辅助电源的制作方法

背景技术：

1、风力涡轮机通常包括需要功率以便操作的各种辅助部件。例如，水平轴线风力涡轮机的偏航系统可能包括若干个偏航驱动单元，每个偏航驱动单元具有与偏航环啮合的小齿轮和转动小齿轮的马达。类似地，变桨系统的马达被部署成围绕它们的纵向轴线变桨。辅助设备的另一个示例可以是冷却装置，其包括各种马达驱动的泵以循环冷却流体、除湿器、润滑系统等。临时辅助装置可以是在日常例程、预调试、调试、测试程序等期间所需的各种机器或工具。一般来说，这种辅助装置可以汲取不同大小的高电流，这取决于所付出的努力。

2、除了实现为风力涡轮机的永久固定装置的辅助设备之外，在风力涡轮机寿命的不同阶段，在安装、调试、维护、修理等期间，可能需要为工具和装备提供功率。为此，风力涡轮机可以设置有包括用于电动工具和装备的电气插座或插口的系统。当风力涡轮机离网时，也可能需要这些电源插座或插口。安装、调试和维护阶段期间使用的工具和装备可能是最大的功率消耗装置。

3、取决于马达绕组的磁化，辅助设备的马达可能汲取高浪涌电流。高浪涌电流与短暂持续时间内的高振幅功率突发相关联，即具有低总能量。

4、在风力涡轮机的正常操作期间，即当风力涡轮机连接到电网时，任何这样的辅助装置可以由风力涡轮发电机供电或者从电网供电。

5、在离网情形期间，风力涡轮机可以利用备用电源，例如在us2012056425a1中提出的附件功率部件。备用电源可以是风力涡轮机的永久固定装置，或者可以运输到离网风力涡轮机。备用电源必须被指定为将由辅助设备汲取的最高峰值电流，并且不是该辅助设备正常操作期间的“稳态”功耗。功耗峰值可能相对罕见，仅在例如当马达驱动设备接通时偶尔出现，但是备用电源的容量必须足够大，以应对最大可能的电流峰值，从而避免过载和跳闸，过载和跳闸将导致电源关闭并使风力涡轮机完全没有任何功率。必须避免这种情形，因为能够继续基本功能(诸如迎风偏航、保持机舱内部温度高于冰点、维持内部干燥等)是重要的。因此，用于离网风力涡轮机的备用电源通常具有大容量，例如量级为150kva。具有这种额定量级的柴油发电机可能重达数吨，并消耗大量柴油燃料，从而在加燃料后勤和操作成本这两方面带来挑战。大型和重型备用电源的租赁、运输和频繁加燃料的成本会非常昂贵。此外，具有所需规格的电源单元可能难以在短时间内获得并难以持续所需的持续时间。特别是在远程或离岸风力涡轮机的情况下，这些方面大大增加了风力涡轮机的操作成本。

6、因此，本发明的一个目的是提供一种为风力涡轮机辅助设备供电的手段，该手段避免了上述问题。

7、这个目的通过所要求保护的辅助电源装置、所要求保护的风力涡轮机以及所要求保护的操作风力涡轮机的方法来实现。

技术实现思路

1、在下文中，应当理解，风力涡轮机的辅助电源用于在没有任何其他电源(诸如电网)的情况下向风力涡轮机的辅助设备供应功率。

2、根据本发明，辅助电源装置包括被配置成供应风力涡轮机的辅助设备所需的平均功率的备用电源；以及能量存储单元，其被配置成覆盖辅助设备的峰值功率需求，或者被配置成在覆盖辅助设备的峰值功率需求方面补充备用电源。

3、在本发明的上下文中，“风力涡轮机的辅助设备”包括风力涡轮机自身的永久固定装置以及在安装、调试、维护等阶段期间通过风力涡轮机的电气插座供电的工具和装备。如本文使用的表述“平均功率”应该被理解为在正常(“稳态”)操作期间和在峰值功耗阶段(例如，当设备接通时)期间由辅助设备消耗的功率。设备的峰值功耗通常只持续短的持续时间，并且对平均功率只有小的影响。为此原因，术语“平均功率”和“稳态功率”在本文中可以互换使用。

