CN116111843B - 一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于储能型风电机组的直流‑直流变换电路，储能装置经由软启动电路和DC‑DC变换臂与风电机组直流侧电连接；第一电容和第二电容相互串联，并电连接于储能装置正极和负极之间；第三电容和第四电容相互串联，并电连接于风电机组直流侧的正极和负极之间；正极软启动电路电连接于储能装置正极和第一电容之间；负极软启动电路电连接于储能装置负极和第二电容之间；两个DC‑DC变换臂分别并接有相应的尖峰电压保护电路；正极DC‑DC变换臂和负极DC‑DC变换臂分别独立控制；任何一个DC‑DC变换臂发生故障，则切换到单臂控制模式。本发明有效实现对储能型风电机组直流侧电压的稳定。

Description

一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路
技术领域
本发明属于新能源风电技术领域，具体涉及一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路。
背景技术
风力发电资源的波动性和随机性、发电设备的低抗扰性和弱支撑性对风电高效消纳和电力系统的安全运行提出了严峻挑战。“风电+储能”配置发展模式可有效提升风电对电网稳定的支撑能力，实现风力发电并网从“被动适应和跟随控制”到“主动支撑和自主运行”的转变，提升电网对风电等新能源的消纳能力。在“风电+储能”配置模式中，“风电+储能”分布式配置模式（分布式储能系统接入风电机组的直流侧，组成新型储能型风电机组，见图1）在技术和建设投资经济性等方面具有显著优势。
在储能型风电机组中，直流-直流（DC-DC）变换电路是连接分布式储能装置与风电机组的核心电路，也是实现储能装置与风电机组之间能量交换的唯一通道。由于风电机组和储能装置之间交换功率较大，采用传统DC-DC变换电路需要额定电流容量较大的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），一方面大电流会增加IGBT关断时产生的尖峰电压峰值，造成元件伤损，且会增加IGBT的发热严重，缩短IGBT的使用寿命；另一方面，采用额定电流大的IGBT将显著增加储能型风电机组DC-DC变换电路的成本。同时，传统DC-DC变换电路中任何一个IGBT元件故障，均为导致传统DC-DC变换电路失效而无法正常工作。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，实现对储能型风电机组直流侧电压的稳定，提升了DC-DC电路的可靠性。
本发明采用的技术方案是：一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，包括正极软启动电路、正极DC-DC变换臂、负极软启动电路、负极DC-DC变换臂、正极尖峰电压保护电路、负极尖峰电压保护电路、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；
储能装置正极经由正极软启动电路和正极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的正极电连接；储能装置负极经由负极软启动电路和负极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的负极电连接；第一电容和第二电容相互串联，并电连接于储能装置正极和负极之间；第三电容和第四电容相互串联，并电连接于风电机组直流侧的正极和负极之间；
正极软启动电路电连接于储能装置正极和第一电容之间；负极软启动电路电连接于储能装置负极和第二电容之间；
正极尖峰电压保护电路并接于正极DC-DC变换臂的开关管；负极尖峰电压保护电路并接于负极DC-DC变换臂的开关管；
正极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第一电容与正极软启动电路之间，第二连接端电连接于第三电容与风电机组直流侧的正极之间，第三连接端分别电连接于第一电容与第二电容之间以及第三电容和第四电容之间；
负极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第二电容与负极软启动电路之间，第二连接端电连接于第四电容与风电机组直流侧的负极之间，第三连接端分别电连接于第一电容与第二电容之间以及第三电容和第四电容之间；
正极DC-DC变换臂的第三连接端与负极DC-DC变换臂的第三连接端电连接；
其中，正极软启动电路用于实现储能装置正极与第一电容和正极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；负极软启动电路用于实现储能装置负极与第二电容和负极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂根据控制信号调整第三电容和第四电容两端的电压；所述控制信号基于正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的实时电流和故障信息，以及第三电容和第四电容的实时电压生成；
