述第二开关管的受控端连接；所述第四开关管的输入端和所述第二开关管的输入端均接地。可选地，所述供电切换电路包括第一防反二极管及第二防反二极管，所述第一防反二极管的阳极与冗余供电电路的输出端连接，所述第二防反二极管的阳极与所述ups供电系统的输出端连接；所述第一防反二极管及第二防反二极管的阴极分别与所述风机主控器连接；其中，所述第一防反二极管的数量大于第二防反二极管的数量。可选地，所述ups供电系统包括工频变压器、ups及多个电源变换电路，所述工频变压器的原边线圈接入电网，所述工频变压器的副边线圈与ups的输入端连接，所述ups的多个输出端与所述多个电源变换电路的输入端一一对应连接，多个所述电源变换电路的输出端与变流器及风机主控器一一对应连接。本实用新型还提出一种风能变流器，包括风机主控器、变流器及如上所述的风机主控的冗余供电装置；其中，所述变流器包括：依次连接于电网与风力发电机之间的网侧变流器、直流支撑电容及机侧变流器，以及变流控制器，所述变流控制器的控制端分别与所述网侧变流器及机侧变流器连接；所述风机主控器与所述变流控制器通讯连接。可选地，所述风能变流器还包括电流采样电路，所述电流采样电路的检测端与所述直流支撑电容连接，所述电流采样电路的输出端与所述变流控制器连接；其中，所述变流控制器，用于在接收到的所述电流采样电路采样的电流采样值大于预设电流阈值时，输出供电故障信号至所述风机主控器。本实用新型风机主控的冗余供电装置通过设置ups供电系统，并在ups供电系统正常工作时，将接入电网ac的电能转换为直流电能，以给所述风机主控器和所述变流器供电，以及冗余供电电路，将所述变流器的直流支撑电容的电能转换为主控供电电能，以给所述风机主控器供电，本实用新型通过设置供电切换电路来切换风机主控器的供电路径，在ups供电系统正常工作时，由ups供电系统给风机主控器和变流器供电，而在ups供电系统供电故障时，则切换至冗余供电电路，并接入冗余供电电路的电源，以给风机主控器继续供电。本实用新型解决了在ups供电故障时，风机主控制瞬间停机，影响机组与升压站之间的通讯的问题。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。图1为本实用新型风机主控的冗余供电装置一实施例的电路结构示意图；图2为图1中冗余供电电路一实施例电路结构示意图；图3为本实用新型风能变流器一实施例的电路结构示意图；图4为变流器直流侧给风机主控器供电时的放电波形。附图标号说明：标号名称标号名称100风机主控器22电源缓启动电路200变流器23辅助电源电路300风机主控的冗余供电装置24开关控制电路210网侧变流器30供电切换电路220机侧变流器r1～r3第一电阻～第三电阻230电流采样电路vd1～vd4第一二极管～第四二极管240放电电路v1～v4第一开关管～第四开关管10ups供电系统c1第一电容11电源变换电路t1变压器20冗余供电电路t2工频变压器21电源转换电路u1pwm控制芯片本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型提出一种风机主控的冗余供电装置，用于风能变流器中，所述风能变流器包括风机主控器及变流器。本实施例中，风能变流器可选为主控一体化风能变流器，风电即将迎来平价上网已经成为共识，如何降低度电成本，发展分散式、低风速应用，提升风电机组功率等级问题备受业界关注。主控一体化风能变流器在此背景下应运而生，其有效降低了初始成本及系统损耗，有效提高了机组发电量。风机主控具有变流器通讯、变流器转矩给定、升压站通讯、风机控制等功能，是风机控制和通讯的重要装置，其供电的可靠性尤为的重要。在给风能变流器中的风机主控和变流器供电时，通常是采用单电源供电，例如风机主控供电直接采用变流器内部ups供电，后级接220v转24v开关电源进行供电，然而单电源供电方式虽然较为简单，成本低，但其不利于风机主控的长期正常运行，一旦在变流器内部24v开关电源失效或者前级ups失效等原因导致主控无供电，会影响整个机组与升压站之间的通讯。为了解决上述问题，本实用新型提出了一种风机主控冗余供电装置。