风力发电机组及风电变桨系统的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电领域，尤其涉及风力发电机组及风电变桨系统。


背景技术：

2.变桨系统是风电机组里面的关键子系统，可以起到的作用包括：一是在风力发电机组正常运行时，根据风速和发电功率实时调整叶片到最优角度，使得风力发电机组发电机转子运行在合理的工作范围；二是在风力发电机组故障时，能可靠的将桨叶收桨到安全位置，使得风电机组刹车停止运行。
3.现有技术中，存在将3个变桨系统的驱动器集成在一个变桨轴柜中，以提高集成度。然而，现有的方案中，3个驱动器与主控制柜之间的通讯、控制连线仍然比较复杂。


技术实现要素：

4.基于上述现状，本实用新型的主要目的在于提供风力发电机组及风电变桨系统，在保证低成本的基础上，以兼顾相关接口和线路的复杂度以及工作性能。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种风电变桨系统，包括变桨轴柜、以及设置于所述变桨轴柜内的n个驱动器，其中，n为大于1的正整数，每个驱动器用于驱动对应的变桨电机，所述风电变桨系统还包括设置于所述变桨轴柜内的控制信号线接头、交流线接头、以及n个储能单元；每个驱动器包括处理单元、整流电路、逆变电路、退耦二极管和充电电路；每个处理单元包括控制信号端；所述控制信号线接头包括信号汇总口和n个信号分接口，每个处理单元的控制信号端通过分接线连接对应的信号分接口，所述信号汇总口通过汇总线连接滑环的控制信号接口；n个处理单元形成串联通讯，其中第一个处理单元的通讯输入端通过通讯线连接所述滑环上的通讯接口，第一个处理单元之后的处理单元的通讯输入端连接相邻的前一个处理单元的通讯输出端；所述交流线接头包括交流汇总口和n个交流分接口，每个整流电路的交流输入端通过交流分接线连接对应的交流分接口，所述交流汇总口通过交流汇总线连接滑环的交流接口；所述退耦二极管的阴极、所述整流电路的直流输出端、逆变电路的直流输入端、以及充电电路的输入端均连接对应的母线，所述充电电路的输出端和所述退耦二极管的阳极连接对应的储能单元，所述逆变电路的交流输出端连接对应的变桨电机。
7.优选地，所述的风电变桨系统还包括电抗器，交流汇总口经由所述电抗器连接所述滑环的交流接口。
8.优选地，所处储能单元为超级电容、锂离子电池或电气二重层电容器。
9.优选地，所述风电变桨系统还包括总断路器，所述电抗器通过所述总断路器连接所述滑环的交流接口。
10.优选地，所述风电变桨系统还包括n个分断路器，每个整流电路的交流输入端通过对应的分断路器连接对应的交流分接口。
11.优选地，所述风电变桨系统还包括n个直流接触器/继电器，所述退耦二极管的阳
极和所述充电电路的输出端均通过对应的直流接触器/继电器连接所述储能单元，所述处理单元用于控制对应的接触器。
12.优选地，n等于3。
13.本实用新型还提供了一种风力发电机组，还包括滑环以及任一所述的风电变桨系统。
14.优选地，所述的发电机组还包括n个变桨电机。
15.在本实用新型的实施例中，由于n个驱动器共用一个变桨轴柜，相较于用n个驱动器分别设置于各自的变桨轴柜，本实施例的成本更低；另外，控制单元发送给风电变桨系统的这类简单、紧急的控制命令，可以通过上述控制信号线接头发送，这样既能够提高控制及时度，又能够减少通讯接口及线路；而对于控制单元发送给风电变桨系统的较为复杂的、可靠的、时延要求较低的命令，可以通过上述通讯接口发送，可以针对性地对任一驱动器进行单独控制。总体而言，上述方案兼顾了相关接口和线路的复杂度以及工作性能。
16.本实用新型的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
17.以下将参照附图对本实用新型的优选实施方式进行描述。图中：
18.图1为根据本实用新型的一种优选实施方式的风电变桨机组。
具体实施方式
19.以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
20.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
21.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
