CN210016289U - 一种风电场后备电源冗余式设计储能系统 - Google Patents

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杨才建
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Abstract

本实用新型公开了一种风电场后备电源冗余式设计储能系统，在风电场中每个风力发电机组的400V交流侧安装有一套后备电源，该后备电源采用两台AC/DC转换器，该两台AC/DC转换器的PCS的交流侧并联接在400V交流侧处，直流侧并联接在后备电源的电池柜的电池输出端；在风电场中每个风力发电机组的背靠背变流器的直流母线处安装有一套后备电源，该后备电源采用两台DC/DC变换器，其中一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在一台背靠背变流器单元的直流母线处，另一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在另一台背靠背变流器单元的直流母线处，两台DC/DC变换器的PCS的输入端均接在后备电源的电池柜的电池输出端。本实用新型在风电场失电时，能够给风力发电机组提供电能，使台风期间风力发电机组的偏航系统能持续工作。

Description

一种风电场后备电源冗余式设计储能系统
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后备电源冗余式设计储能系统。
背景技术
海上风电发展迅速，机组单机容量越来越大。海上的机型需要应对强台风，其载荷设计要求将大大提升，可通过偏航系统使风机对风，以减少风机的载荷，但遇上台风期间断电等情况时，偏航系统无法工作，在载荷设计减少的情况下将会有倒塔的风险。使用储能系统作为风力发电机组偏航的后备电源，可以让台风期间风力发电机组的安全性得到提高，但储能系统的PCS作为电力电子开关为主要器件的关键设备，在台风来临时可能面临突然损坏的风险，而PCS的成本在储能系统中占比较少，以风力发电机组的安全性为首要条件考虑，系统应采用冗余设计，增加并联PCS和增大电池组容量。
中国实用新型专利CN205882723U是一种结合储能的风电场后备电源设计系统，其缺点有：1、储能并未针对台风期间偏航的长时间供电作设计；2、储能系统无冗余设计，有损坏风险。
利用储能系统电池容量大功率等级大，可在离网时给风电机组供电等优点，在主网断电时作为偏航系统后备电源使用，可节省柴油发电机的成本，提高风力发电机组在台风期间遇上断电等极端状况下安全性。同时储能系统在主网带电时，可用作调峰调频，可使风电场输出功率平滑，可使风力发电机组具备黑启动功能等。一般设计储能系统不会加入冗余设计，但作为应急电源特别是台风期间的保护机组的关键电源，加入冗余设计确保台风期间PCS及电池的可靠性则相当重要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结构简单可靠的风电场后备电源冗余式设计储能系统，在风电场失电时，能够给风力发电机组提供电能，使台风期间风力发电机组的偏航系统能持续工作。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种风电场后备电源冗余式设计储能系统，在风电场中每个风力发电机组的400V交流侧安装有一套后备电源，该后备电源采用两台AC/DC转换器，该两台AC/DC转换器的PCS的交流侧并联接在400V交流侧处，直流侧并联接在后备电源的电池柜的电池输出端，两台AC/DC转换器的两套PCS均由风力发电机组的主控直接控制，并采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用；在风电场中每个风力发电机组的背靠背变流器的直流母线处安装有一套后备电源，使用DC/DC变换器的储能PCS，该后备电源采用两台DC/DC变换器，所述背靠背变流器为大功率变流器，由两台背靠背变流器单元并机运行，其中一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在一台背靠背变流器单元的直流母线处，另一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在另一台背靠背变流器单元的直流母线处，两台DC/DC变换器的PCS的输入端均接在后备电源的电池柜的电池输出端，两台DC/DC变换器的两套PCS均由风力发电机组的主控直接控制，亦采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用；所述后备电源的电池柜由多个电池簇并联，每个电池簇带有一个开关，每个电池簇由多个电池模块串联而成，当电池模块发生故障时，控制开关断开该电池簇。
进一步，所述后备电源安装在塔筒内部。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、提高风力发电机组抗台风能力，降低载荷设计，大大降低机组成本。
2、冗余设计提高台风期间偏航工作的可靠性。
附图说明
图1为交流侧带储能风电场电气接线图。
图2为交流侧冗余设计图。
图3为直流母线侧带储能风电场电气接线图。
图4为直流母线侧冗余设计图。
图5为储能系统工作流程图。
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4所示，本实施例所提供的风电场后备电源冗余式设计储能系统，具体结构如下：
交流侧储能方案冗余：在风电场中每个风力发电机组2的400V交流侧安装有一套后备电源1，该后备电源1采用两台AC/DC转换器11、12，该两台AC/DC转换器11、12的PCS的交流侧并联接在400V交流侧处，直流侧并联接在后备电源1的电池柜13的电池输出端，两台AC/DC转换器11、12的两套PCS采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用。图1中的6为偏航电机组。
直流母线储能方案冗余：在风电场中每个风力发电机组2的背靠背变流器的直流母线处安装有一套后备电源3，使用DC/DC变换器的储能PCS，该后备电源3采用两台DC/DC变换器31、32，所述背靠背变流器为大功率变流器，由两台背靠背变流器单元33、34并机运行，其中一台DC/DC变换器31的PCS的输出端接在一台背靠背变流器单元33的直流母线处，另一台DC/DC变换器32的PCS的输出端接在另一台背靠背变流器单元34的直流母线处，两台DC/DC变换器31、32的PCS的输入端均接在后备电源3的电池柜35的电池输出端，两台DC/DC变换器31、32的两套PCS亦采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用。
电池柜13、35均由多个电池簇4并联，每个电池簇4带有一个开关5，每个电池簇4由多个电池模块串联而成，当电池模块发生故障时，控制开关断开该电池簇。
储能系统的EMS能量管理系统由风力发电机组2的主控取代，主控直接下达功率指令值到PCS。电池管理系统的剩余电量信息反馈给PCS的控制器，PCS的控制器同时与风力发电机组2的主控通讯，由风力发电机组2的主控监测电池信息。主控对风力发电机组2未来出力情况进行准确预测，结合调度指令、电池状态信息以及电池寿命模型，计算出最优化的电池充放电策略。同时主控根据台风预警信号，在台风来临之前控制PCS，对电池做充电控制，充分储存电能，使台风登陆且风电场失电时，能有足够能量让风力发电机组长时间偏航。
机组偏航耗电量主要参数如表1所示。
表1后备电源供电期间主要器件损耗
Figure BDA0002057282980000041
P2＝P1*n1，P4＝P3*n2，P7＝P6*2，P9＝P2+P4+P5+P7+P8
单台风力发电机组后备电源所需最大功率为P9。
单台机组无功量如表2所示。
表2机组偏航无功量计算
Figure BDA0002057282980000042
Figure BDA0002057282980000051
Q2＝Q1*n1，Q4＝Q2+Q3
PCS及动力电池的功率Pb选择：
Pb≥P9
假设后备电源需要持续工作n个小时，电池放电系数为y，交流母线电压Uac，冗余备用20％，则动力电池容量Sb(Ah)：
Sb≥n×(Pb/y/Uac)×120％
PCS的容量Sn必须要满足：
Figure BDA0002057282980000052
后备电源安装在塔筒内部，采用室内安装方式，并要求柜体满足IP54的防护等级。储能系统还包括各种连接线缆，支架，以及一些照明，空调，消防、防雷、防火设施等辅助设备。
如图5所示，本实施例上述储能系统的工作步骤如下：
1、按照台风预警信号，判断储能系统当前是否应运行于台风偏航后备电源模式。
2、若当前接收到台风预警信号，则开始对电池组进行充电控制，使其在台风到来之前保持95％以上的荷电量。
3、备用的一套PCS控制系统开始上电，并进入热备用状态。
4、风电场失电后，集电线路35kV母线侧断路器跳闸，机组进入停机状态。
5、储能系统进入离网运行模式，接在交流侧的后备电源逆变出400V交流三相电压，偏航变频器拖动偏航电机工作；接在直流侧的后备电源的DC/DC变换器给母线充电，然后网侧变流器启动，给偏航变频器提供三相电压。
6、检测PCS是否出现故障，若PCS发生故障，则故障的PCS停机，另一台PCS开始增大功率。
7、检测电池是否发生故障，若其中一个电池模块发生故障，开关动作断开该电池簇。
以上所述实施例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 (2)

