CN116846043A - 一种风机变桨备电电源系统及其控制方法 - Google Patents

一种风机变桨备电电源系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的风机变桨备电电源系统，包括电池组、储能变流器PCS、变桨负载和主控DCS，电池组经储能变流器与变桨负载的电源输入端相连接，特征在于：还包括小型风力发电机、整流器AC/DC、直流转换控制器和接触器KM1，小型风力发电机的输出以及经整流器、直流转换器DC/DC、KM1的常开点与电池组相连接。本发明的控制方法，包括：a).启动命令判断；b).发电机判断；c).停止DC/DC；d).启动DC/DC；e).电池组充电；f).判断电池组状态；g).变桨负载供电。本发明的备电电源系统及方法，具有成本低、能耗低、环保无污染，以及可全天候地为电池组提供充电的优点。还可风机电网供电池组的冗余充电方式。

Description

一种风机变桨备电电源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源系统及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种风机变桨备电电源系统及其控制方法。
背景技术
偏航变桨系统是水平轴式风力发电机组不可取少的组成系统之一，通过捕捉风向，控制机舱平稳、精准、可靠的对风，使得风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。偏航变桨备电系统在台风等不可控情况来临后作为备用电源系统，此种情况下风力发电系统和电网都极有可能处于不可用状态，而偏航变桨备电系统能够支撑变桨负载支持一至两次的变桨操作，以保证风机发电机组等系统的安全性。
传统的风机偏航变桨备电系统由柴油发电机组直接提供备电电源，根据偏航变桨系统的功率变化，控制系统变更柴发转速来适应所需功率。而较为新型的储能型风机变桨系统是由发电设备、储能电池、储能变流器等组成。发电设备可以为柴油发电机，启动后通过发电机组和DC-DC模组对电池进行充电。也有使用光伏发电的方式进行能量存贮，有着能源清洁、工作可靠的优点，但工作受环境影响较大，且功率与电压等级受场地限制。储能电池一般为铅酸电池组或锂电池组，也有使用超级电容或飞轮等方式，在成本、寿命、功率密度、放电深度、充放电速度等方面相互制约。储能变流器一般为直流转交流（DC/AC）转换器，通过转换速度，给变桨系统提供电压、频率稳定的电能来源。
对于使用柴油发电机的系统，有着成本较低、热效率高、工作较为可靠、使用范围广等优点，但需要人工定期维护、启动较慢、噪声大等缺点。光伏发电的方式有着能源清洁、工作可靠的优点，但工作受日照强度、温度等外界环境影响较大，且大功率与大电压等级需要更多的太阳能板，占地面积大。因此，本文提出一种由小型风力发电机提供能源的变桨备电方法，提升发电效率，减小占地面积及相应成本。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种风机变桨备电电源系统及其控制方法。
本发明的风机变桨备电电源系统，包括电池组、储能变流器PCS、变桨负载和主控DCS，电池组的正、负极接于储能变流器PCS的直流接线端，储能变流器PCS的交流接线端接于变桨负载的电源输入端，储能变流器PCS实现直流与交流的转换；其特征在于：还包括小型风力发电机、整流器AC/DC、直流转换控制器和接触器KM1，小型风力发电机的输出端接于整流器AC/DC的交流输入端，整流器AC/DC的直流输出端接于直流转换器DC/DC的输入端，直流转换器DC/DC的输出端经接触器KM1的常开点接于电池组的正、负极上。
本发明的风机变桨备电电源系统，包括风机电网变压器、滤波电感、滤波电容、接触器KM2、接触器KM3和接触器KM4，储能变流器PCS的交流接线端与变桨负载的电源输入端之间的线路上依次串有滤波电容和接触器KM2的常开点，滤波电容经接触器KM3的常开点接于储能变流器PCS与继电器KM2常开点之间的连线上；风机电网变压器的一次侧接于风机电网上，二次侧经继电器KM4的常开点接于储能变流器PCS与继电器KM2常开点之间的连线上。
