CN112383136A - 一种风力发电机组抗台风后备电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组抗台风后备电源系统，包括电源控制柜、柴油发电机柜，电源控制柜、柴油发电机柜由风力发电机组的主控系统采用后备电源系统运行策略进行控制；电源控制柜包括双电源开关，双电源开关的控制线与主控系统电连接；柴油发电机柜包括柴油发电机，柴油发电机的输出电压为400V，与双电源开关电连接；后备电源系统运行策略包括：用于按预设条件控制柴油发电机启动、监测后备电源系统运行状态的后备电源控制策略；通过系统重构、启动偏航、风轮锁、高速刹车、桨距角制动的控制逻辑，控制风力发电机组运行状态的机组控制策略。本发明可以解决现有技术中存在的台风期间对后备电源的使用不够优化、使用效率不高的技术问题。

Description

一种风力发电机组抗台风后备电源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组抗台风后备电源系统及控制方法。

背景技术

安装在海洋区域使用的风力发电机组，可能会遭遇到台风。台风会对风力发电机组的叶片、刹车系统、机舱、测风装置、塔筒以及基础等造成巨大的载荷压力，严重情况甚至会发生塔筒失效、叶片断裂被破坏等问题。风力发电机组传统的抗台风方式是通过加强机械结构抗台或采用大孤岛模式抗台，但采用结构性的抗台风方案，会增加风电机组成本30％以上，大孤岛模式抗台风，海缆失效后无法保证风力发电机组的运行。

现有技术中，专利CN208015451U提供了一种海上风力发电机组抗台风后备电源系统，由多个后备电源组成，海上风电场中的每台风力发电机组均配置有一个固定于塔筒内部或者海上平台上的后备电源，用于在海上风电场失电情况下为风力发电机组的控制系统和偏航系统供电；后备电源包括有柴油发电机组和断路器，其中，柴油发电机组通过断路器接入风力发电机组箱式变压器低压侧，同时柴油发电机组上配置有控制器，用于控制柴油发电机组的启停。控制器与风力发电机组的控制系统通过光纤建立通信连接，通过光纤环网连接至风力发电机组的总控室；柴油发电机组的输出电压为690V。

上述技术方案中，柴油发电机组是给风力发电机组的整机提供电源，而维持风力发电机组整机所需的供电量是相对大的，柴油发电机组柴油一旦耗尽，就无法继续对风力发电机组抗台风提供电源了；所以进行采用上述技术方案，在应急状态下对后备电源的使用不够优化，使用效率不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风力发电机组抗台风后备电源系统及控制方法，以解决现有技术中存在的台风期间对后备电源的使用不够优化、使用效率不高的技术问题。

本发明采用的技术方案是如下:

第一方面，提供了一种风力发电机组抗台风后备电源系统，包括电源控制柜、柴油发电机柜，电源控制柜、柴油发电机柜由风力发电机组的主控系统采用后备电源系统运行策略进行控制；

