CN111009915A - 一种复合储能的双向变换器功率平稳系统 - Google Patents

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李娜
孟克其劳
任永峰
石田宗秋
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Abstract

本发明涉及一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，连接于风力发电系统和负载之间，包括双向功率变换器，所述双向功率变换器包括变换控制器、脉动补偿电路、与变换控制器连接的蓄电池，所述脉动补偿电路包括开关器件、超级电容器，所述超级电容器通过开关器件与变换控制器连接。本发明结合超级电容器和蓄电池，通过Buck/Boost双向变换器并联，同时与风力发电系统、负载相连，控制回流采用PWM控制方式，可稳定系统回路的直流电压，并且利用超级电容器和蓄电池互补的方式提高了蓄电池的使用寿命。

Description

一种复合储能的双向变换器功率平稳系统
技术领域
本发明涉及功率平稳技术领域，特别涉及一种复合储能的双向变换器功率平稳系统。
背景技术
“绿色能源”的开发利用和实现可持续发展目标的不断推进，分布式发电主要依靠风能、太阳能灯新能源发电，与传统能源相比，存在随机性、间歇性等特点，但会有一定的功率波动对电网产生冲击，对电网的安全运行带来了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，结合超级电容器和蓄电池复合储能的方式，提出一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，超级电容器和蓄电池通过Buck/Boost双向变换器并联，同时与风力发电系统、负载相连，控制回流采用PWM控制方式，可稳定系统回路的直流电压，并且利用超级电容器和蓄电池互补的方式提高了蓄电池的使用寿命。
使用超级电容器和蓄电池复合储能的方式应用在分布式发电、电力存储、微电网等领域。从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性，超级电容器功率密度大、充点电效率高、循环寿命长，非常适用于大功率放电和循环充放电的场合，但能量密度相对偏低，还不适用于大规模的电力储能。而蓄电池则相反，其能量密度大，但功率密度小、充放电效率低、循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁放电的适应性不强。超级电容可以弥补蓄电池的不足，提供蓄电池的使用寿命。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，连接于风力发电系统和负载之间，包括双向功率变换器，所述双向功率变换器包括变换控制器、脉动补偿电路、与变换控制器连接的蓄电池，所述脉动补偿电路包括开关器件、超级电容器，所述超级电容器通过开关器件与变换控制器连接。
所述变换控制器改变开关器件的通断，使得风力发电系统给负载供电、给蓄电池充电、给超级电容器充电，或超级电容器给负载和蓄电池供电两种状态交替变化，且使风力发电系统输出的电流在开关器件处进行分离，让直流分量进入蓄电池，脉动分量进入超级电容器。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述开关器件包括开关S1、开关S2，所述开关S1、开关S2分别与变换控制器连接。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述脉动补偿电路还包括电容C1、电容C2、电感L2，所述电容C1与超级电容器并联，所述电容C2与开关S2并联，所述电感L2与超级电容器串联。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述变换控制器包括依次连接的低通滤波器、积分控制器、PWM脉宽调制电路，所述低通滤波器与风力发电系统的输出端连接，所述PWM脉宽调制电路分别与开关S1、开关S2连接。
