一种风机变桨备电电源系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种电源系统及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种风机变桨备电电源系统及其控制方法。

背景技术：

1、偏航变桨系统是水平轴式风力发电机组不可取少的组成系统之一，通过捕捉风向，控制机舱平稳、精准、可靠的对风，使得风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。偏航变桨备电系统在台风等不可控情况来临后作为备用电源系统，此种情况下风力发电系统和电网都极有可能处于不可用状态，而偏航变桨备电系统能够支撑变桨负载支持一至两次的变桨操作，以保证风机发电机组等系统的安全性。

2、传统的风机偏航变桨备电系统由柴油发电机组直接提供备电电源，根据偏航变桨系统的功率变化，控制系统变更柴发转速来适应所需功率。而较为新型的储能型风机变桨系统是由发电设备、储能电池、储能变流器等组成。发电设备可以为柴油发电机，启动后通过发电机组和dc-dc模组对电池进行充电。也有使用光伏发电的方式进行能量存贮，有着能源清洁、工作可靠的优点，但工作受环境影响较大，且功率与电压等级受场地限制。储能电池一般为铅酸电池组或锂电池组，也有使用超级电容或飞轮等方式，在成本、寿命、功率密度、放电深度、充放电速度等方面相互制约。储能变流器一般为直流转交流（dc/ac）转换器，通过转换速度，给变桨系统提供电压、频率稳定的电能来源。

3、对于使用柴油发电机的系统，有着成本较低、热效率高、工作较为可靠、使用范围广等优点，但需要人工定期维护、启动较慢、噪声大等缺点。光伏发电的方式有着能源清洁、工作可靠的优点，但工作受日照强度、温度等外界环境影响较大，且大功率与大电压等级需要更多的太阳能板，占地面积大。因此，本文提出一种由小型风力发电机提供能源的变桨备电方法，提升发电效率，减小占地面积及相应成本。

技术实现思路

1、本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种风机变桨备电电源系统及其控制方法。

2、本发明的风机变桨备电电源系统，包括电池组、储能变流器pcs、变桨负载和主控dcs，电池组的正、负极接于储能变流器pcs的直流接线端，储能变流器pcs的交流接线端接于变桨负载的电源输入端，储能变流器pcs实现直流与交流的转换；其特征在于：还包括小型风力发电机、整流器ac/dc、直流转换控制器和接触器km1，小型风力发电机的输出端接于整流器ac/dc的交流输入端，整流器ac/dc的直流输出端接于直流转换器dc/dc的输入端，直流转换器dc/dc的输出端经接触器km1的常开点接于电池组的正、负极上。

3、本发明的风机变桨备电电源系统，包括风机电网变压器、滤波电感、滤波电容、接触器km2、接触器km3和接触器km4，储能变流器pcs的交流接线端与变桨负载的电源输入端之间的线路上依次串有滤波电容和接触器km2的常开点，滤波电容经接触器km3的常开点接于储能变流器pcs与继电器km2常开点之间的连线上；风机电网变压器的一次侧接于风机电网上，二次侧经继电器km4的常开点接于储能变流器pcs与继电器km2常开点之间的连线上。

4、本发明的风机变桨备电电源系统，所述小型风力发电机为水平轴或垂直轴风力发电机，并自带尾舵，小型风力发电机中的发电机为永磁同步发电机或磁悬浮发电机；所述整流器ac/dc由三相不控整流桥组成，直流转换器dc/dc采用boost变换器，电池组为铅酸电池组或锂电池组。

5、本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

6、a).启动命令判断；主控dcs判断是否出现了需要调整风力发电系统的风轮朝向的状况，如果没有出现，则执行步骤b)；如果出现，则表明需要接通电池组对变桨负载的供电，执行步骤c)；

7、b).发电机判断；主控dcs判断小型风力发电机的发电状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息；如果正常，则继续判断直流转换器dc/dc的状态是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤d)；