正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别独立控制；当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，另一个DC-DC变换臂仍然正常工作且该DC-DC变换臂所并接的尖峰电压保护电路投入运行。
上述技术方案中，所述正极DC-DC变换臂包括第一电感、第一开关管、第一二极管、第二开关管和第二二极管；第一电感的一端作为正极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第一开关管的集电极电连接；第一开关管的发射极作为正极DC-DC变换臂的第三连接端；第一二极管的阳极与第一开关管的发射极电连接，第一二极管的的阴极与第一开关管的发射极电连接；第二开关管的发射极与第一开关管的集电极电连接，第二开关管的集电极作为正极DC-DC变换臂的第二连接端；第二二极管的阳极与第二开关管的发射极电连接；第二二极管的阴极与第二开关管的集电极电连接；第一开关管和第二开关管的基极用于接收控制信号，根据控制信号进行第一开关管和第二开关管的状态切换；
所述负极DC-DC变换臂包括第二电感、第三开关管、第三二极管、第四开关管和第四二极管；第二电感的一端作为负极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第三开关管的集电极电连接；第三开关管的发射极作为负极DC-DC变换臂的第三连接端；第三二极管的的阳极与第三开关管的发射极电连接，第三二极管的的阴极与第三开关管的发射极电连接；第四开关管的发射极与第三开关管的集电极电连接，第四开关管的集电极作为负极DC-DC变换臂的第二连接端；第四二极管的阳极与第四开关管的发射极电连接；第四二极管的阴极与第四开关管的集电极电连接；第三开关管和第四开关管的基极用于接收控制信号，根据控制信号进行第三开关管和第四开关管的状态切换。
上述技术方案中，正极尖峰电压保护电路与第二开关管相并联；所述正极尖峰电压保护电路包括依次串联的第一开关、第三电阻和第五电容；第一开关与第二开关管的发射极电连接，第五电容与第二开关管集电极电连接；当负极DC-DC变换臂发生故障时，第一开关闭合；
负极尖峰电压保护电路与第四开关管相并联；所述负极尖峰电压保护电路包括依次串联的第二开关、第四电阻和第六电容；第二开关与第四开关管的发射极电连接，第六电容与第四开关管集电极电连接；当正极DC-DC变换臂发生故障时，第二开关闭合。
上述技术方案中，正极软启动电动包括第一单刀三掷开关，其动端与储能装置正极电连接，其第一触点经第一电阻与第一电容电连接，其第二触点直接与第一电容电连接，其第三触点断路；
负极软启动电动包括第二单刀三掷开关，其动端与储能装置负极电连接，其第一触点经第二电阻与第二电容电连接，其第二触点直接与第二电容电连接，其第三触点断路。
上述技术方案中，当储能型风电机组启动后，闭锁正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第一触点，储能装置为第一电容和第三电容充电；当第一电容和和第二电容的端电压达到预设值后，解锁正极负极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，并切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第二触点；当需断开风电机组直流侧与储能装置连接时，切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第三触点。
上述技术方案中，所述控制信号的生成过程包括：基于正极DC-DC变换臂控制电流参考指令与正极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制正极DC-DC变换臂的触发脉；
基于负极DC-DC变换臂控制电流参考指令与负极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制负极DC-DC变换臂的触发脉冲。
上述技术方案中，所述控制信号的生成过程还包括：当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，控制发生故障的DC-DC变换臂的开关管闭锁，控制另一个DC-DC变换臂的开关管保持导通状态；基于未故障的DC-DC变换臂控制电流参考指令和该DC-DC变换臂实时电流差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制该DC-DC变换臂的触发脉冲。
上述技术方案中，当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，直流-直流变换电路的电流将瞬间转移到另一个正常运行的DC-DC变换臂并产生较大尖峰电压；该极DC-DC变换臂相应的尖峰电压保护电路用于感应电流，通过尖峰电压保护电路内相应的电阻消耗部分能量，通过尖峰电压保护电路内相应的电容转移部分能量。
