一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统及控制方法与流程

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统及控制方法。

背景技术：

风力发电机组变桨距系统主要用来调节叶片桨距角大小，风机叶片桨距角的控制通常采用交流伺服驱动系统来实现，交流伺服驱动系统主要由交流伺服电动机和交流伺服驱动器构成，交流伺服电动机一般采用永磁同步电机。当同步电机制动的时候，该电机处于发电状态。这意味着能量将会返回到伺服驱动器的直流母线上。因为直流母线包含滤波电容，所以直流母线电压会上升。电压增加的多少取决于开始制动时电机的动能以及直流母线上电容的容量。因此需要对过大的母线电压进行保护，否则会损坏功率元器件及母线滤波电容。

避免直流母线电压升高的常规经济做法是驱动器通过制动电阻来消耗该能量。为了实现电阻制动，通常采用控制开关管桥臂的开通来实现制动能量的消耗，如图1所示。当检测到母线电压超过制动电阻启动定值时，制动开关管桥臂导通，将制动电阻rb接入直流母线进行能耗制动；当检测到母线电压低于制动电阻关断定值时，将制动电阻rb从直流母线切出。电机制动过程中只是简单的将制动能量转为制动电阻的热能进行消耗，不能实现能量的回馈利用，不利于整个变桨系统效率的提高。

公告号为cn109525121a的中国专利提出了一种风机电动变桨系统功率变换电路的制动能量回馈控制方法，当变桨电机制动运行时，将变桨电机制动能量直接回馈交流电网，不用制动电阻消耗，达到节能的目的；但回馈能量与电网并网的控制难度较大，结构较为复杂，如果并网控制不合理可能会损坏驱动器或出现电网被拉垮的现象，存在安全隐患。并且网侧功率变换电路部分采用由六个igbt开关器件构成的三相桥式整流电路结构，相比二极管不可控三相桥式整流结构，成本高昂。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述回馈能量不能有效利用、只能转换成热能消耗的问题，提供一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统和能量回馈控制方法，不仅达到抑制直流母线电压升高的目的，而且进一步避免了能量的浪费，省电节能。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统，包括直流母线电压获取电路、直流母线电压判断处理模块、超级电容充电电路和润滑单元供电电路；

所述直流母线电压获取电路、超级电容充电电路和润滑单元供电电路并联连接在直流母线两端；

所述直流母线电压获取电路用于获取驱动器的直流母线电压，并将其传送至所述直流母线电压判断处理模块；

所述直流母线电压判断处理模块判断所述直流母线电压的大小，以确定启动超级电容充电电路和/或启动润滑单元供电电路。

进一步的，所述直流母线电压获取电路包括电阻分压模块和母线电压检测单元；

所述电阻分压模块包括分压电阻和采样电阻串联连接，从分压电阻和采样电阻之间的分压点获取输出电压并提供给所述母线电压检测单元；

所述母线电压检测单元检测分压点的电压，经隔离放大后传送至所述直流母线电压判断处理模块。

进一步的，所述直流母线电压判断处理模块包括数字信号处理器，用于处理还原实际直流母线电压、判断所述直流母线电压的大小并进行相应处理：

当所述直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；

当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路；

当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

进一步的，所述第一预设电压小于第三预设电压；所述第二预设电压的取值高于直流母线正常工作电压值；所述第三预设电压低于能耗制动启动电压。

进一步的，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路包括：

如果当前的超级电容电压值低于超级电容电压启动充电阈值，则启动超级电容充电电路。

进一步的，所述超级电容充电电路包括充电模块和超级电容模块；

所述充电模块和超级电容模块串联连接后并联连接到直流母线的两端；

所述充电模块包括充电继电器触点、充电电阻和反向二极管；

所述充电继电器触点和充电电阻串联后与所述反向二极管并联连接在直流母线正极和超级电容模块正极之间；

所述反向二极管防止超级电容反向充电；

和/或，所述润滑单元供电电路包括开关电源、电子开关和润滑单元；

所述开关电源采用直流母线供电，用于将母线电压转换为润滑单元供电的24v直流输出电源；

所述电子开关连接于开关电源负极和润滑单元负极之间。

本发明的第二方面提供了一种风机变桨距系统的能量回馈控制方法，包括如下步骤：

预设第一预设电压、第二预设电压和第三预设电压；

获取驱动器直流母线电压；

将直流母线电压与预设电压进行比较，获得比较结果，

根据比较结果确定是否启动超级电容充电电路和/或润滑单元供电电路。

进一步的，所述根据比较结果确定是否启动超级电容充电电路和/或润滑单元供电电路的步骤包括：

当所述直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；

当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路；

当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

进一步的，所述第一预设电压小于第三预设电压；所述第二预设电压的取值高于直流母线正常工作电压值；所述第三预设电压低于能耗制动启动电压。

进一步的，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路包括：

如果当前的超级电容电压值低于超级电容电压启动充电阈值，则启动超级电容充电电路。

综上所述，本发明提供了一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统及能量回馈控制方法，该系统包括直流母线电压获取电路、直流母线电压判断处理模块、超级电容充电电路和润滑单元供电电路；将直流母线电压与预设电压进行比较，当前直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路，采用超级电容模块充电和润滑单元供电共同完成制动能量回收；当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