本发明的风机变桨备电电源系统，所述小型风力发电机为水平轴或垂直轴风力发电机，并自带尾舵，小型风力发电机中的发电机为永磁同步发电机或磁悬浮发电机；所述整流器AC/DC由三相不控整流桥组成，直流转换器DC/DC采用Boost变换器，电池组为铅酸电池组或锂电池组。
本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).启动命令判断；主控DCS判断是否出现了需要调整风力发电系统的风轮朝向的状况，如果没有出现，则执行步骤b)；如果出现，则表明需要接通电池组对变桨负载的供电，执行步骤c)；
b).发电机判断；主控DCS判断小型风力发电机的发电状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息；如果正常，则继续判断直流转换器DC/DC的状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤d)；
c).停止DC/DC；通过断开继电器KM1的常开点，停止直流转换器DC/DC的转换工作，然后判断储能变流器PCS是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤g)；
d).启动DC/DC；启动直流转换器DC/DC，小型风力发电机输出的交流电经整流器AC/DC的整理后转化为低压直流电，低压直流电经直流转换器DC/DC升压后，转化为对电池组进行充电的中高压直流电；执行步骤e)；
e).电池组充电，闭合继电器KM1的常开点，使直流转换器DC/DC输出的中高压直流电按照三段式充电逻辑向电池组充电；执行步骤f)；
f).判断电池组状态；判断电池组是否已经充满，如果已经充满，则维持电池组处于浮充充电状态；如果电池组没有充满，则执行步骤e)；
g).变桨负载供电；首先闭合继电器KM2和KM3的常开点，然后启动储能变流器PCS，储能变流器PCS将电池组输出的直流电转化为交流电，经滤波电容和滤波电感的滤波后输入至变桨负载，以使变桨负载对风力发电系统的风轮朝向进行调整。
本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，包括如下步骤的储能变流器PCS反向充电过程：
1).异常状况判断；判断小型风力发电机或直流转换器DC/DC是否出现异常，当小型风力发电机和直流转换器DC/DC两者之一或全部出现异常时，则执行步骤2)；当小型风力发电机和直流转换器DC/DC均没有出现异常时，则按照步骤e)至步骤f)对电池组进行充电；
2).反向充电；首先使接触器KM1、KM2和KM3的常开点处于断开状态，并接通继电器KM4的常闭点，使风机电网变压器输出交流电至储能变流器PCS的交流接线端，并控制储能变流器PCS工作在交流转直流的AC/DC状态，利用储能变流器PCS输出的直流电按照三段式充电逻辑对电池组进行充电。
本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，所述的三段式充电逻辑依次包括恒流阶段充电、恒压阶段充电和浮充阶段充电。
本发明的有益效果是：本发明的风机变桨备电电源系统及其控制方法，不仅设置有电池组、储能变流器PCS和变桨负载，而且还设置有小型风力发电机、整流器AC/DC和直流转换器DC/DC，这样，小型风力发电机发出的电压等级和功率随风力变化的交流电，首先经整流器AC/DC转化为低压直流电，然后再经直流变换器DC/DC的斩波升压后转化为中高压的直流电，以实现对电池组的充电；当风力发电系统所处的环境发生风向变化需要改变风轮的朝向，或者台风等不可控情况来临而需要变桨负载改变风轮的朝向时，则断开直流变换器DC/DC的充电，而开启储能变流器PCS的逆变功能，利用储能变流器PCS将电池组输出的直流电转化为驱使变桨负载工作的交流电，以使变桨负载进行风轮朝向的调整；可见，本发明的风机变桨备电电源系统及其控制方法，与现有采用柴油发电机对电池组进行充电相比，具有成本低、能耗低、噪音小、无需频繁维护以及环保无污染的优点，与现有采用光伏充电相比较，具有占地面积小、不受光照条件的制约以及可全天候地为电池组提供充电能源。
