CN219247532U - 风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

公开了一种风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组。所述备用电源系统包括：储能电池、DC/AC变换器、预充电单元，其中，所述储能电池连接到所述DC/AC变换器的输入端和所述预充电单元的第一端，所述DC/AC变换器的输出端连接到所述风力发电机组的第一负载，所述预充电单元的第二端连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线。根据本实用新型，能够不依赖外部电网并且长时间、稳定有效地进行供电，从而提高风力发电机组的安全性、可靠性以及生存能力。

Description

风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组

技术领域

本公开总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组。

背景技术

随着技术的发展以及全球生态保护意识的提升，风能作为一种清洁的蕴含量大的可再生能源越来越受到世界各国的重视。随着风力发电技术的迅猛发展，风电接入电力系统的比例也在不断增加。然而，如果风力发电机组长时间处于断电状态，则会给风力发电机组带来以下危害：(1)风力发电机组中的除湿、加热、除盐雾等装置无法正常工作，低温、潮湿、盐雾等可能导致风力发电机组中的一些系统出现损坏或锈蚀，造成故障隐患；(2)在大风或者台风等极端天气下，风力发电机组从电网脱网，当风力发电机组载荷超限时，变桨系统和偏航系统由于断电无法正常工作，会给风力发电机组带来安全隐患；(3)风力发电机组长时间停止工作，会导致风力发电机组内的润滑油、转动部件的损坏。

因此，为了保证风力发电机组在失去电网支撑的情况下仍然能够安全稳定运行，目前风力发电机组大多配备备用电源系统。备用电源系统一般采用UPS、超级电容或者柴油发电机组供电。然而，UPS和超级电容容量小，存储的电能有限，运行时间短。另一方面，柴油发电机储油量有限，而通常风电场的地理位置较为偏僻，长距离运送柴油和建立储油库，容易造成安全隐患并且增加成本，而且柴油发电机组的运行会造成废气污染严重。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种不依赖外部电网并且具备长时间、稳定有效的供电能力的风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组，从而能够显著提高风力发电机组的安全性、可靠性以及生存能力。

在一个总的方面，提供一种风力发电机组的备用电源系统，所述备用电源系统包括：储能电池、DC/AC变换器、预充电单元，其中，所述储能电池连接到所述DC/AC变换器的输入端和所述预充电单元的第一端，所述DC/AC变换器的输出端连接到所述风力发电机组的第一负载，所述预充电单元的第二端连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线。

可选地，所述备用电源系统还包括：至少一个适配电源装置，所述至少一个适配电源装置的输入端连接到所述储能电池的输出端，并且所述至少一个适配电源装置的输出端连接到所述风力发电机组的第二负载。

可选地，所述第一负载包括变流控制器。

可选地，所述第二负载包括传感器、转速测量装置、风速仪、风向标、交换机和PLC中的至少一种。

可选地，所述备用电源系统还包括：第一变压器，其中，所述DC/AC变换器的输出端经由所述第一变压器连接到所述风力发电机组的第一负载。

可选地，所述备用电源系统还包括：第一开关，设置在所述第一变压器与所述风力发电机组的辅助变压器的二次次侧之间；第二开关，设置在所述风力发电机组的变流器的网侧输出端与所述辅助变压器的第一一次侧之间。

可选地，在所述风力发电机组运行期间，所述第一开关断开，所述第二开关断开，所述变流器的直流母线经由所述预充电单元向所述储能电池充电，并且所述变流器经由所述辅助变压器的第二一次侧和二次侧向所述第一负载供电。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述储能电池经由所述预充电单元向所述变流器的直流母线供电，以建立直流母线电压，并且所述储能电池经由所述DC/AC变换器、所述第一变压器和所述辅助变压器的二次侧向所述第一负载供电。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，在所述风力发电机组基于所述直流母线电压完成启动的情况下，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述变流器经由所述第二开关、所述辅助变压器的第一一次侧和二次侧向所述第一负载供电。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述储能电池经由所述适配电源装置向所述第二负载供电。

在另一总的方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的风力发电机组的备用电源系统。

根据本公开的实施例的风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组，储能电池直接与变流器的直流母线连接，能够利用风力发电机组空转的电能为储能电池进行充电，无需连接外部电源。另一方面，在风力发电机组所处的风场受电之前，可利用备用电源系统完成风力发电机组正式发电前的一系列调试工作，有利于提高效率，加快风场的建设进度。此外，备用电源系统使得风力发电机组在脱离外部电网供电后仍然可以为环境保障系统和安全装置供电。

附图说明

通过下面结合示出实施例的附图进行的描述，本公开的实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本公开的第一实施例的风力发电机组的备用电源系统的框图；

