用于发电系统的辅助电源及相应发电系统的制作方法

1.本发明总的来说涉及风力发电领域，更具体而言，涉及一种用于发电系统的辅助电源。此外，本发明还涉及一种具有这样的辅助电源的发电系统。


背景技术：

2.近年来，随着各国对环境的重视度提高，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。另外，由于近年来因新冠疫情等不可抗力对人员流动的限制，诸如风力发电机之类无需人员操作亦可长期运行的发电装置的优势愈发凸显。
3.诸如风力发电机(或简称风机)之类的发电机具有许多需要供电的重要部件，例如变桨轴承、偏航轴承和控制电路等。这些重要部件的稳定供电直接决定了风机的正常运行和运行安全性。通常，这些部件通过交流电网来供电。但是在交流电网发生故障时，必须由辅助电源对这些部件进行供电。然而，目前的备用电源难以适应用电负载的较大功率变化。另外，诸如风力发电机、水力发电机和太阳能电池之类的发电机在正常运行中，受自然条件的影响，功率波动较大，这会对其负载造成负面影响。对因此，需要一种可靠性高且能适应发电机等发电功率变化大、以及在极端条件下、尤其是电网掉电时的用电要求的辅助电源。


技术实现要素：

4.从现有技术出发，本发明的任务是提供一种用于发电系统的辅助电源及相应发电系统，通过所述辅助电源和/或发电系统，可以较好地补偿发电系统的发电功率波动，并能在电网掉电时提供电能。
5.在本发明的第一方面，该任务通过一种用于发电系统的辅助电源来解决，该辅助电源包括：
6.第一子电源，其包括一个或多个电池以提供直流电能；
7.第一dc/dc变换器，其被配置为将第一子电源的直流电能转换成具有不同参数的直流电能，其中第一dc/dc变换器的输出端连接到辅助电源的输出端；
8.第二子电源，其包括一个或多个超级电容以提供直流电能；以及
9.第二dc/dc变换器，其被配置为将第二子电源的直流电能转换成具有不同参数的直流电能，其中所述第二dc/dc变换器的输出端连接到辅助电源的输出端。
10.在本发明的范围内，术语“交流电能”涵盖了交流电流、交流电压和交流功率，并且术语“直流电能”涵盖了直流电流、直流电压和直流功率。术语“超级电容”是指一种在不发生电化学反应的情况下直接释放电容器所存储电荷的超级电容器。术语“ac/dc变换器”涵盖了各种将交流电能转换成直流电能的设备，例如二极管、半波整流器、全波整流器、晶闸管、全控桥等等。术语“子电源”是指能够提供交流或直流电能的各种电设备、例如电池、发电机等，其中子电源尤其是指电网以外的电源、即在极端条件下、尤其是电网掉电时可投入
使用的电源。在本发明中，发电系统可以涵盖各种类型的发电机、尤其是新能源发电机、例如风力发电机、水力发电机、太阳能电池等等，还包括了其他发电机、例如燃料发电机，燃料发电机如包括：柴油发电机、氢气发电机、乙醇发电机、化石燃料发电机等等。
11.在本发明的一个优选方案中规定，该辅助电源还包括控制器，所述控制器被配置为执行下列动作：
12.确定发电系统的功率参数，所述功率参数包括当前功率、目标功率；以及
13.根据所述功率参数确定第一和第二dc/dc变换器的工作模式以接入第一和/或第二子电源。
14.在本发明的另一优选方案中规定，该辅助电源还包括:
15.机侧变流器，其被配置为将发电机生成的电能转换成直流电网上的直流电能；以及
16.网测变流器，其被配置为将直流电网上的直流电网转换成交流电网上的交流电能。
17.根据当前功率、目标功率和功率调节时间确定电压变化速率；
18.在电压变化速率小于速率阈值时控制第一dc/dc变换器工作在正向模式以接入第一子电源，并且在电压变化速率大于或等于速率阈值时控制第一和第二dc/dc变换器工作在正向模式以接入第一和第二子电源。
19.在本发明的一个优选方案中规定，所述第一和第二dc/dc变换器为双向dc/dc变换器，并且所述控制器还被配置为执行下列动作：
20.在当前功率低于功率阈值时控制第一和第二dc/dc变换器工作在正向模式以接入第一子电源和/或第二子电源；
21.在直流母线电压低于电压阈值时控制第一和/或第二dc/dc变换器工作在正向工作模式以接入第一子电源和/或第二子电源；以及
