CN219611404U - 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/DC转换器、DC/AC变换器和预充电单元，其中，所述储能电池的输出端连接到所述DC/DC转换器的输入端和所述DC/AC变换器的输入端，所述DC/DC转换器的输出端经由所述预充电单元连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线，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。根据所述备用电源系统及风力发电机组，通过利用风电变流器的功能进行能量存储，风力发电机组在发生电网故障掉电情况下以及在大风工况下仍能够进行变桨、偏航等安全动作，大幅度地提高风力发电机组的安全性。

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

风力发电是一种开发难度较低且无污染的可再生能源。同时，风力发电也是目前再生新能源利用中技术较为成熟，具备规模开发条件，发展前景广阔的发电方式。目前，风力发电机组(尤其是海上风力发电机组)在吊装前以及并网后因电网故障长时间断电后，如果出现不间断的大风工况，则风力发电机组自身以及叶片会产生涡激振动，影响整机的安全性与可靠性。为了应对这种特殊工况，风力发电机组通常配备备用电源，如柴油发电机、UPS、超级电容等，为风力发电机组供电并短时进行变桨、偏航，来抑制涡激振动。

然而，现有的备用电源成本较高且需要运维人员不定时的进行加油操作，增加运维人员的工作频次，因此会显著增加维护成本。此外，现有的备用电源的存储能量有限，在极端工况下，不能维持风力发电机组各种电器设备(例如但不限于偏航电机、变桨电机、加热除湿装置)以及风力发电机组的最小控制系统(例如但不限于维持风力发电机组正常运转的各种控制器和传感器)的长时间运行。此外，对于海上风力发电机组而言，现有的备用电源无法为机舱提供足够的能量进行加热除湿等，导致再次启机时会出现关键器件故障，启机时间较长。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种能够有效地利用风力发电机组自身变流器的功能进行能量存储从而长时间运行的风力发电机组的备用电源系统及风力发电机组。

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/DC转换器、DC/AC变换器和预充电单元，其中，所述储能电池的输出端连接到所述DC/DC转换器的输入端和所述DC/AC变换器的输入端，所述DC/DC转换器的输出端经由所述预充电单元连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线，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。

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，所述第一负载包括设置在所述风力风电机组中的电气设备，所述第二负载包括设置在所述风力发电机组中的控制器和传感器。

可选地，所述备用电源系统还包括：第一开关，设置在所述风力发电机组的辅助变压器的一次侧与所述变流器的输出端之间；第二开关，设置在所述辅助变压器的二次侧与所述DC/AC变换器的输出端之间。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述第一开关和所述第二开关互锁。

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和所述DC/DC转换器向所述储能电池充电。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述储能电池的输出端经由所述DC/DC转换器和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。

可选地，当所述风力发电机组与外部电网断开连接时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述储能电池经由所述DC/AC变换器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，通过利用风力发电机组自身变流器的功能进行能量存储，风力发电机组在发生电网故障掉电情况下以及在大风工况下仍能够进行变桨、偏航等安全动作，大幅度地提高风力发电机组的安全性，并且能够减少风力发电机组在停机工况下的运维次数，从而节省运维成本。另一方面，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，在风力发电机组停机工况下，仍然能够通过微风工况下的备用电源对风力发电机组的最小控制系统进行供电，实时监测机组运行数据，保证风力发电机组在停机工况下的稳定性。此外，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，通过利用风力发电机组自身变流器的功能进行能量存储，能够不定时的对风力发电机组的齿轮箱油泵进行润滑，保障风力发电机组在上电后的快速稳定运行。

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/DC转换器；130：DC/AC变换器；140：预充电单元；150：第一开关；160：第二开关；170：变流器；T2：辅助变压器；200：备用电源系统；210：储能电池；220：DC/DC转换器；230：DC/AC变换器；240：预充电单元；245：适配电源装置；250：第一开关；260：第二开关；270：变流器；300：备用电源系统；310：储能电池；320：DC/DC转换器；330：DC/AC变换器；340：预充电单元；345：适配电源装置；350：第一开关；360：第二开关；370：变流器；380：风力发电机；390：外部电网；U1：网侧变流器；U2：机侧变流器；Q1：网侧开关；Q2：机侧开关；T1：箱变；Q0：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，在理解本申请的公开之后，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。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