上述技术方案中，适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路的控制目标为维持风电机组直流侧电压在目标值U Cref；根据目标值U Cref与实时值U C的差值，经过PI调节器得到DC-DC变换电路的总电流参考指令i ref；
当正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂均正常运行时；正极DC-DC变换臂控制电流参考指令i L1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令i L2ref按照下式进行分配：
Figure SMS_1
其中，UC3为第三电容的实时电压值，UC4为第四电容的实时电压值；U C=UC3+UC4；
上述技术方案中，当正极DC-DC变换臂或者负极DC-DC变换臂发生故障时，正极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL2ref按照下式确定：
Figure SMS_2
负极DC-DC变换臂故障
Figure SMS_3
正极DC-DC变换臂故障 。
本发明的有益效果是：本发明所提出的新型DC-DC变换电路具有较好的经济性。由于正极、负极DC-DC变换臂采用相互独立控制策略，两者共同分担储能装置和储能型风电机组之间的能量传递，因此可采用额定容量较小的开关管，减少了DC-DC变换电路的硬件成本。本发明所提出的基于双环独立解耦的DC-DC变换电路控制方法提升了DC-DC变换电路的可靠性。一方面，正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂相互独立解耦控制可实现第三电容和第四电容两端电压的均衡；另一方面，任何一个DC-DC变换臂发生故障后，电路控制策略自动由正常运行模式切换到暂态控制模式，电流指令在暂态控制模式（即单臂控制模式）中进行了自动调整，能够无缝切换到单臂控制模式，实现对储能型风电机组直流侧电压的稳定，提升了DC-DC电路的可靠性。本发明所提出的尖峰电压保护电路能够在极端情况下卸载尖峰电压产生的暂态能量，提升了DC-DC变换电路的抗扰动性和安全性。本发明所提出的软启动电路，实现了储能装置和风电机组连接过程中电容C1和C2的电压变化平缓过程，保证电路的安全性；并在电容C1和C2后才导通DC-DC变换臂，强化了储能储能装置和风电机组连接过程的稳定性。
进一步的，本发明提出了正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的电路结构，实现对风电机组直流侧电压的有效控制的同时，保证了两个桥臂单独控制的可行性和准确性，并提供了多种工作模式以适应不同的电流变化场景。
进一步的，本发明提出了尖峰电压保护电路的电路结构，有效保证，在产生尖峰电压时对开关管进行保护。
进一步的，本发明提出了三触点形式的软启动电路，通过软启动电路的连接方式切换提供了储能装置与风电机组连接侧在连接与切断之间的中间状态，保证了储能装置与风电机组连接过程的安全性。
进一步的，本发明的两个DC-DC变换臂正常工作时，正极DC-DC变换臂的控制信号基于第四电容的电压生成，负极DC-DC变换臂的的控制信号基于第三电容的电压生成，充分考虑了考虑正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂之间通信时延和响应差异性造成的电容C3和C4两端电压不一致问题，进一步提高了控制效率。
进一步的，当一个DC-DC变换臂故障后，通过调整正常状态下的DC-DC变换臂的控制电流参考指令，使相应的电容电压满足风电机组直流侧的需求，保障系统的稳定运行的同时实现了无缝切换，提高了整体的控制效率。
附图说明
图1为现有技术中储能型风电机组的示意图；
图2为本发明的电路示意图；
图3为本发明的工作模式1示意图；
图4为本发明的工作模式2示意图；
图5为本发明的工作模式3示意图；
图6为本发明的工作模式4示意图；
图7为本发明的工作模式5示意图；
图8为本发明的工作模式6示意图；
图9为本发明的工作模式7示意图；
图10为本发明的工作模式8示意图；
图11为本发明的工作模式9示意图；
图12为本发明的工作模式10示意图；
图13为本发明的控制策略示意图；
图14为应用本具体实施例的储能型风电机组直流母线电压示意图；
图15为应用本具体实施例的第三电容电压示意图；
图16为应用本具体实施例的第四电容电压示意图；
图17为应用本具体实施例的正极变换臂电流波形示意图；
图18为应用本具体实施例的负极变换臂电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图2所示，本发明一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，包括正极软启动电路、正极DC-DC变换臂、负极软启动电路、负极DC-DC变换臂、正极尖峰电压保护电路、负极尖峰电压保护电路、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4；