电源控制柜包括双电源开关，双电源开关的控制线与主控系统电连接；

柴油发电机柜包括柴油发电机，柴油发电机的输出电压为400V，与双电源开关电连接。

进一步的，柴油发电机与双电源开关电连接的电缆为多组电缆，多组电缆之间为并联连接。

进一步的，柴油发电机柜还包括与柴油发电机电连接的储能电池组。

进一步的，柴油发电机柜还包括与主控系统电连接的柴油发电机检测装置，柴油发电机检测装置包括温度传感器、液位传感器、转速传感器；

温度传感器用于检测柴油发电机的冷却系统水温；

液位传感器用于检测柴油发电机油箱内的柴油量；

转速传感器用于检测柴油发电机的转速。

进一步的，后备电源系统运行策略包括后备电源控制策略、机组控制策略；

后备电源控制策略用于按预设条件控制柴油发电机启动，监测后备电源系统运行状态；

机组控制策略包括系统重构、启动偏航、风轮锁、高速刹车、桨距角制动的控制逻辑，用于控制风力发电机组运行状态。

进一步的，柴油发电机柜还设有底部支撑架、自动百叶窗；自动百叶窗由所述主控系统进行控制。

进一步的，柴油发电机柜内还设有消防系统、除湿系统。

第二方面，提供了一种风力发电机组抗台风后备电源系统的控制方法，后备电源系统启动，具体包括以下步骤：

主控系统判断电网供电情况；

主控系统根据电网供电情况判断结果，控制柴油发电机启动；

主控系统判断柴油发电机启动状态，根据柴油发电机启动状态判断结果多次发送启动指令，直至启动成功；

主控系统判断风力发电机组整机运行状态，根据整机运行状态判断结果向电源控制柜的双电源开关发送指令；

双电源开关将电网供电回路切换为柴油发电机供电回路。

进一步的，后备电源系统运行时，主控系统使用后备电源系统运行策略进行控制。

进一步的，后备电源系统停止，具体包括以下步骤：

主控系统控制柴油发电机停止运行；

主控系统双电源开关切换为电网供电回路。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.柴油发电机的输出电压为400V，同时主控系统采用后备电源系统运行策略，可以使柴油发电机只对风力发电机组的主控系统、偏航系统供电，并优化用电消耗，使得后备电源系统能够工作更长时间，更有利于坚持到台风过境。

2.将风力发电机组的主控系统对整机运行状态的判断结果引入到双电源开关的触发控制机制中，避免了双电源开关在电网断电后立即切换到柴油发电机供电回路，可能会使柴油发电机超负荷工作进而停机。

3.采用多组电缆并联为风力发电机组提供400V电源，柴油发电机柜还设有底部支撑架、自动百叶窗；柴油发电机柜内还设有柴油发电机检测装置、储能电池组、消防系统、除湿系统，上述措施可以改善和优化柴油发电机的使用条件和环境，提高柴油发电机的使用稳定性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的后备电源系统的原理图；

图2为本发明实施例1的后备电源系统的电路图；

图3为本发明实施例1的后备电源系统启动流程图；

图4为本发明实施例1的后备电源系统运行策略的示意图；

图5为本发明实施例1的后备电源系统停止流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供了一种风力发电机组抗台风后备电源系统，包括电源控制柜、柴油发电机柜，电源控制柜、柴油发电机柜由风力发电机组的主控系统采用后备电源系统运行策略进行控制；

电源控制柜包括双电源开关，双电源开关的控制线与主控系统电连接；

柴油发电机柜包括柴油发电机，柴油发电机的输出电压为400V，与双电源开关电连接。

以下对实施例1工作原理进行详细说明：

后备电源系统由电源控制柜和柴油发电机柜组成，由风力发电机组的主控系统进行控制。电源控制柜安装在塔筒内，柴油发电机柜安装在塔筒外平台上。

在本实施例中，如图1所示，电源控制柜通过柜内的双电源转换开关分别与400/690V变压器、柴油发电机柜相连接，能够实现400/690V变压器、柴油发电机柜两条供电回路之间的自动切换。自动切换的具体实现方式如下：柴油发电机供电与电网供电切换采用双电源开关。如图2所示，双电源开关选用OTM630E3CM230C，有Ⅰ、Ⅱ两个回路,回路Ⅰ为电网供电回路，回路Ⅱ为柴油发电机供电回路。常规的双电源开关运作原理是电网供电回路一断开，双电源开关会自动切换到备用电源供电回路。因塔筒外平台的可用面积有限，能放置的柴油发电机组体积和输出功率也会受到限制，风力发电机组的整机电负荷是远大于柴油发电机的输入功率的；如果在风力发电机组处于正常运行时，直接由电网供电回路切换到柴油发电机供电回路，可能会使柴油发电机超负荷工作进而停机。所以在本实施例中，将双电源开关的24V控制线引出，接入到风力发电机组的主控系统。当电网供电断开后，主控系统首先判断风力发电机组的整机是否停止运行，如果整机仍在运行过程中，此时先不进行供电回路的切换，等待风力发电机组整机运行停止。电网供电断开后的一段时间内，主控系统的供电是通过UPS(不间断电源)实现的。当主控系统判断风力发电机组的整机已经停止运行后，由主控系统给双电源开关的控制线发送一控制触发信号，双电源开关接收到控制触发信号后将电网供电回路切换为柴油发电机供电回路。通过上述技术方案，将风力发电机组的主控系统对整机运行状态的判断结果引入到双电源开关的触发控制机制中，避免了双电源开关在电网断电后立即切换到柴油发电机供电回路，可能会使柴油发电机超负荷工作进而停机。

