CN210111621U - 一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及电力系统运行与控制的技术领域，并公开了一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，该系统接在风电场单个风力发电机组塔基变压器的400V交流侧，包括配备电池管理系统的电池柜和储能变流器PCS，所述电池柜与储能变流器PCS相连接，所述储能变流器PCS与电池管理系统通讯连接，通过储能变流器PCS的控制器接收电池管理系统的剩余电量信息，所述储能变流器PCS与风力发电机组的风机主控通讯连接。本实用新型保证了风力发电机组在台风期间遇上断电等极端状况下的安全，同时储能式后备电源系统在主网带电时，可用作调峰调频，使风电场输出功率平滑，并使风力发电机组具备黑启动功能等优点。

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
随着风力发电机组功率等级越来越大及海上风电的迅速发展，机组运行的可靠性受到极大的考验。当台风来临时，海上风电机组载荷大大提升，需要风电机组的极限载荷设计也将大大提升，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。由于台风持续时间长，风机UPS(不间断电源)的电池容量及功率等级均不足以支持偏航系统长时间工作，目前使用柴油发电机作为后备电源给偏航系统在台风期间断电时供电，但柴油发电机有着需要维护及缺少储能功能等缺点，大大浪费了其利用率，缺少经济效益。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)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，且需定期更换柴油，维护成本高；2)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；4)无调峰调频，平滑输出功率等功能。因此亟需发明一种零排放可以安装在风机塔筒内部、维护简单、维护及使用成本低的储能式后备电源系统。
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，提出了一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，利用储能式后备电源系统电池容量大功率等级大，可在离网时给风力发电机组供电等优点，在主网断电时作为偏航系统后备电源使用，节省柴油发电机的成本，保证了风力发电机组在台风期间遇上断电等极端状况下的安全，同时储能式后备电源系统在主网带电时，可用作调峰调频，使风电场输出功率平滑，并使风力发电机组具备黑启动功能等优点，对比柴油发动机作后备电源，大大提高了利用率。
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，该系统接在风电场单个风力发电机组塔基变压器的400V交流侧，包括配备电池管理系统的电池柜和储能变流器PCS，所述电池柜与储能变流器PCS相连接，通过储能变流器PCS给电池柜内的电池组充放电，从而平滑风电场的输出功率，所述储能变流器PCS与电池管理系统通讯连接，通过储能变流器PCS的控制器接收电池管理系统的剩余电量信息，所述储能变流器PCS与风力发电机组的风机主控通讯连接，由该风机主控直接下达功率指令值到储能变流器PCS，实现对储能式后备电源系统的控制。
进一步，该系统采用室内安装方式安装在风力发电机组的塔筒内部。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本实用新型能够提高风电机组抗台风能力，降低载荷设计，大大降低机组成本。
2、本实用新型能够以较低电池容量做到平滑风场输出功率，提高风电场发电质量。
3、本实用新型在弃风期间存储能量，提高经济效益。
4、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，同时取代了柴油发电机，满足了新能源环保的要求。
附图说明
图1为本实用新型的电气接线图。
图2为本实用新型的工作流程图。
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，该系统接在风电场单个风力发电机组塔基变压器的400V交流侧，并采用室内安装方式安装在风力发电机组的塔筒内部，包括配备电池管理系统(图中未画出)的电池柜11和储能变流器PCS12，所述电池柜11与储能变流器PCS 12相连接，通过储能变流器PCS12给电池柜11内的电池组充放电，平滑风电场的输出功率，所述储能变流器PCS 12与电池管理系统通讯连接，通过储能变流器PCS 12的控制器接收电池管理系统的剩余电量信息，所述储能式后备电源系统1的EMS能量管理系统由风力发电机组的风机主控(图中未画出)替代，由该风机主控对储能式后备电源系统1进行控制，即该风机主控与储能变流器PCS12通讯连接，由风机主控监测电池信息，并由该风机主控直接下达功率指令值到储能变流器PCS 12，所述风机主控能够根据实际情况对未来风力发电机组的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，同时风机主控根据台风预警信号，在台风来临之前控制储能变流器PCS 12，对电池做充电控制并充分储存电能，使台风登陆且风电场失电时，实现风力发电机组的偏航系统持续工作。
