CN209805498U - 一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，风电场每台风力发电机组均配置有一台后备电源系统，且该后备电源系统安装在风力发电机组的塔筒内部，所述后备电源系统包括带有电池管理系统的动力电池柜、带有后备电源控制器的直流变换器和直流断路器，所述动力电池柜与直流变换器组成回路并通过直流断路器接在风力发电机组变流器的直流母线上，所述后备电源控制器通过RS485线缆与电池管理系统通讯，并通过光纤与风电场的风机主控系统通讯，最终连接到风电场升压站的控制中心。本实用新型在电网失电后，能够对风力发电机组控制系统及偏航系统正常供电，提高风力发电系统的可靠性及抗台风能力。

Description

一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统运行与控制的技术领域，尤其是指一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统。

背景技术

近年海上风电持续高速发展，海岸装机规模以及单机容量都越来越大，用户对机组的安全、可靠运行也越来越重视，同时风场越大、单机容量越大受台风的影响也越越大，对机组的极限载荷、疲劳载荷要求也越高。这就要求在电网失电的情况下，风力发电机组还可以依靠自身的后备电源正常启动控制系统、必需的检测设备和温湿度控制器等以确保风力发电系统能正常检测、监控当前的工作状态并一直处于比较优良的工作环境从而提高风力发电系统的可靠性以及使用寿命。同时后备电源还要在电网失电并遇到台风时可以持续支撑偏航系统工作保证偏航误差在±8°以内，确保风力发电机组所承受的载荷处于比较低的范围，从而减少台风对风力发电机组的影响。专利CN107086662A是一种基于柴油发电机发电的偏航后备电源系统，该专利虽然也可以在电网失电状态下给风力发电机组控制系统及偏航供电，但是也存在很多无法克服的缺点：(1)需要额外消耗柴油，同时需要定期更换柴油，维护及使用成本非常高；(2)柴油发电机工作时会排除大量污染气体无法满足新能源环保的要求，且不能放在风机塔筒里面并需要占用宝贵的海上平台面积；(3)启动速度慢甚至存在柴油发电器启动失败的可能性，在紧急情况下无法满足风力发电机组控制系统及偏航的用电要求。因此亟需发明一种零排放可以安装风机塔筒内部、维护简单、维护及使用成本低并且启动时间还要在1秒以内的后备电源。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，在电网失电后，能够对风力发电机组控制系统及偏航系统正常供电，提高风力发电系统的可靠性及抗台风能力。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，风电场每台风力发电机组均配置有一台后备电源系统，且该后备电源系统安装在风力发电机组的塔筒内部，所述后备电源系统包括带有电池管理系统的动力电池柜、带有后备电源控制器的直流变换器和直流断路器，所述动力电池柜与直流变换器组成回路并通过直流断路器接在风力发电机组变流器的直流母线上，所述电池管理系统用于对动力电池柜内的电池进行检测以及控制动力电池柜内的空调、风机和温湿度控制器，实现动力电池柜内温度的智能控制，所述后备电源控制器通过RS485线缆与电池管理系统通讯，并通过光纤与风电场的风机主控系统通讯，最终连接到风电场升压站的控制中心，通过该后备电源控制器及风力发电机组的控制器实现后备电源系统的启动、智能充电、放电、停机、总电流检测、总电压检测或故障处理的控制。

进一步，所述动力电池柜内的电池采用铅酸电池、铅碳电池、锂电池、钠硫电池或磷酸铁锂电池。

进一步，所述动力电池柜内设置有具有自动灭火功能的自动消防装置，所述自动消防装置为自动干粉式灭火器。

进一步，所述直流断路器的额定电压为1500Vdc。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型具有节能环保的优点，在电池生命周期内无消耗，如果采用锂电池可循环使用数千次，此外后备电源系统效率可以达到90％以上并且在整个生命周期不会排放有害、污染物质损坏环境。

2、本实用新型安装在风机塔筒内部，不会占用海上风电平台的宝贵面积，减少风电海上平台的建设成本。

3、本实用新型的电池管理系统可以对电池进行细致的检测、可靠的充放电管理以及生命周期管理——电池剩余寿命显示并能够根据工况智能提醒更换电池，出现电池故障时自动旁通故障电池运行，同时后备电源控制器也会对整个后备电源系统进行检测，可以做到故障提前告知并处理，无法及时处理还可以容错运行，因此本实用新型比过去的柴油发电机后备电源系统拥有更高的可靠性也更加的智能。

4、本实用新型的后备电源系统待机功率小，即使依靠内部电池供电待机时间都可以长达十天到数十天不等，并且在待机状态下可以实现1秒内启动2秒内输出达到额定功率，远比柴油发电机组的启动速度快，可以满足台风天气等各种突发工况的要求。

5、本实用新型的后备电源系统还可以工作在储能的状态，在非台风或者台风预警状态可以通过控制动力电池柜内电池充放电来实现平滑风力发电机组功率输出，提高风力发电机组发电的效率及可控性。

6、本实用新型的后备电源系统单独安装在每台风力发电机组上，单台电源的故障影响范围小，并且可以通过控制策略实现其他机组的后备电源系统实现故障机组的供电或者在设计阶段就进行冗余设计，可靠性及安全性大大提高。