1.一种风电场后备电源冗余式设计储能系统，其特征在于：在风电场中每个风力发电机组的400V交流侧安装有一套后备电源，该后备电源采用两台AC/DC转换器，该两台AC/DC转换器的PCS的交流侧并联接在400V交流侧处，直流侧并联接在后备电源的电池柜的电池输出端，两台AC/DC转换器的两套PCS均由风力发电机组的主控直接控制，并采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用；在风电场中每个风力发电机组的背靠背变流器的直流母线处安装有一套后备电源，使用DC/DC变换器的储能PCS，该后备电源采用两台DC/DC变换器，所述背靠背变流器为大功率变流器，由两台背靠背变流器单元并机运行，其中一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在一台背靠背变流器单元的直流母线处，另一台DC/DC变换器的PCS的输出端接在另一台背靠背变流器单元的直流母线处，两台DC/DC变换器的PCS的输入端均接在后备电源的电池柜的电池输出端，两台DC/DC变换器的两套PCS均由风力发电机组的主控直接控制，亦采用一备一用方式，即一套故障时另一套立即投入使用；所述后备电源的电池柜由多个电池簇并联，每个电池簇带有一个开关，每个电池簇由多个电池模块串联而成，当电池模块发生故障时，控制开关断开该电池簇。
2.根据权利要求1所述的一种风电场后备电源冗余式设计储能系统，其特征在于：所述后备电源安装在塔筒内部。
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