8、c).停止dc/dc；通过断开继电器km1的常开点，停止直流转换器dc/dc的转换工作，然后判断储能变流器pcs是否正常，如果不正常，则发出报警信息，如果正常，则执行步骤g)；

9、d).启动dc/dc；启动直流转换器dc/dc，小型风力发电机输出的交流电经整流器ac/dc的整理后转化为低压直流电，低压直流电经直流转换器dc/dc升压后，转化为对电池组进行充电的中高压直流电；执行步骤e)；

10、e).电池组充电，闭合继电器km1的常开点，使直流转换器dc/dc输出的中高压直流电按照三段式充电逻辑向电池组充电；执行步骤f)；

11、f).判断电池组状态；判断电池组是否已经充满，如果已经充满，则维持电池组处于浮充充电状态；如果电池组没有充满，则执行步骤e)；

12、g).变桨负载供电；首先闭合继电器km2和km3的常开点，然后启动储能变流器pcs，储能变流器pcs将电池组输出的直流电转化为交流电，经滤波电容和滤波电感的滤波后输入至变桨负载，以使变桨负载对风力发电系统的风轮朝向进行调整。

13、本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，包括如下步骤的储能变流器pcs反向充电过程：

14、1).异常状况判断；判断小型风力发电机或直流转换器dc/dc是否出现异常，当小型风力发电机和直流转换器dc/dc两者之一或全部出现异常时，则执行步骤2)；当小型风力发电机和直流转换器dc/dc均没有出现异常时，则按照步骤e)至步骤f)对电池组进行充电；

15、2).反向充电；首先使接触器km1、km2和km3的常开点处于断开状态，并接通继电器km4的常闭点，使风机电网变压器输出交流电至储能变流器pcs的交流接线端，并控制储能变流器pcs工作在交流转直流的ac/dc状态，利用储能变流器pcs输出的直流电按照三段式充电逻辑对电池组进行充电。

16、本发明的风机变桨备电电源系统的控制方法，所述的三段式充电逻辑依次包括恒流阶段充电、恒压阶段充电和浮充阶段充电。

17、本发明的有益效果是：本发明的风机变桨备电电源系统及其控制方法，不仅设置有电池组、储能变流器pcs和变桨负载，而且还设置有小型风力发电机、整流器ac/dc和直流转换器dc/dc，这样，小型风力发电机发出的电压等级和功率随风力变化的交流电，首先经整流器ac/dc转化为低压直流电，然后再经直流变换器dc/dc的斩波升压后转化为中高压的直流电，以实现对电池组的充电；当风力发电系统所处的环境发生风向变化需要改变风轮的朝向，或者台风等不可控情况来临而需要变桨负载改变风轮的朝向时，则断开直流变换器dc/dc的充电，而开启储能变流器pcs的逆变功能，利用储能变流器pcs将电池组输出的直流电转化为驱使变桨负载工作的交流电，以使变桨负载进行风轮朝向的调整；可见，本发明的风机变桨备电电源系统及其控制方法，与现有采用柴油发电机对电池组进行充电相比，具有成本低、能耗低、噪音小、无需频繁维护以及环保无污染的优点，与现有采用光伏充电相比较，具有占地面积小、不受光照条件的制约以及可全天候地为电池组提供充电能源。

18、进一步地，通过在储能变流器pcs与风机电网之间设置风机电网变压器，风机电网变压器的一次侧接于风机电网上，二次侧经接触器km4的常开点接于储能变流器pcs的交流接线端上，这样，当小型风力发电机和直流转换器dc/dc两者之一发生故障时，则断开直流转换器dc/dc与电池组的连接（断开km1），断开滤波电容和变桨负载与储能变流器pcs的连接（断开km2和km3），并接通风机电网变压器与储能变流器pcs的连接，时储能变流器pcs工作在整流状态，将风机电网变压器输出的交流电整理为直流电，以实现对电池组的充电，提供电池组的冗余充电方式，最大限度地保证了电池组处于满电状态。