图2是示出根据本公开的第二实施例的风力发电机组的备用电源系统的框图；

图3是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的备用电源系统的电路拓扑图。

附图标号说明：

100：备用电源系统；110：储能电池；120：DC/AC变换器；130：预充电单元；140：第一变压器；150：第一开关；160：第二开关；170：变流器；180：辅助变压器；200：备用电源系统；210：储能电池；220：DC/AC变换器；230：预充电单元；240：第一变压器；245：适配电源装置；250：第一开关；260：第二开关；270：变流器；280：辅助变压器；300：备用电源系统；310：储能电池；320：DC/AC变换器；330：预充电单元；340：第一变压器；345：适配电源装置；350：第一开关；360：第二开关；370：变流器；380：辅助变压器；390：风力发电机；395：箱变；400：外部电网；Q0：开关；U1：网侧变流器；U2：机侧变流器；Q1：网侧开关；Q2：机侧开关；Q3：预充电开关；Q4：适配开关。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本实用新型的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本实用新型的公开之后将是清楚的。

如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及任何两个或更多个的任何组合。

尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。

在说明书中，当元件(诸如，层、区域或基底)被描述为“在”另一元件上、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可直接“在”另一元件上、直接“连接到”或“结合到”另一元件，或者可存在介于其间的一个或多个其他元件。相反，当元件被描述为“直接在”另一元件上、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于其间的其他元件。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本实用新型所属领域的普通技术人员在理解本实用新型之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语(诸如，在通用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本实用新型中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。

此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本实用新型的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

为了使得本领域技术人员能够使用本实用新型的内容，下文中可能结合特定的应用场景、特定的系统、器件和元件的参数以及特定的连接方式，给出以下示例性实施例。然而，对于本领域技术人员来说，这些实施例仅是示例，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用场景。

图1是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的备用电源系统的框图。

参照图1，风力发电机组的备用电源系统100包括储能电池110、DC/AC变换器120和预充电单元130。储能电池110连接到DC/AC变换器120的输入端和预充电单元130的第一端，DC/AC变换器120的输出端连接到风力发电机组的第一负载，预充电单元130的第二端连接到风力发电机组的变流器170的直流母线。可选择地，可在储能电池110与预充电单元130的第一端之间设置预充电开关(未示出)。在风力发电机组运行期间，风力发电机组的变流器170的直流母线经由预充电单元130向储能电池110充电。当风力发电机组与外部电网断开连接时，储能电池110通过DC/AC变换器120向风力发电机组的第一负载供电，并且通过预充电单元130向变流器170的直流母线供电。这里，第一负载可以指影响变流器网侧功率模块启动的负载，例如但不限于变流控制器。储能电池110可以包括但不限于锂电池、铅酸电池、铅碳电池等。

如图1所示，风力发电机组的备用电源系统100还包括第一变压器140。DC/AC变换器120的输出端经由第一变压器140连接到风力发电机组的第一负载。第一变压器140可以将DC/AC变换器120输出的三相交流电(例如，UVW三相交流电)转换为三相四线制的交流电(例如，UVWN三相四线制交流电)。第一变压器140可以为400V/400V变压器，但是本公开不限于此。另一方面，风力发电机组的备用电源系统100还包括第一开关150和第二开关160。第一开关150设置在第一变压器140与风力发电机组的辅助变压器180的二次侧之间，第二开关160设置在风力发电机组的变流器170的网侧输出端与辅助变压器180的第一一次侧之间。通过控制第一开关150和第二开关160的闭合与断开，可实现为储能电池110充电，并且可实现通过不同传输路径为第一负载供电。根据本公开封实施例，当风力发电机组与外部电网断开连接时，第一开关150和第二开关160实现互锁。辅助变压器180的第一一次侧的电压可根据储能电池110向变流器170的直流母线供电时变流器170的网侧输出端所能输出的电压确定，辅助变压器180的二次侧的电压可根据为第一负载供电时所需的电压确定。例如，辅助变压器180的第一一次侧和二次侧的电压均可为400V，但是本公开不限于此。

在风力发电机组运行期间，第一开关150和第二开关160均断开，变流器170的直流母线经由预充电单元130向储能电池110充电，并且变流器170经由辅助变压器180的第二一次侧和二次侧向第一负载供电。辅助变压器180的第二一次侧的电压可根据风力发电机组运行期间变流器170的网侧输出端所能输出的电压确定。例如，辅助变压器180的第二一次侧的电压可为1140V，但是本公开不限于此。

当充入储能电池110的电能达到预设阈值时(例如但不限于储能电池110充满时)，可停止通过预充电单元130向储能电池110充电。此时，预充电单元130可停止工作。另一方面，当储能电池110长期充满时，可根据储能电池110的特性对储能电池110进行放电。这里，可采用各种放电方法来对储能电池110进行放电，本公开对此不做任何限制。