在usp正常情况下由电网ac给风机主控供电，当该路出现故障时可无缝切换到变流器直流侧给风机主控供电，以防止在ups供电故障时，风机主控制瞬间停机，影响机组与升压站之间的通讯，而不能对风机进行停机和故障反馈等操作。参照图1及图3，在本实用新型一实施例中，该风机主控的冗余供电装置300包括：ups供电系统10，用于将接入电网ac的电能转换为直流电能，以给所述风机主控器100和所述变流器200供电；冗余供电电路20，所述冗余供电电路20的输入端与所述变流器200的直流支撑电容c连接，所述冗余供电电路20的输出端与所述风机主控器100连接；所述冗余供电电路20用于将所述变流器200的直流支撑电容c的电能转换为主控供电电能，以给所述风机主控器100供电；供电切换电路30，分别与所述ups供电系统10和所述冗余供电电路20连接；所述供电切换电路30用于在所述ups供电系统10供电故障时，接入所述冗余供电电路20的电源，以给所述风机主控器100继续供电。本实施例中，ups(uninterruptiblepowersystem/uninterruptiblepowersupply，不间断电源)供电系统中可以同时设置多个电源变换器，多个变换器可以输出对应的电压值至变流器200和风机主控器100，从而为变流器200或者风机主控器100提供工作电压，该电压值可以是相同的，例如均为24v，36v等，也可以是不同的电压值，例如变流器200的供电电压为36v，而风机主控器100为24v时，则各个电源变换器输出对应的电压值给变流器200和风机主控器100。冗余供电电路20的电能由直流支撑电容c提供，直流支撑电容c的数量为多个，且用于存储有电能，冗余供电电路20将直流支撑电容c中存储的电能转换为风机主控器100的供电电能，以给风机主控器100供电。供电切换电路30可以是自动切换风机主控器100的供电路径，也可以通过设置开关电路来控制风机主控器100接入ups供电系统10或者所述冗余供电电路20的供电。本实施例中可选采用自动切换风机主控器100的供电路径。具体为，ups供电系统10在正常工作时，ups供电系统10输出供电电能输出给风机主控器100供电。此时，ups供电系统10的电能会关断冗余供电电路20的供电路径，使得风机主控器100的电能由usp供电系统提供。冗余供电电路20在ups供电系统10正常工作时无输出，如此设置可以避免冗余供电电路20长时间工作，使得变流器200的直流侧支撑电容长期带载，而降低其稳定性能。在ups供电系统10故障时，ups供电系统10无电能输出，此时，冗余供电电路20的供电电路导通，从而给风机主控器100继续供电。可以理解的是，在ups供电系统10恢复正常工作后，冗余供电电路20则停止输出供电电能。本实施例通过ups供电系统10的电能输出与否来控制冗余供电电路20的电能输出，可以实现两者供电路径的无缝切换，从而防止风机主控器100因为ups供电系统10故障而瞬时掉电，保证风机主控正常工作。本实用新型通过设置ups供电系统10，并在ups供电系统10正常工作时，将接入电网ac的电能转换为直流电能，以给所述风机主控器100和所述变流器200供电，以及冗余供电电路20，将所述变流器200的直流支撑电容c的电能转换为主控供电电能，以给所述风机主控器100供电，本实用新型通过设置供电切换电路30来切换风机主控器100的供电路径，在ups供电系统10正常工作时，由ups供电系统10给风机主控器100和变流器200供电，而在ups供电系统10供电故障时，则切换至冗余供电电路20，并接入冗余供电电路20的电源，以给风机主控器100继续供电。本实用新型解决了在ups供电故障时，风机主控制瞬间停机，影响机组与升压站之间的通讯的问题。参照图1及图2，在一实施例中，所述冗余供电电路20包括电源转换电路21、电源缓启动电路22、辅助电源电路23及开关控制电路24，所述电源缓启动电路22和所述电源转换电路21的输入端ui分别与变流器200的直流支撑电容c连接，所述电源缓启动电路22的输出端与所述开关控制电路24的电源端，所述开关控制电路24与所述电源转换电路21的受控端连接，所述电源转换电路21的输出端uo与所述风机主控器100的电源端连接。