CN217282544U - 一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置，包括飞轮转速采集单元、应变数据采集单元、振动数据采集单元、信号处理单元、无线通信单元和控制中心监视单元；所述飞轮转速采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中飞轮的转速数据，并发送给信号处理单元；所述应变数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的应变数据，并发送给信号处理单元；所述振动数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的振动数据，并发送给信号处理单元；所述信号处理单元通过所述无线通信单元，将接收的数据传输至所述控制中心监视单元。本实用新型可实时获取飞轮储能装置的状态，从而可降低飞轮储能装置出现大故障的几率。

Description

一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子设备技术领域，尤其涉及一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置。

背景技术

随着风电行业迅速发展，风电并网电量快速增长，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。但由于风能具有随机性、波动性的特点，风速的很小变化会使风电机组输出功率发生较大波动，大的功率波动会对电网的电压和频率带来显著影响，引起诸如系统电压和频率波动、电压不平衡等一系列问题。为保证电网的稳定性，解决该问题的一种方法是利用飞轮储能装置。

飞轮储能装置能快速吸收和释放能量，不仅可有效抑制功率波动，极大地改善风电系统输出功率的可控性，而且还可以提供一定的无功支持，改善电压电流波动、畸变、谐波及闪变等问题，提高并网风电的电能质量。因此飞轮储能装置在风电场中的应用至关重要。而如何快速准确地采集飞轮储能装置的信号参量，是保证提升飞轮储能系统控制策略的关键。飞轮储能是一种物理储能方式，原理很简单，其是利用旋转体旋转时的动能实现能量存储和释放。旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机工作在电动机状态时，使飞轮加速旋转，将电能转换成动能存储；双向电机工作在发电机状态时，使飞轮减速旋转，将动能转换成电能输出。

但是，在目前飞轮储能系统的规模化商业试运行中，仍会存在安全隐患，严重时甚至可能导致工作人员伤亡，例如转子脱落导致工作人员伤亡，因此对飞轮储能系统各类安全隐患做到实时监测与报警就变得尤为重要。

发明内容

本实用新型的目的是一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置，包括飞轮转速采集单元、应变数据采集单元、振动数据采集单元、信号处理单元、无线通信单元和控制中心监视单元；

所述飞轮转速采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中飞轮的转速数据，并将转速数据发送给所述信号处理单元；

所述应变数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的应变数据，并将应变数据发送给信号处理单元；

所述振动数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的振动数据，并将振动数据发送给信号处理单元；所述振动数据包括振动幅度和/或振动频率的数据；

所述信号处理单元通过所述无线通信单元，将接收的转速数据、应变数据和振动数据传输至所述控制中心监视单元。

在一些具体实施方式中，飞轮转速采集单元进一步包括转速传感器和第一数据采集器；所述转速传感器用来检测飞轮的转速数据，将转速数据转换为电信号后发送给所述第一数据采集器，所述第一数据采集器完成转速数据的收集后发送给信号处理单元。

所述转速传感器采用非接触式光电转速传感器。

在一些具体实施方式中，预设硬件组件至少包括飞轮的上下两个轴承。

在一些具体实施方式中，预设硬件组件还包括电机外壳。

在一些具体实施方式中，应变数据采集单元进一步包括用来检测各预设硬件组件应变数据的各应变传感器和第二数据采集器；各应变传感器检测应变数据，将应变数据转换为电信号后发送给所述第二数据采集器，所述第二数据采集器完成应变数据的收集后发送给信号处理单元。

所述应变传感器采用应变片式应变传感器。

在一些具体实施方式中，振动数据采集单元进一步包括用来检测各预设硬件组件振动数据的各振动传感器和第三数据采集器；各振动传感器检测振动数据，将振动数据转换为电信号后发送给所述第三数据采集器，所述第三数据采集器完成振动数据的收集后发送给信号处理单元。