储能装置正极经由正极软启动电路和正极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的正极电连接；储能装置负极经由负极软启动电路和负极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的负极电连接；第一电容C1和第二电容C2相互串联，并电连接于储能装置正极和负极之间；第三电容C3和第四电容C4相互串联，并电连接于风电机组直流侧的正极和负极之间；
正极软启动电路电连接于储能装置正极和第一电容C1之间；负极软启动电路电连接于储能装置负极和第二电容C2之间；正极尖峰电压保护电路并接于正极DC-DC变换臂的开关管；负极尖峰电压保护电路并接于负极DC-DC变换臂的开关管；
正极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第一电容C1与正极软启动电路之间，第二连接端电连接于第三电容C3与风电机组直流侧的正极之间，第三连接端分别电连接于第一电容C1与第二电容C2之间以及第三电容C3和第四电容C4之间；
负极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第二电容C2与负极软启动电路之间，第二连接端电连接于第四电容C4与风电机组直流侧的负极之间，第三连接端分别电连接于第一电容C1与第二电容C2之间以及第三电容C3和第四电容C4之间；
正极DC-DC变换臂的第三连接端与负极DC-DC变换臂的第三连接端电连接；
其中，正极软启动电路用于实现储能装置正极与第一电容C1和正极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；负极软启动电路用于实现储能装置负极与第二电容C2和负极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂根据控制信号调整内部电流状态从而控制第三电容和第四电容两端的电压；所述控制信号基于正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的实时电流和故障信息，以及第三电容和第四电容的实时电压生成。正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别独立控制；当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，另一个DC-DC变换臂仍然正常工作且该DC-DC变换臂所并接的尖峰电压保护电路投入运行。
正极DC-DC变换臂、负极DC-DC变换臂均由一个电感，两个开关管和两个二极管构成。正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别实现储能型风电机组直流侧正极电压和负极电压变换。
具体地，所述正极DC-DC变换臂包括第一电感L1、第一开关管S1、第一二极管VD1、第二开关管S2和第二二极管VD2；第一电感L1的一端作为正极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第一开关管S1的集电极电连接；第一开关管S1的发射极作为正极DC-DC变换臂的第三连接端；第一二极管VD1的的阳极与第一开关管S1的发射极电连接，第一二极管VD1的的阴极与第一开关管S1的发射极电连接；第二开关管S2的发射极与第一开关管S1的集电极电连接，第二开关管S2的集电极作为正极DC-DC变换臂的第二连接端；第二二极管VD2的阳极与第二开关管S2的发射极电连接；第二二极管VD2的阴极与第二开关管S2的集电极电连接；第一开关管S1和第二开关管S2的基极用于接收控制信号；根据控制信号进行第一开关管和第二开关管的状态切换。
所述负极DC-DC变换臂包括第二电感L2、第三开关管S3、第三二极管VD3、第四开关管S4和第四二极管VD4；第二电感L2的一端作为负极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第三开关管S3的集电极电连接；第三开关管S3的发射极作为负极DC-DC变换臂的第三连接端；第三二极管VD3的的阳极与第三开关管S3的发射极电连接，第三二极管VD3的的阴极与第三开关管S3的发射极电连接；第四开关管S4的发射极与第三开关管S3的集电极电连接，第四开关管S4的集电极作为负极DC-DC变换臂的第二连接端；第四二极管VD4的阳极与第四开关管S4的发射极电连接；第四二极管VD4的阴极与第四开关管S4的集电极电连接；第三开关管S3和第四开关管S4的基极用于接收控制信号，根据控制信号进行第三开关管和第四开关管的状态切换。
具体地，正极尖峰电压保护电路与第二开关管S2相并联；所述正极尖峰电压保护电路包括依次串联的第一开关K1、第三电阻R3和第五电容C5；第一开关K1与第二开关管S2的发射极电连接，第五电容C5与第二开关管S2集电极电连接；当负极DC-DC变换臂发生故障时，第一开关闭合；