风力发电机组抗台风最主要是需要保证在台风期间，风力发电机组能够主动偏航对风，减小台风的破坏性；也就是风力发电机组的偏航系统要能够正常工作。所以在本实施例中，后备电源系统设计为只对风力发电机组的主控系统、偏航系统供电，不考虑对风力发电机组其它部分的供电问题。在此设计思路下，本实施例中的柴油发电机的输出电压为400V，而不是传统备用电源的690V，同时主控系统采用后备电源系统运行策略；这样可以使柴油发电机只对风力发电机组的主控系统、偏航系统供电，在同等油位的情况下，工作更长时间，更有利于坚持到台风过境。为提升柴油发电机为风机提供电源的可靠性，柴油发电机采用多组电缆并联为风力发电机组提供400V电源，在一组电缆失效后另外组的电缆能保证柴油发电机正常供电。在本实施例中，优选为2组电缆。

柴油发电机柜里设有与柴油发电机电连接的储能电池组，在本实施例中选用铅蓄电池组。铅蓄电池在放电时电动势较稳定，工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽，贮存性能好，适用于海上较为恶劣的环境。柴油发电机启动时需要点火，铅蓄电池组可以在电网长时间失电的情况下，给柴油发电机连续多次自启动所需的电能，提高保证柴油发动机启动的可靠性。

柴油发电机柜里还设有与主控系统电连接的柴油发电机检测装置。在本实施例中，检测装置包括温度传感器、液位传感器、转速传感器。温度传感器用于检测柴油发电机的冷却系统水温，液位传感器用于检测柴油发电机油箱内的柴油量。检测装置的检测数据传输给主控系统，当满足柴油发电机启动条件时，主控系统会向柴油发电机发送启动指令。柴油发电机在长时间运行后，可能会出现因冷却系统水温过高，或者柴油用尽而被迫停机的情况，此时如果不对柴油发电机的启动条件进行检测，而让柴油发电机强行启动可能会造成柴油发电机损坏。本实施例的这种设置，可以避免这个问题。转速传感器将转速数据传输给主控系统，供主控系统判断柴油发电机是否启动成功。

以下对后备电源系统的启动、正常运行、停止的3种情况分别进行说明：

1、后备电源系统启动

当台风过境时，风力发电机组进入台风模式。对台风模式的判断不做限定，在本实施例中举例说明，可以预设在主控程序中，以实时测量得到的风速进行判断，也可以通过远程控制设置风力发电机组进行台风模式。启动流程如图3所示，具体如下：

a)主控系统判断电网供电情况

当电网没有掉电时，主控系统不启动柴油发电机。

b)主控系统根据电网供电情况判断结果，控制柴油发电机启动

当电网掉电时，主控系统向柴油发电机下发启动命令，柴油发电机启动。需要说明的是，此时柴油发电机的启动是长时间停机后的初次启动，所以柴油发电机的初次启动为强制性启动。

c)主控系统判断柴油发电机启动状态，根据柴油发电机启动状态判断结果多次发送启动指令，直至启动成功

初次启动后，主控系统通过检测装置中的转速传感器检测数据判断柴油发电机启动状态是否成功；未启动成功主控系统将再次向柴油发电机发送启动指令，直至启动成功。

上述步骤a)到步骤c)的相关选择流程，是后备电源控制策略中的柴油发电机启动预设条件，主控系统按照预设条件控制柴油发电机启动。

d)主控系统判断风力发电机组整机运行状态，根据整机运行状态判断结果向电源控制柜的双电源开关发送指令

如果整机除主控系统外的部分未停止运行，继续等待；

如果整机除主控系统外的部分已停止运行，主控系统向电源控制柜的双电源开关发送切换指令。

e)双电源开关将电网供电回路切换为柴油发电机供电回路

切换为柴油发电机供电回路后，柴油发电机投入使用，给主控系统和偏航系统供电。

2、后备电源系统正常运行

后备电源系统正常运行时，主控系统采用后备电源系统运行策略对风力发电机组进行控制。后备电源系统运行策略如图4所示，具体如下：

a)使用后备电源控制策略按预设条件控制柴油发电机启动，监测后备电源系统运行状态

后备电源控制策略按预设条件控制柴油发电机启动，具体的，按本实例前文中“1、后备电源系统启动”的步骤a)到步骤c)进行。

柴油发电机投入使用后，由主控系统通过对双电源开关的投入\切除控制，以及柴油发电机自检，实现对后备电源系统运行状态的实时监测。

b)使用机组控制策略控制风力发电机组运行状态

使用机组控制策略，执行在使用后备电源系统下的系统重构、启动偏航、风轮锁、高速刹车、桨距角制动等控制逻辑。其中，系统重构将优化风力发电机组需要耗电的回路，包含UPS控制、监控设备、发电系统耗电设备、辅助耗电设备(加热、冷却、润滑、除湿)，按照预设的控制逻辑重置。在本实施例中，预设的控制逻辑是关闭提供偏航功能之外的其它用电部分，包括：关闭机组加热设备、关闭机组照明系统、关闭机组冷却系统、切除中压开关柜控制、关闭润滑回路。使用机组控制策略，重新构建风力发电机组在后备电源系统运行时对各部分的供电控制逻辑，降低风电机组自耗电，能够尽可能减少后备电源系统的电量消耗。