22.在直流母线电压高于电压阈值且第一子电源和/或第二子电源的电量低于电量阈值时控制第一和/或dc/dc变换器工作在反向工作模式以给第一子电源和/或第二子电源充电。
23.在本发明的另一优选方案中规定，其中第一子电源与第二子电源的功率比例小于100％、优选小于90％；和/或
24.所述速率阈值为直流母线电压变化阈值a，其通过如下公式来确定：
25.a＝λx dudt
max
，其中λ为阈值系数，0≤λ≤1，并且dudt
max
为直流母线最大电压变化速率：
26.dudt
max
＝i
dcmax
/c
bus
，其中i
dcmax
为最大直流母线电流，c
bus
为母线支撑电容容值。
27.λ优选地为0.4至1.0、尤其是0.6至0.8，在λ取0.6至0.8的情况下，兼顾了速度和其它器件的电压变化承受能力，使得故障穿越的迅速且可靠。
28.第一子电源容量大于第二子电源容量；。
29.在本发明的另一优选方案中规定，所述辅助电源的输出端与发电系统的直流母线连接，所述直流母线被配置为传输发电系统所生成的电能，其中所述发电系统包括下列各项之一:风力发电系统、太阳能电池、以及水力发电系统。
30.在本发明的第二方面，前述任务通过一种发电系统来解决，该发电系统包括：
31.直流母线，其被配置为传输发电系统所生成的电能；以及
32.辅助电源，包括：
33.第一子电源，其包括一个或多个电池以提供直流电能；
34.第一dc/dc变换器，其被配置为将第一子电源的直流电能转换成具有不同参数的直流电能，其中第一dc/dc变换器的输出端接到辅助电源的输出端；
35.第二子电源，其包括一个或多个超级电容以提供直流电能；以及
36.第二dc/dc变换器，其被配置为将第二子电源的直流电能转换成具有不同参数的直流电能，其中所述第二dc/dc变换器的输出端连接到辅助电源的输出端，其中所述辅助电源的输出端连接到直流母线。
37.在本发明的一个扩展方案中规定，该发电系统还包括：
38.ac/dc变换器，其与直流母线连接，其中所述ac/dc变换器被配置为将直流母线的交流电能转换成直流电能以便给第一子电源和/或第二子电源充电；以及
39.dc/ac变换器，其被配置为将母线上传输的直流电能转换成交流电能以给连接在辅助电源的输出端处的交流负载供电。
40.在本发明的另一扩展方案中规定，该发电系统还包括控制器，所述控制器被配置执行下列动作：
41.确定发电系统的功率参数，所述功率参数包括当前功率、目标功率；以及
42.根据所述功率参数确定第一和第二dc/dc变换器的工作模式以接入第一和/或第二子电源，使得发电系统的输出功率不低于目标功率。
43.在本发明第三方面，前述任务通过一种用于运行根据本发明的辅助电源的方法来解决，该方法包括下列步骤：
44.确定发电系统的功率参数，所述功率参数包括发电系统的当前功率以及发电系统的目标功率；以及
45.在目标功率与当前功率之间的功率差大于功率差阈值时，接入第一子电源和/或第二子电源，其中所接入的第一子电源和第二子电源的数目是根据所述功率差确定的。
46.在本发明的一个优选方案中规定，所述功率参数还包括功率调节时间，该方法还包括：
47.根据当前功率、目标功率和功率调节时间确定电压变化速率；以及
48.在电压变化速率小于速率阈值时接入第一子电源，并且在电压变化速率大于或等于速率阈值时接入第一子电源和第二子电源。
49.本发明至少具有如下有益效果：本发明通过将电池组和超级电容构成的直流辅助电源连接到发电系统的直流母线中，可以实时地补偿发电系统的发电功率，使得发电功率保持稳定或者在特定时间内达到某个功率值，并且本发明的辅助单元还可以在发电系统掉电时提供备用电源，维持发电系统的用电组件的正常运转；此外，电池组的存储能量大，而超级电容的功率密度大、响应速度快，因此将电池组与超级电容相组合，即可给发电系统提供长时间、响应速度快和功率密度大的补偿功率，从而优化发电系统的功率输出。
附图说明
50.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
