[发明专利]永磁直流电机启动冲击电流抑制装置及其抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变桨距系统蓄电池驱动永磁直流电机启动控制方法。

背景技术

采用变桨距控制的风力发电机组不但可以吸收更多的风能，调节风力发电机组功率，而且使风力发电机组具有更好的起动和制动性能，保证风力发电机组可靠运行。当风力发电机组或电网发生故障时，可以控制变桨距系统使叶片顺桨，从而使叶轮迅速制动；在风速高于安全运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力发电机组的受力状况，避免大风对风力发电机组的损害。此外，若通过合适的变桨距控制，可以减小传动链上的机械振动，减小阵风对塔架的冲击以及对叶片的载荷，从而达到减小风力发电机组的疲劳度，延长风力发电机组使用寿命的目的。

变桨执行机构类型通常有两种：一种是液压变桨距系统；另一种是电动变桨距系统。电动变桨距系统是利用电机对桨叶进行控制，电动变桨距系统没有液压变桨距系统那么复杂，易于维护，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，随着电机控制技术的进步，电动变桨距系统已经受到了许多风力发电机组制造厂商的关注，国内现有的大功率风力发电机组大多均采用电动变桨距系统。

电动变桨距系统根据伺服驱动类型又分为交流变桨距系统和直流变桨距系统。当风力发电机组发生极端故障特别是电网掉电故障时，需要由伺服驱动系统控制变桨电机迅速将叶片拖动到顺桨位置，使风力发电机组快速完成停机制动，保障整个风力发电机组的安全。对于交流变桨距系统，任何工况下均需要由伺服驱动器控制变桨电机完成顺桨，若某一叶片对应的伺服驱动器故障，则该叶片无法执行顺桨动作，而直流变桨距系统可由后备电源蓄电池直接驱动直流电机，即使在伺服驱动器损坏的情况下也可拖动叶片完成顺桨，直流变桨距系统具有启动力矩大，控制简单，可靠性高，响应迅速等优点，具有较为广泛的应用。

直流变桨距系统在风力发电机组发生极端故障特别是电网掉电故障执行紧急顺桨时，需要由伺服驱动器控制变桨电机切换到蓄电池直接控制变桨电机。对于永磁直流电机，由于定子磁场是由永磁体提供，无需蓄电池提供额外的励磁电源，因此直接将蓄电池投切到永磁直流电机电枢两端即可驱动电机，此时电机转速n＝0，反电动势E_a＝0，启动电流（其中U_N为蓄电池端电压，R_a为电枢绕组等效电阻），I_start远远大于电机额定电流I_N，试验数据测得蓄电池直接启动永磁直流电机冲击电流峰值可超过12倍额定电流值，过大的启动冲击电流会加速电机绕组的老化，同时，启动冲击电流过大时永磁直流电机的电动力矩很大，会极大地损害电机的机械轴承，使轴承变形，影响电机使用寿命。

目前采用永磁直流电机的变桨距系统，蓄电池驱动电机的方式有三种：第一种是直接将蓄电池投切到永磁直流电机电枢两端，此方法无需增加额外元器件，成本较低，而且不会影响电机轴上的机械功率输出，但是这种方法的缺点是启动冲击电流峰值太大，对电机有一定的损伤；第二种是在蓄电池驱动电机全过程中，始终在电机电枢回路中串联限流电阻，此方法硬件结构简单，易于实现，并且能够很好的抑制启动冲击电流峰值，但是这种方法的缺点是会降低电机轴上的机械功率输出，影响顺桨时的电机转速和转矩输出，需要在电机选型时增大额定功率，无形中又增加了变桨距系统硬件成本；第三种是对第二种方法的改进，即在不增大电机额定功率的前提下，在永磁直流电机启动时电枢回路串入限流电阻，同时启动上电延时时间继电器，当电机完全启动后通过时间继电器与接触器的配合将限流电阻从电机电枢回路中切出，此方法的缺点是需要增加较多的元器件，硬件电路较为复杂，且由于变桨距系统内部空间有限，结构布局实现起来较为困难，同时元器件增多也增加了一定的采购成本。相比于前两种方法，第三种方法性价比相对较高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组变桨距系统蓄电池驱动永磁直流电机的启动冲击电流峰值抑制装置及其抑制方法。本发明可将蓄电池直接驱动永磁直流电机时的启动冲击电流峰值抑制到合理的范围内，以减少过大的启动冲击电流对电机的损伤，同时结合风力发电机组变桨距系统内部安装空间小的缺点，在不使用上电延时时间继电器的前提下保证电机启动后将限流电阻可靠切出，确保不会降低永磁直流电机稳态时电机轴上的输出机械功率，硬件简单且节约成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：