本实施例中，电源缓启动电路22用于给开关控制电路24提供启动电源，以在初始阶段，驱动开关控制电路24启动工作。辅助电源电路23用于给开关控制电路24提供供电电源，以使开关控制电路24工作时，控制电源转换电路21将直流支撑电容上的电能转换为风机主控器100的供电电能，以给风机主控器100供电。参照图1及图2，在一实施例中，所述电源转换电路21包括变压器t1、第一二极管vd1及第一电容c1，所述变压器t1的原边线圈n1与所述变压器t1的原边线圈n1与变流器200的直流支撑电容c连接，所述变压器t1的副边线圈n3与所述第一二极管vd1的阳极连接，所述第一二极管vd1的阴极为所述电源转换电路21的输出端uo，并与所述第一电容c1的第一端连接，所述第一电容c1的第二端接地。本实施例中，变压器t1的匝数比可以根据实际需求进行设置，在一具体实施例中，变压器t1可以实现将1500v的电能转换为24v的主控供电电能。第一二极管vd1和第一电容c1组成整流滤波电路，以将变压器t1输出的电能进行整流滤波处理后输出至风机主控器100，以为风机主控器100供电。参照图1及图2，在一实施例中，所述电源缓启动电路22包括第二二极管vd2及第一电阻r1，所述第一电阻r1的第一端与所述变压器t1原边线圈n1的一端连接，所述第一电阻r1的第二端与所述第二二极管vd2的阴极连接，所述第二二极管vd2的阳极与所述变压器t1原边线圈n1的另一端连接；所述辅助电源电路23包括感应线圈n2、第三二极管vd3及第二电阻r2，所述感应线圈n2与所述变压器t1耦合设置，并与所述第三二极管vd3的阳极连接，所述第三二极管vd3的阴极经所述第二电阻r2与所述开关控制电路24的电源端连接。本实施例中，第二二极管vd2、第一电阻r1及变压器t1的原边线圈n1组成电源缓启动电路22，以将电能耦合至辅助供电电路的感应线圈n2，具体的，第二二极管vd2为续流二极管，在ups供电系统10停止给变流器200供电时，直流支撑电容c的电能通过变压器t1的原边线圈n1、第二二极管vd2及第一电阻r1进行放电，而使变压器t1的原边线圈n1得电，并耦合至辅助供电电路的感应线圈n2。电源缓启动电路22的感应线圈n2在感应到原边线圈n1的电能后，产生感应电流，感应电流经第三二极管vd3的整流、第二电阻r2限流后输出至开关控制电路24，驱动开关控制电路24启动工作，从而驱动电源转换电路21工作。参照图1及图2，在一实施例中，所述开关控制电路24包括pwm控制芯片u1、第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3、第四开关管v4、第四二极管vd4及第三电阻r3；所述第一开关管v1的受控端经所述第三电阻r3与变流器200的直流支撑电容c连接，所述第一开关管v1的输入端与所述第二开关管v2的输出端连接，所述第一开关管v1的输出端与所述电源转换电路21的受控端连接；所述第四二极管vd4的阳极与所述pwm控制芯片u1的电源端、所述第三开关管v3的输入端、所述辅助电源电路23的输出端互连，所述第四二极管vd4的阴极与所述第一开关管v1的受控端连接；所述pwm控制芯片u1的控制端与所述第三开关管v3和第四开关管v4的受控端连接，所述第三开关管v3和第四开关管v4的公共端与所述第二开关管v2的受控端连接；所述第四开关管v4的输入端和所述第二开关管v2的输入端均接地。本实施例中，开关控制电路24与电源转换电路21构成反激拓扑开关电源，pwm控制芯片u1的电能由辅助电能提供，并在启动工作后，输出对应的pwm信号，以驱动第三开关管v3、第四开关管v4导通/关断，第三开关管v3在导通时输出高电平的驱动信号，第四开关管v4在导通时输出低电平的驱动信号。可以理解的是，第三开关管v3和第四开关管v4构成图腾柱电路，用于增强pwm控制芯片u1对第二开关管v2的驱动能力。pwm控制芯片u1的受控端同时与第三开关管v3和第四开关管v4的受控端连接，如此设置，使得在任意时刻，都仅有一个开关管导通，从而可以防止第三开关管v3和第四开关管v4上下直通而损坏开关管。