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。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本实用新型的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

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/DC转换器120、DC/AC变换器130和预充电单元140。储能电池110的输出端连接到DC/DC转换器120和DC/AC变换器130的输入端，DC/DC转换器120的输出端经由预充电单元140连接到风力发电机组的变流器170的直流母线，DC/AC变换器130的输出端连接到风力发电机组的第一负载。在风力发电机组运行(包括正常运行以及在微风工况下启动运行)期间，风力发电机组的变流器170通过预充电单元140和DC/DC转换器120为储能电池110充电。在风力发电机组停机(例如与外部电网断开连接)期间，储能电池110放电，并通过DC/AC变换器130向风力发电机组的第一负载供电。这里，第一负载包括设置在风力发电机组中的各种电气设备，例如，但不限于偏航电机、变桨电机、加热除湿装置等。

如图1所示，风力发电机组的备用电源系统100还包括第一开关150和第二开关160。第一开关150设置在风力发电机组的辅助变压器T2的一次侧与变流器170的输出端之间，第二开关160设置在辅助变压器T2的二次侧与DC/AC变换器130的输出端之间。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充电以及为第一负载供电。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。

具体地讲，在风力发电机组运行(包括正常运行以及在微风工况下启动运行)期间，第一开关150断开，第二开关160断开，变流器170的直流母线经由预充电单元140和DC/DC转换器120向储能电池110充电。这里，储能电池的类型可根据风力发电机组的电源需求进行配置，包括但不限于磷酸铁锂电池、锂电池、铅酸电池、铅碳电池等。

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140和DC/DC转换器120向储能电池110充电。此时，预充电单元140和/或DC/DC转换器120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。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，风力发电机组停机时、外部电网掉电时)，第一开关150断开，第二开关160闭合，储能电池110经由DC/AC变换器130向第一负载供电。与此同时(即，当风力发电机组与外部电网断开连接时)，如果满足风力发电机组黑启动条件，则储能电池110的输出端可经由DC/DC转换器120和预充电单元140向变流器170的直流母线供电，以建立直流母线电压。这样，在变流器170的直流母线电压稳定之后，风力发电机组完成启动，此时第一开关150闭合，第二开关160断开，变流器170的网侧输出例如1140V交流电压，通过第一开关150与辅助变压器T2组成配电网，为诸如变桨电机、偏航电机等的第一负载进行供电，进一步保障风力风机机组的安全性和稳定性。

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停止通过DC/AC变换器130向第一负载供电。与此同时，变流器170的直流母线可重新经由预充电单元140和DC/DC转换器120向储能电池110充电。

此外，在预充电单元140与变流器170的直流母线之间可设置熔断器，以实现短路和过流保护。

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)。控制器可监测外部电网的状态。当监测到外部电网正常时，控制器可控制第一开关150断开并控制第二开关160断开，控制变流器170的直流母线经由预充电单元140和DC/DC转换器120向储能电池110充电，并且在监测到储能电池110的电能达到预设阈值时，控制预充电单元140和/或DC/DC转换器120停止工作。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断开并控制第二开关160闭合，控制储能电池110通过DC/AC变换器130向第一负载供电，并且控制预充电单元140和/或DC/DC转换器120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/DC转换器220、DC/AC变换器230、预充电单元240和至少一个适配电源装置245。储能电池210、DC/DC转换器220、DC/AC变换器230和预充电单元240的连接与配置同如图1所示的储能电池110、DC/DC转换器120、DC/AC变换器130和预充电单元140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。第二负载可包括设置在风力发电机组中的各种控制器(例如，但不限于主控制器、变桨控制器、偏航控制器等)和传感器。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，如图2所示，风力发电机组的备用电源系统200还包括第一开关250和第二开关260。第一开关250和第二开关260的连接与配置同如图1所示的第一开关150和第二开关160的连接与配置相同，这里不再赘述。