进一步地，通过在储能变流器PCS与风机电网之间设置风机电网变压器，风机电网变压器的一次侧接于风机电网上，二次侧经接触器KM4的常开点接于储能变流器PCS的交流接线端上，这样，当小型风力发电机和直流转换器DC/DC两者之一发生故障时，则断开直流转换器DC/DC与电池组的连接（断开KM1），断开滤波电容和变桨负载与储能变流器PCS的连接（断开KM2和KM3），并接通风机电网变压器与储能变流器PCS的连接，时储能变流器PCS工作在整流状态，将风机电网变压器输出的交流电整理为直流电，以实现对电池组的充电，提供电池组的冗余充电方式，最大限度地保证了电池组处于满电状态。
附图说明
图1为本发明的风机变桨备电电源系统的电路原理图；
图2为本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法的流程图；
图3为本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法中储能变流器PCS反向充电过程流程示意图。
图中：1小型风力发电机，2整流器AC/DC，3直流转换器DC/DC，4电池组，5储能变流器PCS，6变桨负载，7主控DCS，8滤波电感，9滤波电容，10风机电网变压器；KM1、KM2、KM3和KM4均为接触器。
实施方式
下面结合附图与实施例对发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的风机变桨备电电源系统的电路原理图，其由小型风力发电机1、整流器AC/DC、直流变换器DC/DC、电池组4、储能变流器PCS、变桨负载6、主控DCS、滤波电感8、滤波电容9、风机电网变压器10以及接触器KM1、KM2、KM3、KM4构成。
首先，需要明确的一点是：这里的小型风力发电机1并不是风力发电系统中将风能转化为电能并输入至风机电网上的风力发电机，而是增设的将发出的电能仅用于对电池组4进行充电的发电机。
所示电池组4的正、负极接于储能变流器PCS的直流接线端，储能变流器PCS的交流输出端依次经滤波电感8和继电器KM2的常开点接于变桨负载6的电源输入端上。滤波电容9经继电器KM3的常开点接于滤波电感8与继电器KM2的常开点之间的连线上。当需要为变桨负载6提供电能时，储能变流器PCS工作在逆变模式，将电池组4输出的直流电转换为交流电输入至变桨负载6的电源输入端，以便变桨负载6驱使风力发电系统中的风轮改变朝向。
所示小型风力发电机1的输出端与整流器AC/DC的交流输入端相连接，整流器AC/DC的直流输出端与直流转换器DC/DC的输入端相连接，直流转换器DC/DC的输出端经继电器KM1的常开点接于电池组4的正、负极上。小型风力发电机1为水平轴或垂直轴风力发电机，自带尾舵，无需对风控制，能够提供10kW以内的功率，小型风力发电机1中发电机的类型为永磁同步发电机或磁悬浮发电机，在低风速条件下，也能够较为稳定的提供电能。由于在不同风速下发电机的输出电压不一致，因此在发电机后级，由整流器AC/DC将小型风力发电机1三相输出电压整流成稳定直流电，由于其直流电电压较低，再通过直流转换器DC/DC将低压转换成给电池组充电的中高压。
其中，整流器AC/DC由三相不控整流桥组成，而直流转换控制器由隔离型Boost构成，在给电池组提供中高电压的同时，控制输出电流稳定且能够对化学储能电池组（如铅酸电池或锂电池组），通过三段式充电策略进行稳定可靠充电。在风机变桨备电电源系统启用时，由储能变流器PCS将电池组4中直流电转换成可供变桨负载6使用的三相交流电，其频率稳定，电压可靠。
由于风机系统所工作的环境为风力资源丰富的场合，在温度或光照发生变化时，风力不受影响，能够稳定可靠的给小型风力发电机提供动能。
所示风机电网变压器10设置在储能变流器PCS与风机电网之间，风机电网变压器10的一次侧接于风机电网上，二次侧经滤波电感8接于储能变流器PCS的交流接线端上。这样，当小型风力发电机1和直流转换器DC/DC两者之一发生异常时，则控制继电器KM1的常开点断开，并通过KM2和KM3断开变桨负载6和滤波电容9与风机电网变压器10的连接，并闭合KM4，使储能变流器PCS工作在整流模式下，将风机电网变压器10输出的交流电整流为直流电并对电池组4进行充电。
可见，由于在小型风力发电机1或直流转换器DC/DC发生故障时，主控DCS选择以反向充电的方式利用风机电网中的电能对电池组4进行充电，保证了电池组内4的储能能量大部分时间处于电能饱和状态，以随时应对备电紧急使用情况。