23.图1是一种实施例的风电变桨机组，包括滑环500、风电变桨系统、变桨电机(200、300、400)、齿轮箱(210、310、410)和叶片(220、320、420)，本风电变桨系统位于风力发电机组的转动部分，转动部分通过该滑环500与风力发电机组的机舱形成电性连接，包括控制信号、通讯信号和交流电的电性连接，其中，滑环500靠近风电变桨系统一侧为风电变桨系统中的控制信号、通信信号和交流电提供对应的固定接口，滑环500靠近风力发电机组的机舱的一侧设有多个滑动接触装置，以提供与风力发电机组的机舱的滑动电性连接。一般而言，风电变桨系统、变桨电机(200、300、400)和齿轮箱(210、310、410)安装于风力发电机组的轮
毂中。
24.风电变桨系统用于完成对变桨电机(200、300、400)的驱动，变桨电机(200、300、400)通过齿轮箱(210、310、410)带动叶片(220、320、420)转动，完成变桨动作，例如，变桨电机200通过齿轮箱210带动叶片220转动。其中，该风电变桨系统包括变桨轴柜100，以及设置于变桨轴柜100内的控制信号线接头180、交流线接头190、n个储能单元(140、150、160)、以及n个驱动器(110、120、130)，其中，n为大于1的正整数，例如n等于3；每个驱动器用于驱动对应的变桨电机(例如，驱动器110用于驱动变桨电机200)；每个驱动器包括处理单元、整流电路(111、121、131)、逆变电路(112、122、132)、退耦二极管(113、123、133)和充电电路(114、124、134)，例如，驱动器110包括处理单元、整流电路111、逆变电路112、退耦二极管113和充电电路114；每个处理单元包括控制信号端(115、125、135)，例如，驱动器110中的处理器包括控制信号端115。变桨电机中设置有电机编码器，用于反馈变桨电机的转子位置信号给驱动器，进而为控制变桨电机提供相应信息。
25.控制信号线接头180包括信号汇总口182和n个信号分接口(181、183、184)，每个处理单元的控制信号端通过分接线连接对应的信号分接口(如图1所示，控制信号端115连接信号分接口183，控制信号端125连接信号分接口184，控制信号端135连接信号分接口181)，信号汇总口182通过汇总线连接滑环500的控制信号接口520，滑环500的控制信号接口520通过控制信号滑动接触装置与风力发电机组的机舱中的控制单元形成电连接，这样，该控制单元的控制信号(高电平或者低电平的数字信号)，通过滑环500和控制信号线接头180同时送入到每个驱动器的处理单元，从而可以同时控制处理单元进行相关操作(例如通过处理单元控制每个变桨电机进行紧急收桨)。控制单元发送给风电变桨系统的这类简单、紧急的、单向控制命令，可以通过上述控制信号线接头180发送，这样既能够提高控制及时度，又能够减少通讯接口及线路，反之，如果采用通讯接口实现发送该控制命令，则要么需要增设通讯接口以及时发送该控制命令，这样会增加通讯接口的数量，要么与其他控制命令共用通讯接口，这样可能造成控制命令发送的时延增加(例如在串联通讯下，转发带来的时延)。
26.n个处理单元形成串联通讯，其中第一个处理单元(驱动器110中的处理单元)的通讯输入端118通过通讯线连接滑环500上的通讯接口510，第一个处理单元之后的处理单元的通讯输入端连接相邻的前一个处理单元的通讯输出端，如驱动器120中的处理单元的通讯输入端128连接驱动器110中的处理单元的通讯输出端116，驱动器130中的处理单元的通讯输入端138连接驱动器120中的处理单元的通讯输出端126。所谓串联通讯，即当第一个处理单元从滑环500上的通讯接口510接收到通讯数据后，会对该通讯数据的目标地址进行识别，如果该目标地址是自身地址，则不再向下一个处理单元转发给通讯数据，并根据该通讯数据执行相关操作；如果识别到该通讯数据的目标地址是其他处理单元的地址，则向下一个处理单元转发该通讯数据，第一个处理单元之后的其他处理单元的处理方式相同；当某一个处理单元接收到的通讯数据的目标地址是发送给位于风力发电机组的机舱中的控制单元的地址，该处理单元将该通讯数据向前一个处理单元进行转发，当第一个处理单元接收到的通讯数据的目标地址的控制单元的地址，则将该通讯数据通过滑环500的通讯接口510发送给控制单元。可见，通讯数据的发送需要多个处理单元的转发，时延较大，控制单元发送给风电变桨系统的较为复杂的、时延要求较低的命令，可以通过上述通讯接口发送，例如，为了使得风力发电机组的发电效率更高，叶片需要变桨的角度的命令，等等。如图1所