PWM控制是对脉冲的宽度进行调制的技术，信号的电压和频率通过改变脉冲宽度和周期得到有目的性的控制，简称脉宽调制技术。其工作原理是对等幅脉冲的宽度信息进行调制，通过脉宽调制后的波形是幅值相同的脉冲，用来代替所需要的波形，主要对开关器件的导通与截止状态进行控制。通过对所需波形的频率、周期和脉冲数进行分析，能够准确计算出脉宽调制信号中脉冲之间的间隔和宽度，从而得到稳定的直流输出电压。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述双向功率变换器还包括IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路的输入端与PWM脉宽调制电路的输出端连接，IGBT驱动电路的输出端分别与开关S1、开关S2连接。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述双向功率变换器还包括依次连接的晶体振荡器、第一计数器、第二计数器，所述晶体振荡器与风力发电系统的输出端连接，所述第二计数器与低通滤波器连接。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述双向功率变换器还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接于低通滤波器与积分控制器之间。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述PWM脉宽调制电路与开关S1之间连接有反相器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明结合超级电容器和蓄电池，通过Buck/Boost双向变换器并联，同时与风力发电系统、负载相连，控制回流采用PWM控制方式，可稳定系统回路的直流电压，并且利用超级电容器和蓄电池互补的方式，减少了蓄电池充放电次数，提高了蓄电池的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明双向变换器功率平稳系统模块框图；
图2为本发明双向功率变换器电路原理图；
图3为本发明升压(Buck)状态时双向功率变换器的电路工作原理图；
图4为本发明降压(Boost)状态时双向功率变换器的电路工作原理图；
图5为本发明变换控制器模块框图；
图6为本发明变换控制器详细模块框图；
图7为本发明蓄电池内部等效电路图；
图8为本发明超级电容器内部等效电路图；
图9为本发明积分控制器电路原理图；
图10为本发明PWM脉宽调制电路和IGBT驱动电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，连接于风力发电系统和负载之间，包括双向功率变换器，所述双向功率变换器包括变换控制器、脉动补偿电路、与变换控制器连接的蓄电池，所述脉动补偿电路包括开关器件、超级电容器，所述超级电容器通过开关器件与变换控制器连接。负载分为直流负载和交流负载，直流负载直接与蓄电池连接，交流负载通过逆变器与蓄电池连接。
所述变换控制器改变开关器件的通断，使得风力发电系统给负载供电、给蓄电池充电、给超级电容器充电，或超级电容器给负载和蓄电池供电两种状态交替变化，且使风力发电系统输出的电流在开关器件处进行分离，让直流分量进入蓄电池，脉动分量进入超级电容器
如图2所示，详细来说，脉动补偿电路用于实现变换控制器的升压/降压变化，所述开关器件包括开关S1、开关S2，脉动补偿电路还包括电容C1、电容 C2、电感L2，其中电容C1与超级电容器EDLC并联，电感L2与超级电容器串联，电容C1和电感L2用于防止流入超级电容器的电流突然变化，造成超级电容器的损坏；电容C2与开关S2并联，用于抑制开关器件在关断时产生电流和电压的波动；蓄电池与开关器件之间连接有电抗器L1，电抗器L1和开关器件构成双向斩波电路，控制超级电容器的充放电切换。
如图7所示为蓄电池的内部等效电路图，本实施例中蓄电池选用铅酸蓄电池，其中Cb为铅酸蓄电池的电容，Rp为铅酸蓄电池的动态电阻，R2c为铅酸蓄电池充电时的内阻，R1d为铅酸蓄电池放电时的过电压电阻，Cd为铅酸蓄电池的过电压电容。
如图8所示为超级电容器的内部等效电路图，其中R1为等效串联电阻，对于超级电容器的充放电能力有着重要的影响；R2为等效并联电阻，代表超级电容器的漏电流，对电容的长期储能性能有着重要的影响。
如图5所示为所述双向功率变换器中变换控制器的模块框图，所述变换控制器包括依次连接的低通滤波器、积分控制器、PWM脉宽调制电路，所述PWM脉宽调制电路的输出端分别与开关S1、开关S2连接，其中PWM脉宽调制电路与开关S1之间连接有反相器。
如图2所示为双向功率变换器的电路图，具有升压型(Buck)/降压型(Boost) 两种工作状态。Input为风力发电系统的输出，load等效为负载，is为风力发电系统经整流后输出的电流，is经蓄电池的端点分为ib和ic，ib进入蓄电池，ic进入电抗器L1。低通滤波器LPF提取is进行滤波，除去其中的交流脉动后，得到直流分量ibref，同时提取蓄电池的电流ib，使用ibref减去ib得到误差信号Δib。
当误差信号Δib大于0时，系统处于升压(Boost)状态，此时当PWM脉宽调制电路控制开关S1截止、开关S2导通，如图3(a)所示，电流流动路径为L1-S2， L1中存储部分电能；当控制开关S1导通、开关S2截止，如图3(b)所示，电流流动路径为L1-S1-EDLC，L1会产生反向电动势，并释放存储的电能，同时为超级电容器充电，以吸收波动的功率。