所述振动传感器采用磁电式一体化振动传感器。

在一些具体实施方式中，飞轮转速采集单元、应变数据采集单元和振动数据采集单元通过RS-485总线通讯方式与信号处理单元信号连接。

在一些具体实施方式中，信号处理单元采用PLC控制器。

在一些具体实施方式中，信号处理单元还连接报警单元，例如蜂鸣器。

在一些具体实施方式中，信号处理单元还连接飞轮储能装置系统中的双向整流器。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型通过飞轮转速采集单元、应变数据采集单元、振动数据采集单元监测并采集飞轮储能装置的飞轮数据以及预设硬件组件的应变数据、振动数据，并将采集的数据通过无线通信单元传输至控制中心监视单元，传输延迟大大降低，实现了飞轮储能装置的实时监测，提高了飞轮储能装置的速动性。

(2)通过控制中心监视单元实时显示飞轮储能装置的飞轮数据以及预设硬件组件的应变数据、振动数据，通过这些关键数据实时监控飞轮储能装置的状态，一旦发现数据异常，可及时维护，可降低飞轮储能装置出现大故障的几率，例如可有效避免飞轮储能装置中转子出现失速脱落的严重安全问题，从而可提高飞轮储能装置在风电场中应用的安全性。

附图说明

图1为本实用新型安全保护装置的应用示意图。

图中，1-飞轮储能装置，2-飞轮转速采集单元，3-应变数据采集单元，4-振动数据采集单元，5-信号处理单元，6-无线通信单元，7-控制中心监视单元，8-双向整流器，9-交流母线，10-电网，11-蜂鸣器。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，目前飞轮储能装置1一般通过双向整流器8接入交流母线9，交流母线9接入电网10。双向整流器8的容量随飞轮储能装置1的充放电功率变化，本实施例中双向整流器8采用脉冲宽度调制(PWM)式双向整流器。本实用新型安全保护装置应用于飞轮储能装置1的安全保护，其包括飞轮转速采集单元2、应变数据采集单元3、振动数据采集单元4、信号处理单元5、无线通信单元6和控制中心监视单元7。飞轮转速采集单元2、应变数据采集单元3、振动数据采集单元4均连接信号处理单元5，信号处理单元5通过无线通信单元6与控制中心监视单元7通信。

本实用新型中，飞轮转速采集单元2安装于飞轮储能装置1中的飞轮上，用来监测并采集飞轮的转速数据，并将转速数据发送给信号处理单元5。在具体实施方式中，飞轮转速采集单元2进一步包括第一数据采集器和转速传感器，转速传感器用来检测飞轮的转速数据，将转速数据转换为电信号后发送给第一数据采集器，第一数据采集器完成转速数据的收集后发送给信号处理单元5。本具体实施方式中，转速传感器采用DK890型非接触式光电转速传感器，其可测量转速的上下限为0～18000r/min，转换后的电信号上下限为4mA～20mA；第一数据采集器采用DAQM-4206型数据采集器，可采集多种模拟电信号。

本实用新型中，应变数据采集单元3安装于飞轮储能装置1中预设硬件组件上，用来监测并采集预设硬件组件的应变数据，并将应变数据发送给信号处理单元5。预设硬件组件根据可能存在的安全隐患预先设定，在本具体实施方式中，预设硬件组件包括飞轮的上下两个轴承和电机外壳。所以本具体实施方式中，应变数据采集单元3进一步包括第二数据采集器、第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器。第一应变传感器安装于电机外壳上，用来检测电机外壳的应变数据；第二应变传感器和第三应变传感器分别安装于飞轮的上下两个轴承上，用来检测飞轮上下两个轴承的应变数据。第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器将各自检测的应变数据转换为电信号后发送给第二数据采集器，第二数据采集器完成应变数据的收集后发送给信号处理单元5。本具体实施方式中，第二数据采集器采用DAQM-4206型数据采集器，可采集多种模拟电信号；第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器均采用BF350-3AA应变片式应变传感器，其可测量硬件弯曲程度的上下限为0～30°，转换后的电信号上下限为0～5V。

本实用新型中，振动数据采集单元4安装于飞轮储能装置1中预设硬件组件上，用来监测并采集飞预设硬件组件的振动数据，并将振动数据发送给信号处理单元5，振动数据具体包括振动幅度和振动频率的数据。在具体实施方式中，振动数据采集单元4进一步包括第三数据采集器、第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器。第一振动传感器、第二振动传感器分别用来检测飞轮上下两个轴承的振动数据，第三振动传感器用来检测飞轮储能装置1内电机外壳的振动数据。第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器将各自检测的振动数据转化为电信号发送至第三数据采集器，由第三数据采集器收集后发送给信号处理单元5。本具体实施方式中，第三数据采集器采用DAQM-4206型数据采集器，可采集多种模拟电信号；第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器均采用G300型磁电式一体化振动传感器，可测量的速度有效值范围为0～50mm/s，可测量的位移峰值范围为0～500um，变换后的电信号为4mA～20mA。