示，第一个处理单元的通讯输入端118通过通讯线连接滑环上的通讯接口510，第二个处理单元的通讯输入端128连接相邻的前一个处理单元(即第一个处理单元)的通讯输出端116，第三个处理单元的通讯输入端连接相邻的前一个处理单元(即第二个处理单元)的通讯输出端126。
27.交流线接头190包括交流汇总口190和n个交流分接口(191、193、194)，每个整流电路的交流输入端通过交流分接线连接对应的交流分接口(例如，整流电路111的交流输入端连接交流分接口193)，交流汇总口190通过交流汇总线连接滑环的交流接口530。通过这种共用滑环交流接口530的方式，可以减少滑环接口，降低交流线布线的复杂度。
28.退耦二极管(113、123、133)的阴极、整流电路(111、121、131)的直流输出端、逆变电路(112、122、132)的直流输入端、以及充电电路(114、124、134)的输入端均连接对应的母线，充电电路的输出端和退耦二极管的阳极连接对应的储能单元(140、150、160)，逆变电路的交流输出端(例如u、v和w三个端子)连接对应的变桨电机。以驱动器110为例进行说明：退耦二极管113的阴极、整流电路111的直流输出端、逆变电路112的直流输入端、以及充电电路114的输入端均连接对应的母线，充电电路114的输出端和退耦二极管113的阳极连接对应的储能单元140，逆变电路112的交流输出端(例如u、v和w三个端子)连接对应的变桨电机200。
29.在交流电正常供应的情况下，交流电通过滑环的交流接口530和交流线接头190送入每个整流电路的交流输入端，整流电路对交流电进行整流，输出直流电压至对应的母线上，逆变电路对母线上的直流电压进行逆变，得到交流电压，驱动对应的变桨电机转动，进而带动叶片转动，例如转动到指定的变桨角度；此时，由于母线上的直流电压(例如560v)大于储能单元的电压，因此退耦二极管截止；另外，母线上的直流电压输入至充电电路的输入端，充电电路将该直流电压转换为输出的充电电压(例如可调节输出0-480v范围内的任意电压)，对储能单元进行充电，从而使得储能单元上存储有足够的电能。在交流电停止供应后，母线上的直流电压逐渐下降至某个阈值，此时，由于储能单元上的电压大于母线上的电压，退耦二极管导通，储能单元开始对母线进行供电，逆变电路可以对母线上的直流电压进行逆变，得到交流电压，驱动对应的变桨电机转动。
30.在一些实施例中，风电变桨系统还可以包括电抗器196和总断路器195，交流汇总口190经由电抗器196和总断路器195连接滑环的交流接口530，其中，电抗器196可以比总断路器195更靠近滑环的交流接口530设置，或者总断路器195可以比电抗器196更靠近滑环的交流接口530设置。通过这种共用电抗器196的方式，不必为每一路驱动器设置对应的电抗器196，从而降低了电路体积和成本。
31.在一些实施例中，风电变桨系统还可以包括n个分断路器(117、127、137)，每个整流电路的交流输入端通过对应的分断路器连接对应的交流分接口，例如，整流电路111的交流输入端通过对应的分断路器117连接对应的交流分接口193。
32.风电变桨系统还包括n个直流接触器/继电器(141、151、161)，退耦二极管的阳极和充电电路的输出端均通过对应的直流接触器/继电器连接储能单元，例如，退耦二极管113的阳极和充电电路114的输出端均通过对应的直流接触器/继电器141连接储能单元140；处理单元用于控制直流接触器/继电器，从而可以控制断开储能单元与充电电路和退耦二极管之间的导通路径，例如可以在交流电正常供应以及储能单元电量已满的情况下，
处理单元控制该直流接触器/继电器断开。