负极尖峰电压保护电路与第四开关管S4相并联；所述负极尖峰电压保护电路包括依次串联的第二开关K2、第四电阻R4和第六电容C6；第二开关K2与第四开关管S4的发射极电连接，第六电容C6与第四开关管S4集电极电连接；当正极DC-DC变换臂发生故障时，第二开关闭合。
第三电阻R3和第四电阻R4为卸载保护电阻。当正极DC-DC变化臂、负极DC-DC变化臂其中一个发生故障时，非故障极DC-DC变化臂在大电流运行工况下可能产生较大暂态尖峰电压时，此时相应的尖峰电压保护电路能够卸载相应桥臂能量，起到保护开关管（S2、S4）和机组直流端电容（C3、C4）的功能。
具体地，正极软启动电动包括第一单刀三掷开关SW1，其动端与储能装置正极电连接，其第一触点经第一电阻R1与第一电容C1电连接，其第二触点直接与第一电容C1电连接，其第三触点断路；
负极软启动电动包括第二单刀三掷开关SW2，其动端与储能装置负极电连接，其第一触点经第二电阻R2与第二电容C2电连接，其第二触点直接与第二电容C2电连接，其第三触点断路。第一电阻R1和第二电阻R2为软启动电阻。软启动电路的主要作用是实现储能装置软启动和退出。
本发明还包括控制器，所述控制器用于实时接收正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的电流值、第三电容的电压值、第四电容的电压值、正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的故障信息，并基于外部指令确定风电机组直流侧电压目标值。
控制器根据风电机组直流侧电压目标值与第三电容与第四电容的电压值之和的差值，经过PI调节器得到正极DC-DC变换电路的总电流参考指令，并基于正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的故障信息和第三电容的电压值、第四电容的电压值，将总电流参考指令分配成正极DC-DC变换臂控制电流参考指令和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令。
控制器进而基于正极DC-DC变换臂控制电流参考指令和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令与正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的电流值，分别对正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制相应的DC-DC变换臂开关管的触发脉冲，作为控制信号。
所述控制器还根据正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的故障信息生成第一开关和第二开关的控制信号。
所述控制器还根据外部指令和第一电容和第二电容的电压信息，生成第一单刀三掷开关SW1和第二单刀三掷开关SW3的驱动信号，实现第一单刀三掷开关SW1和第二单刀三掷开关SW3在3个相应触点间的切换。
具体地，当储能型风电机组启动后，闭锁正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，切换第一单刀三掷开关SW1和第二单刀三掷开关SW2至第一触点，储能装置缓慢为第一电容C1和第三电容C3充电；当第一电容C1和和第二电容C2的端电压达到预设值后，解锁正极负极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，并切换第一单刀三掷开关SW1和第二单刀三掷开关SW2至第二触点；当需断开风电机组直流侧与储能装置连接时，切换第一单刀三掷开关SW1和第二单刀三掷开关SW2至第三触点。
DC-DC变换臂直接连接储能装置直流侧和风电机组直流侧，实现储能装置和风电机组之间的能量交换。为了提升DC-DC变换电路的可靠性，提出了基于双环解耦策略的DC-DC变换电路控制方法，如图13所示。即正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别独立控制，当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，另一个DC-DC变换臂仍可正常工作。
当正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂均正常运行时，正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别独立控制：基于正极DC-DC变换臂控制电流参考指令与正极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制并采用PI调制产生的PWM调试指令控制正极DC-DC变换臂的触发脉冲，基于负极DC-DC变换臂控制电流参考指令与负极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制并采用PI调制产生的PWM调试指令控制负极DC-DC变换臂的触发脉冲。