作为具体的例子，本发明的风机变桨备电电源系统功率为110kW；储能变流器PCS的功率为132kW，额定电压为380V，额定电流为260A；电池组4由52个12V-140Ah电池串联而成，额定电压624V（52*12V），电池组的容量87.36kWh（140Ah*642V）；直流变换器DC/DC功率5kW，小型风力发电机1功率5kW。
在备电电源系统充电过程中，小型风力发电机1向直流变流器DC/DC提供电能，DC/DC转换充电电压进行三段式充电，恒流阶段充电电流以DC/DC能提供的最大功率为准（充电达不到0.1倍的电池单体容量），恒压阶段按照728V恒压进行充电，浮充阶段以702V恒压进行浮充。
在备电电源系统工作时，直流变流器DC/DC不工作，储能变流器PCS开始输出400V-50Hz的三相交流电，供给变桨电机组。
在备电系统的风力发电机或直流变换器DC/DC出现不可复位故障时，此时储能变频器PCS以反向充电方式给电池组供电。恒流充阶段以0.3倍单体电量即0.3*140=42A，恒压充和浮充阶段与上段描述相同。
如图2所示，给出了本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法的流程图，其通过以下步骤来实现：
a).启动命令判断；主控DCS判断是否出现了需要调整风力发电系统的风轮朝向的状况，如果没有出现，则执行步骤b)；如果出现，则表明需要接通电池组对变桨负载的供电，执行步骤c)；
b).发电机判断；主控DCS判断小型风力发电机的发电状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息；如果正常，则继续判断直流转换器DC/DC的状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤d)；
c).停止DC/DC；通过断开继电器KM1的常开点，停止直流转换器DC/DC的转换工作，然后判断储能变流器PCS是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤g)；
d).启动DC/DC；启动直流转换器DC/DC，小型风力发电机输出的交流电经整流器AC/DC的整理后转化为低压直流电，低压直流电经直流转换器DC/DC升压后，转化为对电池组进行充电的中高压直流电；执行步骤e)；
e).电池组充电，闭合继电器KM1的常开点，使直流转换器DC/DC输出的中高压直流电按照三段式充电逻辑向电池组充电；执行步骤f)；
f).判断电池组状态；判断电池组是否已经充满，如果已经充满，则维持电池组处于浮充充电状态；如果电池组没有充满，则执行步骤e)；
g).变桨负载供电；首先闭合继电器KM2和KM3的常开点，然后启动储能变流器PCS，储能变流器PCS将电池组输出的直流电转化为交流电，经滤波电容和滤波电感的滤波后输入至变桨负载，以使变桨负载对风力发电系统的风轮朝向进行调整。
如图3所示，给出了本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法中储能变流器PCS反向充电过程流程示意图，其原理如下：
1).异常状况判断；判断小型风力发电机或直流转换器DC/DC是否出现异常，当小型风力发电机和直流转换器DC/DC两者之一或全部出现异常时，则执行步骤2)；当小型风力发电机和直流转换器DC/DC均没有出现异常时，则按照步骤e)至步骤f)对电池组进行充电；
2).反向充电；首先使接触器KM1、KM2和KM3的常开点处于断开状态，并接通继电器KM4的常闭点，使风机电网变压器输出交流电至储能变流器PCS的交流接线端，并控制储能变流器PCS工作在交流转直流的AC/DC状态，利用储能变流器PCS输出的直流电按照三段式充电逻辑对电池组进行充电。
可见，本发明利用小型风力发电机给风机备电系统提供全天可得的清洁能源，并通过储能变频器PCS反向充电的方式，提供了备电电池组的冗余充电方式，实现了在备电系统低能耗的情况下，增强了系统的可靠性。

Claims (6)