4、本发明的辅助电源装置的优点在于，辅助电源装置的备用电源可以比现有技术的备用电源小得多，现有技术的备用电源必须自己供应足够的功率来覆盖所有峰值功耗情形。因为与现有技术的备用电源相比，它具有相对低的容量，所以本发明的辅助电源装置的备用电源更轻且更便宜。此外，在备用电源不是风力涡轮机的永久固定装置或设施的情况下，本发明的辅助电源装置的相对低容量的备用电源更容易在短时间内租赁或获得，并且运输到远程或离岸位置还更经济。因为本发明的辅助电源装置的备用电源可以相对较小且轻，所以更容易安装在风力涡轮机现场。

5、此外，由于本发明的辅助电源装置的备用电源的容量显著低于现有技术的备用电源的容量，因此其不需要以常规方式实现，例如它不需要柴油发电机。相反，本发明的辅助电源装置的备用电源可以包括燃气轮机、燃料电池、具有低额定功率和高能量含量的电池、光伏模块、波浪能转换器、压缩空气能量存储模块等中的任何一种。

6、根据本发明，风力涡轮机包括需要电功率的数个永久安装的辅助设备(并且还可能包括数个临时辅助设备)和在风力涡轮机离网操作期间向辅助设备供应功率的本发明的辅助电源装置的实施例。

7、根据本发明，操作风力涡轮机的方法包括以下步骤：检测离网状态；控制辅助电源装置的备用电源以覆盖辅助设备的稳态功耗；以及使能量存储单元放电以覆盖辅助设备的峰值功耗。可以控制备用电源和能量存储单元，使得能量存储单元覆盖辅助设备的峰值功率需求，或者使得能量存储单元在覆盖辅助设备的峰值功率需求方面补充备用电源。

8、如下面的描述中所揭示的，从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合，以给出本文没有描述的进一步的实施例。

9、在下文中，可以假设风力涡轮机是水平轴风力涡轮机，其具有安装到毂的数个转子叶片、安装在塔架上的机舱；和布置在机舱中的发电机。风力涡轮机的辅助设备可以根据它们的目的来分布，例如偏航驱动马达将被布置在塔架的顶部附近，变桨驱动马达将被布置在转子叶片的根端附近，等等。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设风力涡轮机是离岸风力涡轮机。

10、风力涡轮机的永久和/或临时辅助设备在离网状态期间的稳态功耗可以根据经验数据、根据已知操作条件下的功耗预测等来确定。稳态功耗可能受到诸如风向更改频率(需要频繁的偏航角校正)、环境温度(寒冷条件需要更多的加热)、湿度(潮湿条件需要更多的空气调节)、风速(高风速可能需要转子叶片顺桨)、特定工具或一件装备等的使用持续时间等变量的影响。一般来说，随着时间的推移，功耗将在这个“稳态”功率水平附近，当诸如马达的设备突然汲取大量电流时，具有间歇性的功率峰值。

11、不管风力涡轮机的辅助设备如何被提供有功率，功率峰值或瞬时的幅度决定了辅助装置消耗的总功率。现有技术备用电源的容量必须覆盖平均(稳态)功耗以及峰值(瞬时)功耗两者，并且可以被认为是参考容量，根据该参考容量来测量本发明辅助电源装置的备用电源和能量存储单元的容量。在特别优选的实施例中，本发明的辅助电源装置的备用电源的容量是参考容量的最多20％。例如，利用本发明的装置，相对经济且紧凑的30kva柴油发电机组可以在所需的持续时间(24小时、48小时等)内为辅助设备的配置提供备用功率。如果相同配置的辅助设备由从现有技术中已知的单个柴油发电机组供电相同的持续时间，将需要更大且更昂贵的150kva柴油发电机组。

12、在本发明的示例性实施例中，无论是能量存储单元还是备用电源都没有被额定为覆盖辅助设备的峰值功率需求。相反，能量存储单元被配置成在覆盖辅助设备的峰值功率需求方面补充备用电源。这种配置的优点在于，两种电源都不需要针对峰值辅助负载进行额定：备用电源只需要针对稳态功耗进行额定，并且能量存储单元只需要覆盖超出备用电源能力的边际功率需求量。

13、在本发明的优选实施例中，取决于如何实现备用电源，能量存储单元具有量级为5kwh-1 mwh的能量存储容量。在本发明的另一个优选实施例中，取决于如何实现备用电源，能量存储单元被配置成输送量级为50kva–400kva的功率。