本发明在变桨电机制动运行时，将产生的电机制动能量存储到超级电容模块(变桨系统后备电源)中，或者启动润滑单元，从而使电机发电时所产生的能量回馈能够得到有效的控制，不仅达到抑制直流母线电压升高的目的，而且进一步避免了能量的浪费，省电节能。

附图说明

图1为现有技术中一种电机能量回馈能耗制动电路的结构示意图；

图2为本发明的能量回馈管理系统的结构框图；

图3为本发明的超级电容充电电路结构示意图；

图4为本发明的润滑单元供电电路结构示意图；

图5为本发明的能量回馈控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统，如图2所示，该能量回馈管理系统包括直流母线电压获取电路、直流母线电压判断处理模块、超级电容充电电路和润滑单元供电电路；直流母线电压获取电路、超级电容充电电路和润滑单元供电电路并联连接在直流母线的正极1和负极2两端；直流母线电压获取电路用于获取驱动器的直流母线电压，并将其传送至直流母线电压判断处理模块；直流母线电压判断处理模块判断直流母线电压的大小，以确定启动超级电容充电电路和/或启动润滑单元供电电路。

进一步的，直流母线电压获取电路包括电阻分压模块和母线电压检测单元，如图3所示，图3给出了能量回馈管理系统的直流母线电压获取电路和超级电容充电电路图示例。该电路包含直流母线正极1，并与直流母线负极2共同组成直流母线电压。滤波电容3并联在直流母线电压正极1和直流母线负极2之间，该滤波电容包含一个或多个电容，可为电解电容。

电阻分压模块包括分压电阻21、采样电阻22，以对直流母线电压进行分压。分压电阻21阻值比较高(mw级阻值)，以减少电阻21的功耗。从分压器的分压点20获取输出电压并提供给母线电压检测单元23。母线电压检测单元23用来检测电阻分压模块的分压点20的电压并把采集结果经隔离放大后送入数字信号处理器24(即直流母线电压判断处理模块)。

进一步的，超级电容充电电路包括充电模块10和超级电容模块16。充电模块10连接到直流母线正极1和超级电容模块16的正极14之间；且超级电容模块负极15与直流母线负极2短接。直流母线电压通过充电模块10对超级电容模块15进行充电。

充电模块10包含超级电容充电继电器触点11和充电电阻12。超级电容充电继电器触点11连接在充电电阻12和直流母线正极1之间，超级电容充电继电器触点与充电电阻串联连接，该触点可以根据直流母线电压值的变化断开或闭合。充电电阻12连接在超级电容充电接触器触点11与超级电容模块正极14之间，所述充电电阻为功率电阻，包含一个或多个电阻，多个电阻通过串联方式连接在一起；所述一个或多个电阻为压铸铝电阻。当检测到母线电压大于启动超级电容充电阈值(第一预设电压值700v，低于第三预设电压值)时，超级电容充电继电器(未显示)将被启动，超级电容充电继电器触点闭合，直流母线电压通过充电电阻11开始给超级电容模块15充电，而该充电电阻的参数按照当电容充电时流入的电流来选取。充电模块10还包含反向二极管13，并联连接在充电接触器触点11和充电电阻12之间，一方面防止直流母线电压降低时通过超级电容模块反向充电，另一方面利用二极管的单向导电性在交流输入电源断电时有超级电容模块给变桨系统提供后备电源。

进一步的，直流母线电压判断处理模块包括数字信号处理器24，用于处理还原实际直流母线电压、判断所述直流母线电压的大小并进行相应处理：当所述直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路；当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

具体的，数字信号处理器24根据母线电压检测单元23发送的采集信号放大一定倍数后生成实际直流母线电压值，通过实际直流母线电压值来确定超级电容充电继电器是否开启。电机处于发电状态时直流母线电压升高，当实际母线电压值超出超级电容充电阈值电压，处理器发出控制命令将超级电容充电继电器触点闭合，充电电阻接入充电回路给超级电容模块充电，此时直流母线电压值下降，当母线电压值下降到停止超级电容充电阈值(第二预设电压值640v，高于直流母线正常工作电压值阈值630v)时，处理器发出断开超级电容充电接触器触点的命令，超级电容模块停止充电。制动回馈能量存储在超级电容模块中，实现了能量的回收利用，省电节能。