51.图1示出了本发明的所应用于的风力发电机的示意图；
52.图2示出了根据本发明的辅助电源的电路图；以及
53.图3示出了用于运行根据本发明的辅助电源的方法的流程。
具体实施方式
54.应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
55.在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
56.在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
57.在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
58.在本发明中，术语“连接”既可以指两者直接连接，也可以指两者通过中间元件间接地连接。
59.在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
60.在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
61.另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
62.首先阐述本发明所基于的原理。本发明人通过在新能源发电机领域中的长期研究发现，在诸如风力发电机、水力发电机、太阳能电池的发电机的发电场景中，受天诸如天气等因素影响，发电机的发电功率可能剧烈波动，例如其功率可能在某个时间段内具有非常低的功率水平，这可能导致功率因数降低或者导致所连接的负载的损坏；本发明人通过研究同时发现，因此在极端条件下、尤其是电网掉电时，备用电源也需要兼顾负载的平均功率和峰值功率二者，否则可能出现负载不能正常工作甚至发生故障的情况；本发明人通过进一步研究发现，诸如电池之类的直流备用电源具有较高的存储能量以及并联扩容能力(可无限并联电池扩容)，但是其功率密度和响应速度不能满足发电系统的功率补偿与故障穿越要求，而超级电容具有功率密度大、响应速度快的特点，因此将电池组与超级电容相组合，即可给发电系统提供长时间、响应速度快和功率密度大的补偿功率，从而优化发电系统的功率输出；同时，电池组和超级电容的组合还适于为发电系统所连接的负载提供峰值功率。此外，本发明人还发现，通过合理设置电压变化速率阈值来实现从电池到超级电容或者电池 超级电容的切换，从而较好地、以所定义的速度实现输出功率瞬变。另外，本发明人通
过合理设置电路结构，使得在电池组和超级电容在不使用时能够从直流母线充电，由此实现辅助电源的随时可用性。本发明至少具有如下优点：
63.1、辅助电源：储能电池组 双向dcdc变换器与超级电容 双向dcdc变换器构成辅助电源，多组并联连接至风电变频器直流母线，从而避免柴油发电机启动速度慢，存在切换失效风险；
64.2、利用超级电容 双向dcdc变换器快速响应与超高功率密度特性，在风机故障穿越期间，支撑母线电压，稳定风机性能；
65.3、在正常发电状态，可以通过控制电池充放电稳定平滑风机功率输出，提高风机发电的效率及可控性。
66.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
67.图1示出了本发明的所应用于的风力发电机100的示意图。图1所示风力发电机100包括塔架101、可旋转地连接到塔架101并且支承轮毂103的机舱102。在轮毂103上布置有两个或更多个叶片104，其中叶片104在风力作用下带动布置在轮毂108中的转子(未示出)绕轴线(未示出)旋转，其中发电机的转子相对于定子的旋转将生成电能。风力发电机100可以包括多种消耗电能的负载，例如变桨轴承、偏航轴承、以及控制电路等等。应当指出，尽管本发明是以风力发电机为例说明的，但是本发明不限于此，而是适用于其它发电机、例如风力发电机、水力发电机、太阳能电池等等。风力发电机100产生的电能经变频或变流或变压以后通过直流母线来传输。但是由于恶劣天气或风力变化，直流母线上传输的能量的功率是变化的，因此需要通过本发明的辅助电源来补偿。