附图说明

图1为本实用新型在风电场的接线图。

图2为本实用新型在风电场的通讯及控制拓扑图。

图3为本实用新型的启动流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1至图2所示，本实施例所述的风电场风力发电机组储能式后备电源系统，风电场每台风力发电机组均配置有一台后备电源系统1，且该后备电源系统1采用室内安装方式安装在风力发电机组4的塔筒内部，并要求柜体满足IP54的防护等级。所述后备电源系统1包括带有电池管理系统111的动力电池柜11、带有后备电源控制器121的直流变换器12和直流断路器13，所述动力电池柜11与直流变换器12组成回路并通过直流断路器13接在风力发电机组4变流器3的直流母线。

所述动力电池柜11包括动力电池、温湿度控制器、风机、空调、电池管理系统111及自动消防装置等，其中，所述电池管理系统111可以控制动力电池柜11内的空调、风机、温湿度控制器实现动力电池柜11内温度的智能控制，同时还可以检测动力电池柜11内动力电池的电压和温度、电池电量计算、电池健康度检测、电池充放电均衡控制、故障处理，所述动力电池可以采用铅酸电池、铅碳电池、锂电池、钠硫电池等电池，且由于该电池主用于后备电源系统1且放在风力发电机组4塔筒内部，优选使用更环保、更安全的磷酸铁锂电池或者铅碳电池，所述自动消防装置为自动干粉式灭火器，具有自动灭火功能；所述直流变换器12包括功率单元、并网电抗器和后备电源控制器121等，所述后备电源控制器121通过RS485线缆与动力电池柜11的电池管理系统111通讯，并通过光纤7与风电场的风机主控系统6通讯，最终连接到风电场升压站的控制中心5，通过该后备电源控制器121及风力发电机组4的控制器实现风力发电机组4的后备电源系统1的启动、智能充电、放电、停机、总电流检测、总电压检测或故障处理的控制；所述直流断路器13的额定电压为1500Vdc。

工作时，当风力发电机组4的控制器检测到电网失电后，即分开风电场的35KV并网断路器2并同时发命令给后备电源控制器121，启动后备电源系统1。

所述动力电池柜11、直流变换器12、直流断路器13参数选取如下：

机组偏航耗电量主要参数如表1(后备电源系统1供电期间主要器件损耗)所示。

表1

P2＝P₁*n₁,P₄＝P₃*n₂,P₉＝P₂+P₄+P₅+P₆+P₇+P₈

单台风力发电机组4后备电源系统1所需最大功率为P₉。

单台机组无功量如表2(机组偏航无功量计算)所示。

表2

Q₂＝Q₁*n₁，Q₄＝Q₂+Q₃

直流变换器12及动力电池的功率P_b选择：

P_b≥P₉

假设后备电源系统1需要持续工作n个小时，电池放电系数为y，直流母线电压U_dc则动力电池容量(Ah)：

S_b≥n*(P_b÷y÷U_dc)

直流断路器13额定电流选择：

I_n≥(P_b÷U_dc)

由于后备电源系统1需要经过变流器3才能输出交流电，并且变流器3需要输出无功，因此变流器3的容量S_n必须要满足：

如图3所示，本实用新型后备电源系统的工作步骤为：

1)由于储能式后备电源系统1待机功率较低，只要风力发电机组4供电正常或动力电池电量充足，该后备电源系统1均会处于待机或者工作状态，并时刻自检，如果有故障则进行告警处理；

2)当确定当前不是处在台风状态或者3天内有台风来临的预警状态，储能式后备电源系统1可以工作在储能模式或者待机，否则后备电源系统1保持在在线的状态并保证动力电池电量在95％以上；

3)当风场失电后，后备电源系统1给变流器3直流母线软充电并通过风力发电机组4主控断开35KV并网断路器2；

4)当变流器3直流母线电压升到额定电压后，变流器3网侧模块启动，给偏航电机及机组其他用电设备供电，期间后备电源系统1持续放电保证变流器3直流母线电压稳定在额定工作电压的范围内；

5)当台风结束或者风场供电恢复后，后备电源系统1停止供电，并在条件允许的情况下充电直到动力电池电量恢复到95％以上。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，风电场每台风力发电机组均配置有一台后备电源系统，且该后备电源系统安装在风力发电机组的塔筒内部，其特征在于：所述后备电源系统包括带有电池管理系统的动力电池柜、带有后备电源控制器的直流变换器和直流断路器，所述动力电池柜与直流变换器组成回路并通过直流断路器接在风力发电机组变流器的直流母线上，所述电池管理系统用于对动力电池柜内的电池进行检测以及控制动力电池柜内的空调、风机和温湿度控制器，实现动力电池柜内温度的智能控制，所述后备电源控制器通过RS485线缆与电池管理系统通讯，并通过光纤与风电场的风机主控系统通讯，最终连接到风电场升压站的控制中心，通过该后备电源控制器及风力发电机组的控制器实现后备电源系统的启动、智能充电、放电、停机、总电流检测、总电压检测或故障处理的控制。

2.根据权利要求1所述的一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，其特征在于：所述动力电池柜内的电池采用铅酸电池、铅碳电池、锂电池、钠硫电池或磷酸铁锂电池。

3.根据权利要求1所述的一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，其特征在于：所述动力电池柜内设置有具有自动灭火功能的自动消防装置，所述自动消防装置为自动干粉式灭火器。

4.根据权利要求1所述的一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，其特征在于：所述直流断路器的额定电压为1500Vdc。