当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，控制发生故障的DC-DC变换臂的开关管闭锁，另一个DC-DC变换臂仍然正常工作；基于正常运行的DC-DC变换臂控制电流参考指令和该DC-DC变换臂实时电流差值进行PI调制并采用PI调制产生的PWM调试指令控制该DC-DC变换臂的触发脉冲。
当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，直流-直流变换电路的电流将瞬间转移到另一个正常运行的DC-DC变换臂并产生较大尖峰电压；该极DC-DC变换臂相应的尖峰电压保护电路用于感应电流，通过尖峰电压保护电路内相应的电阻消耗部分能量，通过尖峰电压保护电路内相应的电容转移部分能量。
优选地，适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路的控制目标为维持风电机组直流侧电压在目标值U Cref（目标值由人为提前设定，对于一台储能型风电机组其值是默认值）；根据目标值U Cref与实时值U C的差值，经过PI调节器产生DC-DC变换电路的总电流参考指令i ref；
当正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂均正常运行时；正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂采用相互独立控制策略，同时考虑正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂之间通信时延和响应差异性造成的电容C3和C4两端电压不一致问题，正极DC-DC变换臂控制电流参考指令i L1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令i L2ref按照下式进行分配，从而实现电容C3和C4两端电压的均衡：
Figure SMS_4
其中，UC3为第三电容的实时电压值，UC4为第四电容的实时电压值；U C=UC3+UC4。
正极、负极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL1ref和iL2ref分别和对应正极、负极DC-DC变换臂的实时电流iL1和iL2的差值，经过PI调节器后产生PWM调试指令并分别产生正极、负极DC-DC变换臂的触发脉冲。所述实时电流iL1和iL2分别表示流经第一电感L1和第二电感L2的实时电流。
需强调的是，正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂采用相互独立控制策略，相当于DC-DC变换电路控制电流在正极和负极DC-DC变换臂中进行了均分，开关管所需额定电流容量变小，DC-DC变换电路可选择成本较低的开关管。
具体地，在异常运行模式下，当正极DC-DC变换臂或者负极DC-DC变换臂发生故障时，任何一个变换臂发生故障，均能由正常运行模式无缝切换到故障运行模式（单臂运行模式），承担储能性风电机组直流侧电压的控制任务。正极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL2ref按照下式确定：
Figure SMS_5
负极DC-DC变换臂故障
Figure SMS_6
正极DC-DC变换臂故障 。
异常运行情况下，故障极DC-DC变换臂闭锁开关管触发脉冲，正常极DC-DC变换臂控制电流参考指令和正常极DC-DC变换臂实时电流差值经过PI控制器产生PWM调试指令并产生相应触发脉冲。
当任何一个正极、负极DC-DC变换臂发生故障时，DC-DC变换电路控制电流将瞬间转移到正常运行极DC-DC变换臂并产生较大尖峰电压。由于尖峰电压保护电路存在，尖峰电压将在保护电路中感应出较大电流，一方面通过保护电阻消耗部分能量，同时保护电路电容转移部分能量，从而卸载所产生暂态能量，起到保护开关管的作用，提升了DC-DC变换电路的抗扰动性和安全性。尖峰电压保护电路的工作原理如下式：
Figure SMS_7
其中UiJP是产生的尖峰电压，iCi是保护电路电容电流。C表示第五电容C5或者第六电容C6。R表示第三电阻R3或者第四电容R4；E表示保护电阻消耗的能量。卸载暂态能量有两个去路：一是电容C转移部分能量；二是保护电阻R消耗部分能量。通过这两个卸载所产生暂态能量的措施，起到保护正极、负极DC-DC变换臂开关管的作用，提升了DC-DC变换电路的抗扰动性和安全性。
本发明的具体实施例以图1所示的储能型风电机组为例，验证所提出新型直流-直流变换拓扑电路的有效性。
由图14可知，具体实施例所提出的直流-直流变换电路能稳定维持直流母线电压在1.0 p.u。如图15、图16所示，所设计的控制策略实现了电容C3和C4的电压均衡。由图17和图18可知，正常运行情况下储能与风电机组之间的功率由正极变换臂和负极变换臂平均分担。0.1s时刻负极变换臂发生故障，储能与风电机组之间的功率交换由正极变换臂单独承担，且仍然能够维持直流母线电压在1.0 p.u。