68.图2示出了根据本发明的用于发电系统209的辅助电源200的电路图。发电系统209例如为风力发电机，并且在其直流母线208上传输所生成的电能。本发明的辅助电源200的输出端out接入直流母线208以提供补偿功率并且从直流母线被充电。根据本发明的辅助电源200包括下列部件，其中一些部件是可选的：
69.·
第一子电源201，其包括一个或多个电池以提供直流电能，直流电能例如包括直流电流、直流电压、以及直流功率。在此，第一子电源201包括多组电池组，所述电池组彼此并联并且每个电池组包括多个彼此串联的电池，由此可提供多倍的单电池电压和单电池电流。并联或串联的电池的数目可以是任意的，例如可以根据当前功率或目标功率的数值来确定。
70.·
第一dc/dc变换器203，其被配置为将第一子电源201的直流电能转换成具有不同参数(例如电流、电压)的直流电能，其中第一dc/dc变换器203的输出端通过可选的第一开关205连接到辅助电源200的输出端out。第一开关205是可选的，而不是必需的。第一dc/dc变换器203尤其是双向dc/dc变换器，其中双向dc/dc变换器是指，既可以从该双向dc/dc变换器的输入端直流电能(正向工作)，并在输出端输出经转换的直流电能，也可以从该双向dc/dc变换器的输出端输入直流电能，并在输入端输出经转换的直流电能(反向工作)。例如，第一dc/dc变换器203正向工作时，由第一子电源201向电流母线208提供电能以补偿发电系统209的功率；当第一dc/dc变换器203反向工作时，由直流母线208向第一子电源201提供电能以给第一子电源201充电。第一子电源201的电池尤其是可充电电池、例如锂离子电池。
71.·
第二子电源202，其包括一个或多个超级电容以提供直流电能，直流电能例如包
括直流电流、直流电压、以及直流功率。在本发明中，术语“超级电容”是指一种在不发生电化学反应的情况下直接释放电容器所存储电荷的超级电容器。超级电容例如具有两个电极以及两个电极之间的电解质。超级电容的电容值例如为几十至几百法拉(f)的范围、例如1
‑
10f、100
‑
1000f。第二子电源202优选地可以提供比第一子电源204更高的功率密度和响应速度，始于短时间内提供大量功率。第一子电源204优选地可以提供比第二子电源202更大的存储能量，始于长时间内提供功率、例如平均功率。
72.·
第二dc/dc变换器204，其被配置为将第二子电源202的直流电能转换成具有不同参数(例如电流、电压)的直流电能，其中所述第二dc/dc变换器202的输出端通过第二开关(未示出)连接到辅助电源的输出端out。第二开关是可选的，而不是必需的。第二dc/dc变换器204尤其是双向dc/dc变换器，其中双向dc/dc变换器是指，既可以从该双向dc/dc变换器的输入端直流电能(正向工作)，并在输出端输出经转换的直流电能，也可以从该双向dc/dc变换器的输出端输入直流电能，并在输入端输出经转换的直流电能(反向工作)。例如，第二dc/dc变换器204正向工作时，由第二子电源202向电流母线208提供电能以补偿发电系统209的功率；当第一dc/dc变换器203反向工作时，由直流母线208向第二子电源202提供电能以给第二子电源202充电。
73.·
可选的网侧变流器206、可选的机侧变流器207以及辅助变压器207，其中网侧变流器206被配置为将直流母线208上传输的直流电能转换成交流电能，并且辅助变压器207被配置为将所转换而成的交流电能进行变压以传输给负载；机侧变流器207被配置为将发电系统的发电机产生的交流电能转换成直流电能(其通过直流母线208传输)。也就是说，发电机的电能(例如交流电能或直流电能)通过机侧变流器207转换成直流母线上的直流电能，并且直流母线上的直流电能通过网测变换器206转换成交流电网210上的交流电能，中间可选地进过辅助变压器207的电压变换。
74.·
可选的控制器(未示出)，其中控制器被配置为执行下列动作:
75.◇
确定发电系统的功率参数，所述功率参数包括当前功率、目标功率以及可选的功率变化时间。
76.◇