当风力发电机组与外部电网断开连接时(例如，当外部电网掉电时)，第一开关150闭合，第二开关160断开，储能电池110经由预充电单元130向变流器170的直流母线供电，以建立直流母线电压，并且储能电池110经由DC/AC变换器120、第一变压器140和辅助变压器180的二次侧向第一负载供电。另一方面，当风力发电机组与外部电网断开连接时，在风力发电机组基于直流母线电压完成启动的情况下，第一开关150断开，第二开关160闭合，变流器170经由第二开关160、辅助变压器180的第一一次侧和二次侧向第一负载供电。例如，在变流器170的直流母线电压稳定之后，风力发电机组可以完成启动，此时第一开关150断开，第二开关160闭合，变流器170的网侧输出端输出例如400V交流电压，通过第二开关160与辅助变压器180组成配电网，为第一负载供电。根据本公开的实施例，第一负载还可包括设置在风力发电机组中的断路器线圈、变桨电机、偏航电机等。在这种情况下，储能电池可停止经由DC/AC变换器120向第一负载供电。此时，DC/AC变换器120可停止工作。

可选择地，当风力发电机组与外部电网恢复连接时(例如，外部电网恢复供电时)，第一开关150断开，第二开关160断开，储能电池110停止经由DC/AC变换器120向第一负载供电，和/或停止经由预充电单元130向变流器170的直流母线供电。与此同时，变流器170的直流母线可重新经由预充电单元130向储能电池110充电。

可选择地，风力发电机组的备用电源系统100还可包括控制器(未示出)。控制器可监测风力发电机组的运行状态和外部电网的状态。当监测到外部电网正常且风力发电机组运行时，控制器可控制第一开关150断开并控制第二开关160断开，并且控制预充电开关闭合，以使变流器170的直流母线经由预充电单元130向储能电池110充电；在监测到储能电池110的电能达到预设阈值时，控制器可控制预充电开关断开，从而停止向储能电池110充电。另一方面，当监测到外部电网掉电时，控制器可控制第一开关150闭合并控制第二开关160断开，控制储能电池110通过DC/AC变换器120和第一变压器140向第一负载供电，并且控制预充电开关断开。当监测到外部电网掉电且风力发电机组完成黑启动时，控制器可控制第一开关150断开并控制第二开关160闭合，并且控制预充电开关闭合，以使变流器170的直流母线经由预充电单元130向储能电池110充电；同时，控制器可控制DC/AC变换器120和第一变压器140停止工作。

图2根据本公开的另一实施例的风力发电机组的备用电源系统的框图。

参照图2，风力发电机组的备用电源系统200包括储能电池210、DC/AC变换器220、预充电单元230和至少一个适配电源装置245。储能电池210、DC/AC变换器220和预充电单元230的连接与配置与如图1所示的储能电池110、DC/AC变换器120和预充电单元130的连接与配置相同，这里不再赘述。至少一个适配电源装置245的输入端连接到储能电池210，并且至少一个适配电源装置245的输出端连接到风力发电机组的第二负载。可选择地，可在至少一个适配电源装置245的输出端与第二负载之间设置适配开关(未示出)。当风力发电机组与外部电网断开连接时，储能电池210经由适配电源装置245向第二负载供电(此时，适配开关闭合)。第二负载可以指从生存角度考虑能够使风力发电机组判断和传递自身关键环境状态的最少部件的系统(可称为最小系统)，例如，第二负载可包括但不限于传感器、转速测量装置、风速仪、风向标、交换机(用于风力发电机组中的各个电气部件之间的通信)和PLC(例如但不限于风力发电机组的主控、变桨控制器、偏航控制器等)中的至少一种。至少一个适配电源装置245可以是24V开关电源，但是本公开不限于此。

此外，与参照图1描述的风力发电机组的备用电源系统100，如图2所示的风力发电机组的备用电源系统200还包括第一变压器240、第一开关250和第二开关260。第一变压器240、第一开关250和第二开关260的连接与配置与如图1所示的第一变压器140、第一开关150和第二开关160的连接与配置相同，这里不再赘述。

可选择地，风力发电机组的备用电源系统200还可包括控制器(未示出)。控制器可监测风力发电机组的运行状态和外部电网的状态。当监测到外部电网正常且风力发电机组运行时，控制器可控制第一开关250断开并控制第二开关260断开，并且控制预充电开关闭合，以使变流器270的直流母线经由预充电单元230向储能电池210充电；在监测到储能电池210的电能达到预设阈值时，控制器可控制预充电开关断开，从而停止向储能电池110充电。另一方面，当监测到外部电网掉电时，控制器可控制第一开关250闭合并控制第二开关260断开，控制储能电池110通过DC/AC变换器120和第一变压器140向第一负载供电，控制适配开关闭合并控制储能电池210通过适配电源装置245向第二负载供电，并且控制预充电开关断开。当监测到外部电网掉电且风力发电机组完成黑启动时，控制器可控制第一开关250断开并控制第二开关260闭合，并且控制预充电开关闭合，以使变流器270的直流母线经由预充电单元230向储能电池210充电；同时，控制器可控制DC/AC变换器120和第一变压器140停止工作，并且控制适配开关断开，从而使适配电源装置245停止工作。