在正常工作状态和暂态工作状态（即任一极DC-DC变换臂发生故障的状态）下，根据正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的工作模式均取决于开关管S1-S4的开关导通状态和二极管VD1-VD4的续流状态。二极管VD1-VD4的续流状态由开关管S1-S4的开关导通状态决定，开关管S1-S4的开关导通状态由控制信号决定。
根据开关管工作状态情况，DC-DC变换电路主要有如下集中工作模式：
（1）当正极、负极DC-DC变化臂均处于正常运行工况下时的4种工作模式：
工作模式1：如图3所示，第一开关管S1、第三开关管S3导通, 第二开关管S2、第四开关管S4关断；第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4均关断；正极、负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第二电感L2、第三电容C3、第四电容C4放电；第一电容C1、第二电容C2充电。
工作模式2：如图4所述，第一开关管S1、第三开关管S3、第二开关管S2、第四开关管S4均关断；第一二极管VD1、第三二极管VD3关断，第二二极管VD2、第四二极管VD4导通；正极、负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2放电；第三电容C3、第四电容C4充电。
工作模式3：如图5所示，第一开关管S1、第三开关管S3关断, 第二开关管S2、第四开关管S4导通；第一二极管VD1、第三二极管VD3关断，第二二极管VD2、第四二极管VD4关断；正极、负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2充电；第三电容C3、第四电容C4放电。
工作模式4：如图6所示，第一开关管S1、第三开关管S3导通, 第二开关管S2、第四开关管S4均关断；第一二极管VD1、第三二极管VD3导通，第二二极管VD2、第四二极管VD4关断；正极、负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第二电感L2放电；第一电容C1、第二电容C2充电；第三电容C3、第四电容C4不放电也不充电。
（2）当正极DC-DC变化臂处于正常运行工况下，且负极DC-DC变化臂处于故障运行状态下（即第三开关管和第四开关管在控制信号驱动下均处于闭锁状态）的的6种工作模式，其中第一开关K1在6种工作模式下均处于闭合状态，即正极尖峰保护电路均投入运行。但是在部分工作模式下正极尖峰保护电路没有电流流经，即在第一开关闭合的情况下正极尖峰保护电路没有工作：
工作模式5：如图7所示，第一开关管S1导通,第二开关管S2关断；第三开关管S3、第四开关管S4闭锁；第一二极管VD1、第三二极管VD3、第二二极管VD2、第四二极管VD4均关断；正极尖峰保护电路没有工作，负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1放电，第一电容C1充电。
工作模式6：如图8所示，第一开关管S1、 第二开关管S2关断；第三开关管S3、第四开关管S4闭锁；第二二极管VD2导通，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第四二极管VD4均关断；正极尖峰保护电路没有工作，负极尖峰保护电路未投入运行；电感L1、电容C1放电；电容C3充电。
工作模式7：如图9所示，第一开关管S1、 第二开关管S2关断；第三开关管S3、第四开关管S4闭锁；第二二极管VD2导通，第一二极管VD1、第三二极管VD3、第四二极管VD4均关断；正极尖峰保护电路有电流流经故正常工作，负极尖峰保护电路未投入运行，第一电感L1、第一电容C1放电；第三电容C3、第五电容C5充电。
工作模式8：如图10所示，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通；第三开关管S3、第四开关管S4闭锁；二极管VD1、VD2、VD3、VD4均关断；正极尖峰保护电路没有工作，负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第一电容C1充电；第三电容C3放电。
工作模式9：如图11所示，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通；第三开关管S3 、第四开关管S4闭锁；第一二极管VD1、第三二极管VD3导通，第二二极管VD2、第四二极管VD4均关断，；正极尖峰保护电路有电流流经故正常工作，负极尖峰保护电路未投入运行；第一电感L1、第一电容C1、第五电容C5充电；第三电容C3放电。
工作模式10：如图12所示，第一开关管S1、第二开关管S2关断；第三开关管S3 、第四开关管S4闭锁；第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4均关断，第一二极管VD1导通；正极尖峰保护电路没有工作，负极尖峰保护电路未投入运行；第一电容C1充电；第一电感L1、第三电容C3放电。