根据所述功率参数确定第一和第二dc/dc变流器的工作模式以接入第一和/或第二子电源，使得发电系统的输出功率不低于目标功率。例如，根据当前功率、目标功率和功率调节时间确定电压变化速率，并且在电压变化速率小于速率阈值时接入第一子电源，并且在电压变化速率大于或等于速率阈值时接入第一子电源和第二子电源。所述速率阈值通过可以如下公式来确定：
77.所述速率阈值为直流母线电压变化阈值a，其通过如下公式来确定：
78.a＝λx dudt
max
，其中λ为阈值系数，0≤λ≤1，并且dudt
max
为直流母线最大电压变化速率：
79.dudt
max
＝i
dcmax
/c
bus
，其中i
dcmax
为最大直流母线电流，c
bus
为母线支撑电容容值。
80.◇
在电网电压高于电压阈值且直流母线电压变化大于波动阈值时，接入子电源接入第一子电源和/或第二子电源。
81.◇
在直流母线电压低于电压阈值时(例如交流电网掉电时)接入第一子电源和/或第二子电源。
82.◇
在直流母线电压高于电压阈值且第一子电源和/或第二子电源的电量低于电量
阈值时给第一子电源和/或第二子电源充电。
83.下面阐述辅助电源200的运行方式。
84.发电系统正常模式
85.在发电系统209正常运行时，第一开关205断开或者不接入第一和第二子电源。发电系统209生成的电能通过变换传输到交流电网210。
86.充电模式
87.当直流母线电压正常且第一或第二子电源201和/或202需要充电时(例如其电量低于电量阈值)，闭合第一开关205，此时第一dc/dc变流器203和/或第二dc/dc变流器204工作在反向模式，使得从直流母线给第一或第二子电源201和/或202充电。当不需要充电时，可断开第一开关205。这种反向充电可使得子电源随时都可以被充电，并随时处于可用状态。
88.放电模式
89.在极端条件下、尤其是发电系统功率不稳时或者在交流电网不能供电时，闭合第一开关205以接入第一子电源201和/或第二子电源202。当所需功率变换速度小于或等于速率阈值时，可仅接入第一子电源201。当所需功率变换速度大于速率阈值时，可以接入第一和第二子电源201和202二者。
90.下面以海上风力发电机为例阐述本发明的辅助电源的运行方法。
91.海上风电发电机的抗台风偏航后备电源应用：
92.当海上风力发电机遇上台风电网失电情况，切换本方案种辅助电源系统，驱动偏航系统正常运行，降低整机载荷，大幅提升海上风电机组可靠性。后备电源启停机状态如下：
93.1)启机及运行：交流电网上电，风电变频器常闭软启为母线电压udc预充电，udc建立后逆变电源自动启动为控制系统供电，控制系统上电启动后控制直流接触器闭合连接直流母线与后备电源，完成母线电压建立过程，随后偏航系统跟随主控指令正常偏航运行，双向dcdc变换器根据超结电容/电池电压进行充电，可采用滞环控制方式，避免反复充电。
94.2)电网掉电切换后备电源：交流电网断电,udc下降至双向dcdc变换器启动放电阈值时，超级电容/电池和双向dcdc变换器为母线供电，通过网侧逆变器变换与辅助变压器变压给控制系统、偏航系统等供电，完成电网和后备电源自动切换功能。
95.3)断电：交流电网断电，同时停止双向dcdc变换器放电功能，断开dc回路开关，实现系统断电，注意后备电源依然有电。
96.图3示出了用于运行根据本发明的辅助电源的方法的流程，其中虚线框示出了可选步骤。
97.在步骤301，确定发电系统的功率参数，所述功率参数包括发电系统的当前功率以及发电系统的目标功率。
98.在步骤302，在目标功率与当前功率之间的功率差大于功率差阈值时，接入第一子电源和/或第二子电源，其中所接入的第一子电源和第二子电源的数目是根据所述功率差确定的。
99.在可选步骤303，根据当前功率、目标功率和功率调节时间确定电压变化速率。
100.在可选步骤304，在电压变化速率小于速率阈值时接入第一子电源，并且在电压变
化速率大于或等于速率阈值时接入第一子电源和第二子电源。
101.虽然本发明的一些实施方式已经在本技术文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。