所述储能变流器PCS 12的交流侧接在风电场塔基变压器的400V交流侧，同时风力发电机组的偏航变频器也接在塔基变压器的400V交流侧，并与风机主控通讯连接，在电网正常带电时，偏航系统由电网直接提供电能，当电网断电时，风机先进入停机阶段，然后进入偏航计算阶段，找出需要偏航的风机，在该风机处的储能变流器PCS 12按照风机主控下达的指令，工作在离网模式，逆变出400V交流电压作电压源，偏航变频器即可按照风机主控下达的偏航角度正常工作。
在主网带电风力发电机组正常工作时，通过控制储能变流器PCS 12给电池组充放电，分散在每台风力发电机组交流侧的储能式后备电源系统1能像集中式的系统一样，平滑风电场的输出功率，通过测量风电场总的输出功率，计算平滑风场总功率时需要储能式后备电源系统1提供的功率值，根据每个风力发电机组处储能式后备电源系统1不同的电池量，将储能式后备电源系统1需提供的功率值优化分配，从而保持每个储能式后备电源系统1的电池量保持在合适状态，同时配置的电池容量也可大大降低。
所述储能式后备电源系统1要求柜体满足IP54的防护等级，该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。
所述电池柜11、储能变流器PCS 12参数选取如下：
机组偏航耗电量主要参数如表1(储能式后备电源系统1供电期间主要器件损耗)所示。
Figure BDA0002075035330000041
Figure BDA0002075035330000051
P2＝P1*n1,P4＝P3*n2,P8＝P2+P4+P5+P6+P7
单台风力发电机组储能式后备电源系统1所需最大功率为P8。
单台机组无功量如表2(机组偏航无功量计算)所示。
Figure BDA0002075035330000052
Q2＝Q1*n1，Q4＝Q2+Q3
储能变流器PCS 12及电池的功率Pb选择：
Pb≥P8
假设储能式后备电源系统1需要持续工作n个小时，电池放电系数为y，交流母线电压Uac，则电池容量(Ah)：
Sb≥n×(Pb/y/Uac)
储能变流器PCS 12的容量Sn必须要满足：
Figure BDA0002075035330000053
如图2所示，本实用新型储能式后备电源系统1的工作步骤为：
1)按照台风预警信号，判断储能式后备电源系统1当前是否应运行于台风偏航后备电源模式；
2)若无台风预警，储能式后备电源系统1运行于正常储能模式，根据风电场的调度指令，平滑风场输出的功率。根据风电场实测功率PA，利用一阶卡尔曼滤波算法，计算平滑后应输出功率PB，由PA-PB可得各储能式后备电源系统1应输出的总功率PC。在有k个风机的风电场中，根据第n个风机处电池荷电量状态SOCn，求得第n台风机处储能式后备电源系统1应提供功率为Pn，其中有：
Figure BDA0002075035330000061
3)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。并检测每个电池组的SOH状态，检测到损坏的电池应立刻更换或采取冗余设计。
4)风电场失电后，集电线路35kV母线侧断路器跳闸。
5)储能式后备电源系统1进入离网运行模式，机组进入停机状态。
6)储能式后备电源系统1逆变出400V交流三相电压，偏航变频器拖动偏航电机工作，直至台风结束，退出偏航。
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 (2)

1.一种风电场风力发电机组储能式后备电源系统，其特征在于：该系统接在风电场单个风力发电机组塔基变压器的400V交流侧，包括配备电池管理系统的电池柜和储能变流器PCS，所述电池柜与储能变流器PCS相连接，通过储能变流器PCS给电池柜内的电池组充放电，从而平滑风电场的输出功率，所述储能变流器PCS与电池管理系统通讯连接，通过储能变流器PCS的控制器接收电池管理系统的剩余电量信息，所述储能变流器PCS与风力发电机组的风机主控通讯连接，由该风机主控直接下达功率指令值到储能变流器PCS，实现对储能式后备电源系统的控制。
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：该系统采用室内安装方式安装在风力发电机组的塔筒内部。
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