图3是示出根据本公开的实施例的风力发电机组的备用电源系统的电路拓扑图。

参照图3，风力发电机组的备用电源系统300包括储能电池310、DC/AC变换器320、预充电单元330、第一变流器340、至少一个适配电源装置345、第一开关350和第二开关360。备用电源系统300与如图2所示的备用电源系统200的结构和配置相同，这里不再赘述。此外，在图3中，选择性地示出预充电开关Q3和适配开关Q4。

如图3所示，风力发电机390的输出经由变流器370和箱变(例如，并网变压器)395，接入外部电网400。变流器370可包括网侧变流器(逆变器)U1和机侧变流器(整流器)U2，并且可包括网侧开关Q1和机侧开关Q2。变流器370的工作方式与现有风电变流器的工作方式相同，本公开对此不做任何限制。

变流器370可连接到箱变395的二次侧，并且箱变395的一次侧可连接到外部电网400。此外，可在变流器370与箱变395的二次侧之间的节点和辅助变压器380的第二一次侧之间设置开关Q0。当外部电网正常时，开关Q0可闭合，从而可通过辅助变压器380向第一负载供电。当外部电网掉电时，开关Q0可断开。如图3所示，箱变395为35kV/1140V变压器，但是本公开不限于此。箱变395的一次侧的电压取决于电网电压，箱变395的二次侧的电压取决于风力发电机组并网运行时变流器370的输出电压。

根据本公开的另一实施例，还可提供一种风力发电机组，该风力发电机组可包括如上所述的风力发电机组的备用电源系统。

根据本公开的实施例的风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组，储能电池直接与变流器的直流母线连接，能够利用风力发电机组空转的电能为储能电池进行充电，无需连接外部电源。另一方面，在风力发电机组所处的风场受电之前，可利用备用电源系统完成风力发电机组正式发电前的一系列调试工作，有利于提高效率，加快风场的建设进度。此外，备用电源系统使得风力发电机组在脱离外部电网供电后仍然可以为环境保障系统和安全装置供电。

虽然已表示和描述了本公开的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (11)

1.一种风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述备用电源系统包括：储能电池、DC/AC变换器、预充电单元，

其中，所述储能电池连接到所述DC/AC变换器的输入端和所述预充电单元的第一端，所述DC/AC变换器的输出端连接到所述风力发电机组的第一负载，所述预充电单元的第二端连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线。

2.如权利要求1所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述备用电源系统还包括：至少一个适配电源装置，所述至少一个适配电源装置的输入端连接到所述储能电池的输出端，并且所述至少一个适配电源装置的输出端连接到所述风力发电机组的第二负载。

3.如权利要求1所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述第一负载包括变流控制器。

4.如权利要求2所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述第二负载包括传感器、转速测量装置、风速仪、风向标、交换机和PLC中的至少一种。

5.如权利要求1所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述备用电源系统还包括：第一变压器，

其中，所述DC/AC变换器的输出端经由所述第一变压器连接到所述风力发电机组的第一负载。

6.如权利要求5所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，所述备用电源系统还包括：

第一开关，设置在所述第一变压器与所述风力发电机组的辅助变压器的二次侧之间；

第二开关，设置在所述风力发电机组的变流器的网侧输出端与所述辅助变压器的第一一次侧之间。

7.如权利要求6所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，在所述风力发电机组运行期间，所述第一开关断开，所述第二开关断开，所述变流器的直流母线经由所述预充电单元向所述储能电池充电，并且所述变流器经由所述辅助变压器的第二一次侧和二次侧向所述第一负载供电。

8.如权利要求6所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述储能电池经由所述预充电单元向所述变流器的直流母线供电，以建立直流母线电压，并且所述储能电池经由所述DC/AC变换器、所述第一变压器和所述辅助变压器的二次侧向所述第一负载供电。

9.如权利要求8所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，在所述风力发电机组基于所述直流母线电压完成启动的情况下，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述变流器经由所述第二开关、所述辅助变压器的第一一次侧和二次侧向所述第一负载供电。

10.如权利要求2所述的风力发电机组的备用电源系统，其特征在于，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述储能电池经由所述适配电源装置向所述第二负载供电。

11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-10中任意一项所述的风力发电机组的备用电源系统。

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