当误差信号Δib小于0时，系统处于降压(Buck)状态，此时当PWM脉宽调制电路控制开关S1导通、开关S2截止，如图4(a)所示，EDLC放电，电流流动路径为EDLC-S1-L1，电磁能量存储在L1中；当控制开关S1截止、开关S2导通且电流减小时，如图4(b)所示，电流流动路径为L1-S2，L1产生反向电动势，释放存储的电磁能量，重复执行降压操作，以保证蓄电池可以近似恒流充电，从而得到稳定的直流输出电压。
更进一步地，所述双向功率变换器还包括晶体振荡器、第一计数器、第二计数器、电压跟随器、IGBT驱动电路，所述晶体振荡器、第一计数器、第二计数器依次连接，且第二计数器的输出端与低通滤波器连接，所述电压跟随器连接于低通滤波器与积分控制器之间，如图9所示为积分控制器电路原理图，所述PWM脉宽调制电路的输出端与IGBT驱动电路连接，所述IGBT驱动电路的输出端分别与开关S1、开关S2连接，反相器连接于PWM脉宽调制电路和IGBT 驱动电路之间，如图10所示为PWM脉宽调制电路和IGBT驱动电路原理图。在 PWM脉冲调制电路处，还接入了三角波发生器。
PWM脉冲调制电路通过改变输入信号的脉冲宽度来实现控制，PWM脉冲调制电路将积分控制器补偿后的调制波与外部三角波发生器产生的三角波进行比较，由此来改变脉宽调制的占空比，从而输出控制信号。脉宽调制控制的占空比(Duty)是指开关器件的导通时间与导通和截止的时间和的比值，通过改变占空比即可实现对开关器件的导通和截止的控制，即：
Figure BDA0002286480360000071
其中t1为开关器件的导通时间，t2为开关器件的截止时间。
当系统处于升压(Boost)状态时，蓄电池两端的电压U1与超级电容器两端的电压U2的关系为：U2＝(1-Duty)U1；当系统处于降压(Buck)状态时，电压U1与U2的关系为：U2＝Duty*U1。因此，可以通过改变占空比来改变蓄电池两端的电压U1(图2中为Vb)，以及改变电抗器L1中的电流。
误差信号Δib通过积分控制器进行信号补偿，假设补偿后的信号经过PWM脉冲调制电路产生两路频率约为30kHz，占空比为0.5的相反控制信号分别控制开关S1和开关S2，从而控制超级电容器的充放电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，连接于风力发电系统和负载之间，其特征在于：包括双向功率变换器，所述双向功率变换器包括变换控制器、脉动补偿电路、与变换控制器连接的蓄电池，所述脉动补偿电路包括开关器件、超级电容器，所述超级电容器通过开关器件与变换控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述开关器件包括开关S1、开关S2，所述开关S1、开关S2分别与变换控制器连接。
3.根据权利要求2所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述脉动补偿电路还包括电容C1、电容C2、电感L2，所述电容C1与超级电容器并联，所述电容C2与开关S2并联，所述电感L2与超级电容器串联。
4.根据权利要求3所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述变换控制器包括依次连接的低通滤波器、积分控制器、PWM脉宽调制电路，所述低通滤波器与风力发电系统的输出端连接，所述PWM脉宽调制电路分别与开关S1、开关S2连接。
5.根据权利要求4所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述双向功率变换器还包括IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路的输入端与PWM脉宽调制电路的输出端连接，IGBT驱动电路的输出端分别与开关S1、开关S2连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述双向功率变换器还包括依次连接的晶体振荡器、第一计数器、第二计数器，所述晶体振荡器与风力发电系统的输出端连接，所述第二计数器与低通滤波器连接。
7.根据权利要求4或5所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述双向功率变换器还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接于低通滤波器与积分控制器之间。
8.根据权利要求4所述的一种复合储能的双向变换器功率平稳系统，其特征在于：所述PWM脉宽调制电路与开关S1之间连接有反相器。
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