本实用新型中，飞轮转速采集单元2、应变数据采集单元3、振动数据采集单元4均连接信号处理单元5，在本具体实施方式中飞轮转速采集单元2、应变数据采集单元3、振动数据采集单元4通过RS-485总线通讯方式将采集数据传输至信号处理单元5，信号处理单元5采用PLC控制器。信号处理单元5通过地址区分、轮询采集的方式对传输来的多路数据信号进行处理并转发。信号处理单元5的输出端同时连接无线通信单元6和双向整流器8，作为优选方案，在信号处理单元5的输出端还连接一蜂鸣器11。信号处理单元5通过无线通信单元6将接收的多路数据转发给控制中心监视单元7。本具体实施方式中，信号处理单元5采用S7-1516-3PN/DP型号PLC控制器，该控制器可高速处理多路数据；无线通信单元6采用RS485-LORA型号无线透传模块，该模块具有极低的传输延迟，可保证数据的实时性。

下面将对本实用新型安全保护装置的一种具体工作流程进行详细描述。

飞轮转速采集单元2、应变数据采集单元3、振动数据采集单元4实时检测并采集飞轮储能装置1的飞轮转速数据、应变数据、振动数据，采集的多路数据传输至信号处理单元5，由信号处理单元5将多路数据通过无线通信单元6传输至控制中心监视单元7，在控制中心监视单元7显示所接收的数据，工作人员根据显示数据可了解飞轮储能装置1的状态信息，例如飞轮转速是否异常，预设硬件组件的应变、振动是否异常。

一种更优选的具体工作流程为：信号处理单元5将接收到的飞轮转速数据、应变数据、振动数据分别与对应的限定值进行比较，一旦飞轮转速数据、应变数据或振动数据接近其对应的限定值，信号处理单元5则向蜂鸣器11发送指令，蜂鸣器11启动警报，通知工作人员注意异常。一旦飞轮转速数据、应变数据或振动数据超过其对应的限定值，信号处理单元5则向蜂鸣器11发送指令，蜂鸣器11启动警报；同时信号处理单元5还向双向整流器8发送指令，双向整流器8则中断飞轮储能装置的运行，以最大程度保护现场的工作人员。

上述实例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (10)

1.一种适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

包括飞轮转速采集单元、应变数据采集单元、振动数据采集单元、信号处理单元、无线通信单元和控制中心监视单元；

所述飞轮转速采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中飞轮的转速数据，并将转速数据发送给所述信号处理单元；

所述应变数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的应变数据，并将应变数据发送给信号处理单元；

所述振动数据采集单元用来监测并采集飞轮储能装置中预设硬件组件的振动数据，并将振动数据发送给信号处理单元；所述振动数据包括振动幅度和/或振动频率的数据；

所述信号处理单元通过所述无线通信单元，将接收的转速数据、应变数据和振动数据传输至所述控制中心监视单元。

2.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述飞轮转速采集单元采用非接触式光电转速传感器检测飞轮的转速数据。

3.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述预设硬件组件至少包括飞轮的上下两个轴承。

4.如权利要求3所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述预设硬件组件还包括电机外壳。

5.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述应变数据采集单元采用应变片式应变传感器检测各预设硬件组件的应变数据。

6.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述振动数据采集单元采用磁电式一体化振动传感器检测各预设硬件组件的振动数据。

7.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述飞轮转速采集单元、所述应变数据采集单元和所述振动数据采集单元通过RS-485总线通讯方式与所述信号处理单元信号连接。

8.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述信号处理单元采用PLC控制器。

9.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述信号处理单元还连接报警单元。

10.如权利要求1所述的适用于飞轮储能系统的安全保护装置，其特征是：

所述信号处理单元还连接飞轮储能装置系统中的双向整流器。

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