1.一种风机变桨备电电源系统，包括电池组（4）、储能变流器PCS（5）、变桨负载（6）和主控DCS（7），电池组的正、负极接于储能变流器PCS的直流接线端，储能变流器PCS的交流接线端接于变桨负载（6）的电源输入端，储能变流器PCS实现直流与交流的转换；其特征在于：还包括小型风力发电机（1）、整流器AC/DC（2）、直流转换控制器（3）和接触器KM1，小型风力发电机的输出端接于整流器AC/DC的交流输入端，整流器AC/DC的直流输出端接于直流转换器DC/DC的输入端，直流转换器DC/DC的输出端经接触器KM1的常开点接于电池组的正、负极上。
2.根据权利要求1所述的风机变桨备电电源系统，其特征在于：包括风机电网变压器（10）、滤波电感（8）、滤波电容（9）、接触器KM2、接触器KM3和接触器KM4，储能变流器PCS（5）的交流接线端与变桨负载（6）的电源输入端之间的线路上依次串有滤波电容和接触器KM2的常开点，滤波电容经接触器KM3的常开点接于储能变流器PCS与继电器KM2常开点之间的连线上；风机电网变压器的一次侧接于风机电网上，二次侧经继电器KM4的常开点接于储能变流器PCS与继电器KM2常开点之间的连线上。
3.根据权利要求1或2所述的风机变桨备电电源系统，其特征在于：所述小型风力发电机（1）为水平轴或垂直轴风力发电机，并自带尾舵，小型风力发电机（1）中的发电机为永磁同步发电机或磁悬浮发电机；所述整流器AC/DC（2）由三相不控整流桥组成，直流转换器DC/DC（3）采用Boost变换器，电池组（4）为铅酸电池组或锂电池组。
4.一种基于根据权利要求2所述的风机变桨备电电源系统的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).启动命令判断；主控DCS判断是否出现了需要调整风力发电系统的风轮朝向的状况，如果没有出现，则执行步骤b)；如果出现，则表明需要接通电池组对变桨负载的供电，执行步骤c)；
b).发电机判断；主控DCS判断小型风力发电机的发电状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息；如果正常，则继续判断直流转换器DC/DC的状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤d)；
c).停止DC/DC；通过断开继电器KM1的常开点，停止直流转换器DC/DC的转换工作，然后判断储能变流器PCS是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤g)；
d).启动DC/DC；启动直流转换器DC/DC，小型风力发电机输出的交流电经整流器AC/DC的整理后转化为低压直流电，低压直流电经直流转换器DC/DC升压后，转化为对电池组进行充电的中高压直流电；执行步骤e)；
e).电池组充电，闭合继电器KM1的常开点，使直流转换器DC/DC输出的中高压直流电按照三段式充电逻辑向电池组充电；执行步骤f)；
f).判断电池组状态；判断电池组是否已经充满，如果已经充满，则维持电池组处于浮充充电状态；如果电池组没有充满，则执行步骤e)；
g).变桨负载供电；首先闭合继电器KM2和KM3的常开点，然后启动储能变流器PCS，储能变流器PCS将电池组输出的直流电转化为交流电，经滤波电容和滤波电感的滤波后输入至变桨负载，以使变桨负载对风力发电系统的风轮朝向进行调整。
5.根据权利要求4所述的风机变桨备电电源系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤的储能变流器PCS反向充电过程：
1).异常状况判断；判断小型风力发电机或直流转换器DC/DC是否出现异常，当小型风力发电机和直流转换器DC/DC两者之一或全部出现异常时，则执行步骤2)；当小型风力发电机和直流转换器DC/DC均没有出现异常时，则按照步骤e)至步骤f)对电池组进行充电；
2).反向充电；首先使接触器KM1、KM2和KM3的常开点处于断开状态，并接通继电器KM4的常闭点，使风机电网变压器输出交流电至储能变流器PCS的交流接线端，并控制储能变流器PCS工作在交流转直流的AC/DC状态，利用储能变流器PCS输出的直流电按照三段式充电逻辑对电池组进行充电。
6.根据权利要求5所述的风机变桨备电电源系统的控制方法，其特征在于：所述的三段式充电逻辑依次包括恒流阶段充电、恒压阶段充电和浮充阶段充电。
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