进一步的，所述第一预设电压小于第三预设电压；所述第二预设电压的取值高于直流母线正常工作电压值；所述第三预设电压低于能耗制动启动电压。

进一步的，所述润滑单元供电电路包括开关电源、电子开关和润滑单元，如图4所示。开关电源采用直流母线供电，用于将母线电压转换为润滑单元供电的24v直流输出电源；电子开关连接于开关电源负极和润滑单元负极之间，所述电子开关包括电力场效应晶体管或者绝缘栅双极性晶体管。具体的，直流母线正极1与直流母线负极2共同组成直流母线电压，开关电源30采用直流母线电压供电。开关电源输出的24v正极31连接润滑供电单元的正极33，开关电源输出的24v负极通过电子开关36连接到润滑供电单元的负极34。该电子开关36根据直流母线电压值的变化断开或闭合润滑供电单元35(直流母线电压检测方式和图3相同，此处未示)。当检测到母线电压大于润滑单元启动供电阈值(第三预设电压值750v，低于能耗制动启动电压值770v)时，数字信号处理器发出闭合电子开关的高电平信号，电子开关闭合，直流母线电压通过开关电源开始给润滑单元供电，润滑单元启动，直流母线电压值下降；当母线电压值下降到停止启动阈值(第二预设电压值640v，高于直流母线正常工作电压值阈值630v)时，处理器发出断开电子开关的低电平信号，电子开关断开，停止润滑单元供电，起到制动能量的回收利用，有利于整个变桨系统效率的提高。

本发明的第二方面提供了一种风机变桨距系统的能量回馈控制方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤s1，预设第一预设电压、第二预设电压和第三预设电压。

获取预设电压的时候，第二预设电压的取值根据安全工作电压阈值的幅值来决定，第二预设电压比直流母线正常工作电压阈值的幅值要高些；第三预设电压大于第一预设电压，但应该小于能耗制动启动电压。

步骤s2，获取驱动器直流母线电压。

具体的，从直流母线电压提取电压u1；通过分压器对直流母线电压进行降压，根据分压电阻与采样电阻的比例获取缩放比，定义分压电阻与采样电阻比例为4000:1，则获得电压的缩放比为1/4001，因为驱动器直流母线电压是一直变化的，对驱动器直流母线电压要时时采集，每一次采集的值是一个定值，定义为vbus，将vbus乘以电压缩放比，获取电压u1。然后将提取电压通过隔离放大电路生成采样电压u2直接送入数字信号处理器，处理器经过滤波放大生成实际直流母线电压udc。

步骤s3，将直流母线电压与预设电压进行比较，获得比较结果。具体的，处理器经过滤波放大生成实际母线电压udc与所述预设电压进行比较，获得比较结果。

步骤s4，根据比较结果确定是否启动超级电容充电电路和/或润滑单元供电电路。

进一步的，所述根据比较结果确定是否启动超级电容充电电路和/或润滑单元供电电路的步骤s4包括：当所述直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路；当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

具体的，如果母线电压udc大于所述第一预设电压vref1，驱动器进入能量回馈超级电容充电管理状态；如果母线电压udc小于所述第二预设电压vref2，驱动器退出能量回馈超级电容充电管理状态。

如果母线电压udc大于所述第三预设电压vref3，驱动器进入能量回馈润滑单元供电管理状态；如果母线电压udc小于所述第二预设电压vref2，驱动器退出能量回馈润滑单元供电管理状态。

处理器根据比较结果判断是否可以充电，以及在判定可以充电时控制充电继电器闭合，实现能量回收。

当驱动器进入能量回馈超级电容充电管理状态时，如果超级电容电压值低于超级电容电压启动充电阈值，处理器发送充电命令，此时充电继电器触点闭合，充电电阻接入充电电路工作，开始回馈能量回收。当直流母线电压下降到第二预设值或者电容电压上升到超级电容电压停止充电阈值时，断开充电继电器触点，停止能量回收。

当驱动器能量回馈润滑单元供电管理状态时，处理器发送润滑单元启动命令，此时电子开关闭合，润滑单元启动，开始回馈能量利用。当直流母线电压下降到第二预设值时，断开电子开关，停止回馈能量利用。

综上所述，本发明提供了一种风机变桨距系统的能量回馈管理系统及能量回馈控制方法，该系统包括直流母线电压获取电路、直流母线电压判断处理模块、超级电容充电电路和润滑单元供电电路；将直流母线电压与预设电压进行比较，当前直流母线电压大于第一预设电压小于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路；当所述直流母线电压大于第三预设电压时，根据当前的超级电容电压值适时启动超级电容充电电路，以及启动润滑单元供电电路，采用超级电容模块充电和润滑单元供电共同完成制动能量回收；当所述直流母线电压小于第二预设电压时，停止所述超级电容充电电路和/或所述润滑单元供电电路。

本发明在变桨电机制动运行时，将产生的电机制动能量存储到超级电容模块(变桨系统后备电源)中，或者启动润滑单元，从而使电机发电时所产生的能量回馈能够得到有效的控制，不仅达到抑制直流母线电压升高的目的，而且进一步避免了能量的浪费，省电节能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。