14、如上文所指示的，本发明的辅助电源装置的备用电源可以是柴油发电机，其比提供参考功率容量原本所需的柴油发电机更小且更经济。当然，作为柴油发电机实现的备用电源在某些时候需要加燃料。然而，本发明装置的备用电源不需要提供一致或恒定的功率水平，而是可以提供波动的功率水平，只要其平均输送功率不小于辅助装置的稳态功耗。因此，备用电源不必是柴油发电机组，并且替代实现方式是可能的。在本发明的优选实施例中，备用电源可以是波浪发电设备，诸如锚定在离岸风力涡轮机附近的点吸收器浮标。同样，备用电源可以实现为小型燃气轮机、燃料电池、压缩空气系统、大容量可再充电电池、光伏装置等中的任何一种，并且甚至可以包括这种电源单元的任何合适的组合。取决于其能源，备用电源可能基本上是“用不完的”，即它不断地由能源再补充。备用电源可以包括利用由压缩空气、风能、电池模块等供电的电解装置产生的氢的大容量能量存储单元。

15、备用电源的能量存储容量有利地大，并且其功率容量可以有利地低，因为它仅需要覆盖辅助装置的稳态消耗。附加的能量存储单元将确保任何瞬时或峰值功耗被覆盖。

16、本发明的辅助电源装置的能量存储单元可以是能够在短持续时间内提供大量功率的任何设备，因为其目的是覆盖风力涡轮机辅助设备峰值期间的需求量。在本发明的特别优选的实施例中，能量存储单元包括电池装置，诸如锂离子电池系统、超级电容器系统或这种系统的组合。

17、备用电源和能量存储单元一起确保风力涡轮机辅助设备在离网状态期间被提供有它们需要的功率。当然，仅当功率需求量超过备用电力单元所覆盖的功率时，才需要能量存储单元。仅当辅助装置所需的功率超过备用电源在该瞬间输送的功率时，能量存储单元才被部署。备用电源的唯一要求是其“长期平均”略高于辅助装置的稳态平均消耗。每当功耗上升到该稳态水平以上时，能量存储单元可以开始向辅助设备馈送功率，即能量存储单元可以释放功率。这可以通过以适当的配置连接备用电源和能量存储单元来实现。

18、在一个实施例中，能量存储单元与备用电源串联连接，即处直排式布置。在替代实施例中，能量存储单元与备用电源并联连接，即处于线路交互式布置。

19、辅助电源装置的元件优选包括合适的控制器和/或功率电子器件，以响应于系统电压或频率的波动。辅助电源装置的备用电源和能量存储单元优选地共同调节它们的功率输出，以维持稳定的系统电压或频率。辅助装置的功耗波动将导致系统电压或频率的波动，这种波动通过备用电源和能量存储单元的共同性能得到补偿。例如，如果备用电源不能覆盖辅助装置的需求，则控制器和/或功率电子器件响应以发起能量存储单元的放电来弥补不足，由此将系统电压或频率恢复到其标称水平。

20、类似地，如果辅助设备的短时功耗小于由备用电源提供的功率，则能量存储单元将从备用电源再充电，使得在稍后的某个时间点处，它将能够覆盖功率峰值或瞬时的需求量。只要对能量存储单元再充电不降低系统电压或频率，能量存储单元的控制器或调节器将调节再充电程序。

21、在本发明的优选实施例中，风力涡轮机设置有监控单元(包括任何合适的控制器和/或功率电子器件)，该监控单元被配置成监控相关量，诸如辅助装置的功耗、备用电源的容量、能量存储单元的容量等。这种监控单元可以与风力涡轮机控制器通信，风力涡轮机控制器可以适当地发出命令，例如以降低其一个或多个辅助设备的功耗，以便确保风力涡轮机可以继续保持操作，直到电网再次恢复。

22、在本发明的优选实施例中，本发明的辅助电源装置被配置成向多个风力涡轮机供应功率。例如，辅助电源装置的适当规模的实施例可以设置在风电场变电站处，以在电网断电的情况下向所有辅助装置提供备用功率。这种辅助电源装置可以经由穿过风电场的阵列间电缆网络向风力涡轮机辅助装置提供功率。备用电源可包括任何数量的单元，这些单元共同覆盖风力涡轮机的辅助设备的平均功率需求。能量存储装置可以包括任何数量的能量存储单元，它们共同覆盖辅助设备的瞬时功率需求和/或在覆盖辅助设备的瞬时功率需求方面补充备用电源。