33.所处储能单元可以为锂离子电池，也可以是电气二重层电容器。其中，电气二重层电容器的正极材料是具有双电层储能的活性炭材料，负极材料是具有锂离子脱嵌功能的插层炭类材料，电解液为锂盐电解液。电池在充电时，锂离子脱离正极材料的表面，经过电解液和隔膜后插入到负极材料的晶格中；放电时，锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液返回到正极材料的表面，与正极的电荷形成双电层。嵌锂后的负极电位低，具有使用电压高、能量密度和功率密度介于锂离子电池和超级电容器之间的特点。相比于普通的超级电容，采用上述两种储能单元，大大提高了储能密度，进一步降低了风电变桨系统的体积。
34.本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
35.应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本实用新型的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本实用新型的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种风电变桨系统，包括变桨轴柜、以及设置于所述变桨轴柜内的n个驱动器，其中，n为大于1的正整数，每个驱动器用于驱动对应的变桨电机，其特征在于，所述风电变桨系统还包括设置于所述变桨轴柜内的控制信号线接头、交流线接头、以及n个储能单元；每个驱动器包括处理单元、整流电路、逆变电路、退耦二极管和充电电路；每个处理单元包括控制信号端；所述控制信号线接头包括信号汇总口和n个信号分接口，每个处理单元的控制信号端通过分接线连接对应的信号分接口，所述信号汇总口通过汇总线连接滑环的控制信号接口；n个处理单元形成串联通讯，其中第一个处理单元的通讯输入端通过通讯线连接所述滑环上的通讯接口，第一个处理单元之后的处理单元的通讯输入端连接相邻的前一个处理单元的通讯输出端；所述交流线接头包括交流汇总口和n个交流分接口，每个整流电路的交流输入端通过交流分接线连接对应的交流分接口，所述交流汇总口通过交流汇总线连接滑环的交流接口；所述退耦二极管的阴极、所述整流电路的直流输出端、逆变电路的直流输入端、以及充电电路的输入端均连接对应的母线，所述充电电路的输出端和所述退耦二极管的阳极连接对应的储能单元，所述逆变电路的交流输出端连接对应的变桨电机。2.根据权利要求1所述的风电变桨系统，其特征在于，还包括电抗器，交流汇总口经由所述电抗器连接所述滑环的交流接口。3.根据权利要求1所述的风电变桨系统，其特征在于，所处储能单元为超级电容、锂离子电池或电气二重层电容器。4.根据权利要求2所述的风电变桨系统，其特征在于，所述风电变桨系统还包括总断路器，所述电抗器通过所述总断路器连接所述滑环的交流接口。5.根据权利要求4所述的风电变桨系统，其特征在于，所述风电变桨系统还包括n个分断路器，每个整流电路的交流输入端通过对应的分断路器连接对应的交流分接口。6.根据权利要求1所述的风电变桨系统，其特征在于，所述风电变桨系统还包括n个直流接触器/继电器，所述退耦二极管的阳极和所述充电电路的输出端均通过对应的直流接触器/继电器连接所述储能单元，所述处理单元用于控制所述接触器。7.根据权利要求1-6任一所述的风电变桨系统，其特征在于，n等于3。8.一种风力发电机组，其特征在于，包括滑环、以及如权利要求1-7任一所述的风电变桨系统。9.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于，还包括n个变桨电机。

技术总结
本实用新型提供了风力发电机组及风电变桨系统，其中，信号汇总口通过汇总线连接滑环的控制信号接口；N个处理单元形成串联通讯，第一个处理单元的通讯输入端通过通讯线连接滑环上的通讯接口，第一个处理单元之后的处理单元的通讯输入端连接相邻的前一个处理单元的通讯输出端；每个整流电路的交流输入端通过交流分接线连接对应的交流分接口，交流汇总口通过交流汇总线连接滑环的交流接口；退耦二极管的阴极、整流电路的直流输出端、逆变电路的直流输入端、以及充电电路的输入端均连接对应的母线，充电电路的输出端和退耦二极管的阳极连接对应的储能单元，逆变电路的交流输出端连接对应的变桨电机。对应的变桨电机。对应的变桨电机。


技术研发人员：丁万斌
受保护的技术使用者：深圳众城卓越科技有限公司
技术研发日：2023.01.06
技术公布日：2023/5/14