3、后备电源系统停止

当台风已通过风力发电机组所在海域时，台风模式解除，后备电源系统停止工作，流程如图5所示，具体如下：

a)主控系统控制柴油发电机停止运行

台风模式解除、电网恢复供电；风力发电机组主控系统下停止指令，柴油发电机停止运行。

b)主控系统双电源开关切换为电网供电回路

主控系统控制电源控制箱柜的双电源开关，由柴油发电机供电回路切换为电网，恢复电网供。

采用本实施例中的技术方案，可以实现风力发电机组在台风过境中，在电网失电、海缆失效的情况下，满足风力发电机组主动对风偏航。

实施例2

海上环境恶劣，需要解决柴油发电机的环境适应性问题。为解决上述技术问题，在实施例1的基础上进一步优化，采用以下技术方案：

柴油发电机柜还设有底部支撑架、自动百叶窗；柴油发电机柜内还设有消防系统、除湿系统。

底部支撑架的材料、结构不作限定，能将柴油发电机柜抬高、离海面有一定高度的距离即可，这样可以保证柴油发电机柜不被风机外平台上积水浸泡。

自动百叶窗由风力发电机组的主控系统进行控制。当柴油发电机启动工作后，主控系统控制自动百叶窗打开，将柴油发电机在运行过程中的产生的热量散发到柜外，保证柴油发电机运行环境温度不会过高，辅助柴油发电机稳定运行。

消防系统可在柴油发电机柜起火后自动灭火，除湿系统在本实施例中设置为定期开启工作，进行除湿，可保证柴油发电机长时间的存储处于一个干燥环境下，避免高湿度造成的寿命缩短。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：包括电源控制柜、柴油发电机柜，所述电源控制柜、柴油发电机柜由风力发电机组的主控系统采用后备电源系统运行策略进行控制；

所述电源控制柜包括双电源开关，所述双电源开关的控制线与所述主控系统电连接；

所述柴油发电机柜包括柴油发电机，所述柴油发电机的输出电压为400V，与所述双电源开关电连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述柴油发电机与所述双电源开关电连接的电缆为多组电缆，所述多组电缆之间为并联连接。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述柴油发电机柜还包括与所述柴油发电机电连接的储能电池组。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述柴油发电机柜还包括与所述主控系统电连接的柴油发电机检测装置，所述柴油发电机检测装置包括温度传感器、液位传感器、转速传感器；

所述温度传感器用于检测柴油发电机的冷却系统水温；

所述液位传感器用于检测柴油发电机油箱内的柴油量；

所述转速传感器用于检测柴油发电机的转速。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述后备电源系统运行策略包括后备电源控制策略、机组控制策略；

所述后备电源控制策略用于按预设条件控制柴油发电机启动，监测后备电源系统运行状态；

所述机组控制策略包括系统重构、启动偏航、风轮锁、高速刹车、桨距角制动的控制逻辑，用于控制风力发电机组运行状态。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述柴油发电机柜还设有底部支撑架、自动百叶窗；所述自动百叶窗由所述主控系统进行控制。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组抗台风后备电源系统，其特征在于：所述柴油发电机柜内还设有消防系统、除湿系统。

8.一种风力发电机组抗台风后备电源系统的控制方法，其特征在于，后备电源系统启动，具体包括以下步骤：

主控系统判断电网供电情况；

主控系统根据电网供电情况判断结果，控制柴油发电机启动；

主控系统判断柴油发电机启动状态，根据柴油发电机启动状态判断结果多次发送启动指令，直至启动成功；

主控系统判断风力发电机组整机运行状态，根据整机运行状态判断结果向电源控制柜的双电源开关发送指令；

双电源开关将电网供电回路切换为柴油发电机供电回路。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组抗台风后备电源系统的控制方法，其特征在于：后备电源系统运行时，主控系统使用后备电源系统运行策略进行控制。

10.根据权利要求8所述的风力发电机组抗台风后备电源系统的控制方法，其特征在于，后备电源系统停止，具体包括以下步骤：

主控系统控制柴油发电机停止运行；

主控系统双电源开关切换为电网供电回路。

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