第一开关管v1为常开开关管，也即第一开关管v1的受控端直接通过第三电阻r3与直流支撑电容连接，可以保证第一开关管v1处于导通状态，从而提高第一开关管v1控制的可靠性。其中，第一开关管v1、第二开关管v2串联设置，可以防止电源转换电路21的直接接在变流器200的直流侧，该直流支撑电容c电压输入电压较高而损坏开关管。该电源采用两个开关管作为开关器件，并让第一开关管v1常开，只控制第二开关管v2的开/关，电路设计简单，还可以降低开关器件的耐压等级要求，降低电源成本。在一些实施例中，冗余供电电路20输入端的正负极还分别串接f1和f2两个熔丝，用于防止电源输入短路，而使变流器200直流侧短路，产生不可逆后果。上述实施例中，第一开关管v1～第四开关管v4可选采用mos管、igbt、三极管等开关管来实现，本实施例中，第一开关管v1、第二开关管v2可选采用三极管来实现，第三开关管v3和第四开关管v4可选采用mos管来实现。参照图1及图3，可以理解的是，当ups发生故障时，变流器200会瞬间停机，变流器200的直流支撑电容c的电能对风机主控器100进行放电，参照图4，图4为变流器200直流侧给风机主控器100供电时的放电波形，由波形图可以看出，变流器200的直流侧电压udc因为给风机主控器100供电而不断下降，直到降到冗余供电电路20电源无输出时，风机主控器100停止工作。变流器200直流侧给风机主控器100供电时间计算方法如下：直流侧电压从正常工作电压udc1降到冗余供电电路20电源工作最低电压udc2过程给风机主控器100供电时间δtf计算方法如下：其中，wc为直流侧支撑电容的能量，c为直流侧支撑电容的容值。其中uin为风机主控器100输入电压值，一般约为23v，iin为风机主控器100负载电流值。参照图1及图2，在一实施例中，所述ups供电系统10包括工频变压器t2、ups及多个电源变换电路11，所述工频变压器t2的原边接入电网ac，所述工频变压器t2的副边线圈n3与ups的输入端连接，所述ups的多个输出端与所述多个电源变换电路11的输入端一一对应连接，多个所述电源变换电路11的输出端与变流器200及风机主控器100一一对应连接。本实施例中，工频变压器t2可选为690转380工频变压器t2，用于接入电网ac电能，并对电网ac电压进行降压，然后对ups进行充电，ups将电能再次进行降压后输出至，电源变换电路11，该电源变换电路11可以将接入的电能转换为风机主控器100正常工作时的电源，当ups或者电源变换电路11出现故障时，则无电能输出，此时风机主控器100的供电电能将由供电切换电路30进行切换，从而切换至冗余供电电路20供电。其中，电源变换电路11可选采用220v转24v的交/直变换器来实现。参照图1及图3，在一实施例中，所述供电切换电路30包括第一防反二极管(图未标示)及第二防反二极管(图未标示)，所述第一防反二极管的阳极与冗余供电电路20的输出端连接，所述第二防反二极管的阳极与所述ups供电系统10的输出端连接；所述第一防反二极管及第二防反二极管的阴极分别与所述风机主控器100连接；其中，所述第一防反二极管的数量大于第二防反二极管的数量。本实施例中，供电切换电路30由防反二极管构成，第一防反二极管的数量可以设置为三个，也即冗余供电电路20的输出端与风机主控器100的电源端之间串接三个防反二极管；第二防反二极管的数量可以设置为一个，也即ups供电系统10的输出端与风机主控器100之间串接一个防反二极管。ups供电系统10和冗余供电电路20输出的电能是相同的，例如均为24v，由于二极管的自身压降，ups供电系统10输出的电压值会高于冗余供电电路20输出的电压，在第一防反二极管的数量设置为三个，第二防反二极管的数量设置为一个时，则将高出1.5v左右，使得串接三个防反二极管的冗余供电电路20空载运行。当ups供电系统10供电而无输出时，三个防反二极管导通，为风机主控器100供电实现无缝切换。本实施例供电切换电路30采用防反二极管组成，结构简单，不需要专门设计相关的开关控制电路24，可以降低电源成本。本实用新型还包括一种风能变流器，包括风机主控器100、变流器200及如上所述的风机主控的冗余供电装置300。