当风力发电机组与外部电网断开连接时(例如，风力发电机组停机时、外部电网掉电时)，第一开关150断开，第二开关160闭合。在第一开关150断开，第二开关160闭合的情况下，储能电池210经由DC/AC变换器230向第一负载供电。与此同时，储能电池210还通过适配电源装置245向第二负载供电。

此外，在预充电单元140与变流器170的直流母线之间可设置熔断器，以实现短路和过流保护。

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)。控制器可监测外部电网的状态。当监测到外部电网正常时，控制器可控制第一开关250断开并控制第二开关260断开，控制变流器270的直流母线经由预充电单元240和DC/DC转换器220向储能电池210充电，并且在监测到储能电池210的电能达到预设阈值时，控制预充电单元240和/或DC/DC转换器220停止工作。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断开并控制第二开关260闭合，控制储能电池210通过DC/AC变换器230向第一负载供电，控制储能电池210通过适配电源装置245向第二负载供电，并且控制预充电单元240和/或DC/DC转换器220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/DC转换器320、DC/AC变换器330、预充电单元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。

如图3所示，风力发电机380的输出经由变流器370和箱变(例如，并网变压器)T1，接入外部电网390。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。

备用电源系统300的DC/AC变换器330的交流母线可连接到风力发电机组的辅助变压器T2的二次侧，以便向风力发电机组的第一负载供电。换言之，备用电源系统300可经由辅助变压器T2的二次侧的端口，连接到第一负载，以便向第一负载供电。然而，本公开不限于此。例如，如果DC/AC变换器330具有三相四线制输出能力，则备用电源系统300可直接连接到第一负载，而无需借助辅助变压器T2的二次侧的端口。

可选择地，辅助变压器T2的一次侧可经由开关Q0连接到箱变T1的二次侧，而箱变T1的一次侧可连接到外部电网390。当外部电网正常时，开关Q0可闭合，当外部电网掉电时，开关Q0可断开。如图3所示，辅助变压器T2可以是1140V/400V变压器，但是本公开不限于此。辅助变压器T2的一次侧的电压可取决于风力发电机组的交流母线的电压，辅助变压器T2的二次侧的电压可取决于第一负载的电源需求。

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，通过利用风力发电机组自身变流器的功能进行能量存储，风力发电机组在发生电网故障掉电情况下以及在大风工况下仍能够进行变桨、偏航等安全动作，大幅度地提高风力发电机组的安全性，并且能够减少风力发电机组在停机工况下的运维次数，从而节省运维成本。另一方面，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，在风力发电机组停机工况下，仍然能够通过微风工况下的备用电源对风力发电机组的最小控制系统进行供电，实时监测机组运行数据，保证风力发电机组在停机工况下的稳定性。此外，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，通过利用风力发电机组自身变流器的功能进行能量存储，能够不定时的对风力发电机组的齿轮箱油泵进行润滑，保障风力发电机组在上电后的快速稳定运行。

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 (8)

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/DC转换器、DC/AC变换器和预充电单元，

其中，所述储能电池的输出端连接到所述DC/DC转换器的输入端和所述DC/AC变换器的输入端，所述DC/DC转换器的输出端经由所述预充电单元连接到所述风力发电机组的变流器的直流母线，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。

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，所述第一负载包括设置在所述风力发电机组中的电气设备，所述第二负载包括设置在所述风力发电机组中的控制器和传感器。

4.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：

第一开关，设置在所述风力发电机组的辅助变压器的一次侧与所述变流器的输出端之间；

第二开关，设置在所述辅助变压器的二次侧与所述DC/AC变换器的输出端之间。

5.如权利要求4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和所述DC/DC转换器向所述储能电池充电。

6.如权利要求4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，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述储能电池经由所述DC/AC变换器向所述第一负载供电，和/或所述储能电池的输出端经由所述DC/DC转换器和所述预充电单元向所述变流器的直流母线供电。

7.如权利要求4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，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述储能电池经由适配电源装置向所述风力发电机组的第二负载供电。

8.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1-7中任意一项所述的风力发电机组的备用电源系统。