参照图1及图3，该风机主控的冗余供电装置300的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本实用新型风能变流器中使用了上述风机主控的冗余供电装置300，因此，本实用新型风能变流器的实施例包括上述风机主控的冗余供电装置300全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。其中，所述变流器200包括：依次连接于电网ac与风力发电机dfig之间的网侧变流器210、直流支撑电容c及机侧变流器220，以及变流控制器(图未示出)，所述变流控制器的控制端分别与所述网侧变流器210及机侧变流器220连接；所述风机主控器与所述变流控制器通讯连接。本实施例中，变流控制器具体包括网侧控制器和机侧控制器，网侧控制器用于控制变流器200的网侧变流器210启动，建立直流支撑电容c电压，并将机侧输出的能量回馈至电网ac，机侧控制器用于控制变流器200的机侧变流器220将发电机发出的电能转换到直流支撑电容c上。风机主控器100分别与变流控制器及发电站连接，在风机主控的冗余供电装置300中的冗余供电电路20给风机主控器100供电时，对风机进行停机处理，并反馈信息给升压站。参照图1及图3，在一实施例中，所述风能变流器还包括电流采样电路230，所述电流采样电路230的检测端与所述直流支撑电容c连接，所述电流采样电路230的输出端与所述变流控制器连接；其中，所述变流控制器，用于在接收到的所述电流采样电路230采样的电流采样值大于预设电流阈值时，输出供电故障信号至所述风机主控器100。在此期间风机主控器100将检测到变流器200的停机故障信号，对风机进行停机处理，并反馈信息给升压站。电流采样电路230可以采用电流互感器、霍尔电流器等元件来实现，以感应冗余供电电路20的电流。需要说明的是，在风机主控的冗余供电装置300中，ups供电系统10中设置有多个电源变换电路11，多个电源变换电路11分别为变流器200和风机主控器100供电，也即ups供电系统10是分别给变流器200和风机主控器100供电的。当给风机主控器100供电的电源变换电路11出现故障时，变流器200不会停止工作，而此时ups供电系统10的供电路径被切换，也即供电切换电路30在ups供电系统10故障时，接通冗余供电电路20的供电路径。电流采样电路230将采集直流支撑电容c的电流值，并输出至变流控制器，变流器200通过对该电流的大小和时间进行分析。当ups供电系统10供电正常工作时，冗余供电电路20基本无负载，输入电流很小。而在冗余供电电路20给风机主控器100供电时，冗余供电电路20上的电流值将会增大，假设电流采样电路230检测到电流为i，若i大于设定电流iset，电流持续时间δt大于δtset时，则认为ups系统中的电流变换电路给风机主控器100供电故障。当ups系统中的电流变换电路给主控供电故障时，因为风机主控器100和变流器200之间采用独立电源供电，变流器200不会停机，变流器200直流侧可以持续为风机主控器100供电，同时变流器200的变流控制器检测到电网ac给风机主控器100供电出现故障，将故障信息传递给风机主控器100，风机主控器100再将故障信息反馈给升压站，提示检修人员维修。而在ups系统故障时，变流器200和风机主控器100的供电均停止，此时变流器200停机工作，供电切换电路30在ups供电系统10故障时，接通冗余供电电路20的供电路径，风机主控器100则利用冗余供电电路20的供电电能完成风机停机和故障信息反馈给升压站。在一些实施例中变流器还包括放电电路240，放电电路240与直流支撑电容c并联设置，用于在风机停机时，对直流支撑电容c的电能进行释放，在通过冗余供电装置300供电的实施例中，放电电路240的开关处于常开状态，不会对直流支撑电容c的电能进行释放。放电电路可以采用放电电阻器和放电开关来实现。以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的
技术领域：
均包括在本实用新型的专利保护范围内。当前第1页12