同理，当正极DC-DC变换臂因为故障退出运行时，负极DC-DC变换臂同样有上述6种相同原理的工作模式。图3-图12中位于虚线方框中的开关器件表示其处于断开或者非导通/通电状态或者该器件没有电流流经，带有箭头的虚线表示电流方向。
上述16种工作模式的切换和使用均通过控制信号所产生的相应的开关管触发脉冲的实现。控制器根据第三电容和第四电容的实时电压值，调整正极DC-DC变化臂和负极DC-DC变化臂内的电流状态，进而调整第三电容和第四电容的电压值，使两者之和能够满足风电机组直流侧目标值的需求。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：包括正极软启动电路、正极DC-DC变换臂、负极软启动电路、负极DC-DC变换臂、正极尖峰电压保护电路、负极尖峰电压保护电路、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；
储能装置正极经由正极软启动电路和正极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的正极电连接；储能装置负极经由负极软启动电路和负极DC-DC变换臂与风电机组直流侧的负极电连接；第一电容和第二电容相互串联，并电连接于储能装置正极和负极之间；第三电容和第四电容相互串联，并电连接于风电机组直流侧的正极和负极之间；
正极软启动电路电连接于储能装置正极和第一电容之间；负极软启动电路电连接于储能装置负极和第二电容之间；
正极尖峰电压保护电路并接于正极DC-DC变换臂的开关管；负极尖峰电压保护电路并接于负极DC-DC变换臂的开关管；
正极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第一电容与正极软启动电路之间，第二连接端电连接于第三电容与风电机组直流侧的正极之间，第三连接端分别电连接于第一电容与第二电容之间以及第三电容和第四电容之间；
负极DC-DC变换臂的第一连接端电连接于第二电容与负极软启动电路之间，第二连接端电连接于第四电容与风电机组直流侧的负极之间，第三连接端分别电连接于第一电容与第二电容之间以及第三电容和第四电容之间；
正极DC-DC变换臂的第三连接端与负极DC-DC变换臂的第三连接端电连接；
其中，正极软启动电路用于实现储能装置正极与第一电容和正极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；负极软启动电路用于实现储能装置负极与第二电容和负极DC-DC变换臂的电连接状态的切换；正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂根据控制信号调整内部电流状态从而控制第三电容和第四电容两端的电压；所述控制信号基于正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的实时电流和故障信息，以及第三电容和第四电容的实时电压生成；
正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂分别独立控制；当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，另一个DC-DC变换臂仍然正常工作，且正常工作的DC-DC变换臂所并接的尖峰电压保护电路投入运行。
2.根据权利要求1所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：所述正极DC-DC变换臂包括第一电感、第一开关管、第一二极管、第二开关管和第二二极管；第一电感的一端作为正极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第一开关管的集电极电连接；第一开关管的发射极作为正极DC-DC变换臂的第三连接端；第一二极管的的阳极与第一开关管的发射极电连接，第一二极管的的阴极与第一开关管的发射极电连接；第二开关管的发射极与第一开关管的集电极电连接，第二开关管的集电极作为正极DC-DC变换臂的第二连接端；第二二极管的阳极与第二开关管的发射极电连接；第二二极管的阴极与第二开关管的集电极电连接；第一开关管和第二开关管的基极用于接收控制信号，根据控制信号进行第一开关管和第二开关管的状态切换；
所述负极DC-DC变换臂包括第二电感、第三开关管、第三二极管、第四开关管和第四二极管；第二电感的一端作为负极DC-DC变换臂的第一连接端，另一端与第三开关管的集电极电连接；第三开关管的发射极作为负极DC-DC变换臂的第三连接端；第三二极管的的阳极与第三开关管的发射极电连接，第三二极管的的阴极与第三开关管的发射极电连接；第四开关管的发射极与第三开关管的集电极电连接，第四开关管的集电极作为负极DC-DC变换臂的第二连接端；第四二极管的阳极与第四开关管的发射极电连接；第四二极管的阴极与第四开关管的集电极电连接；第三开关管和第四开关管的基极用于接收控制信号，根据控制信号进行第三开关管和第四开关管的状态切换。
3.根据权利要求2所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：正极尖峰电压保护电路与第二开关管相并联；所述正极尖峰电压保护电路包括依次串联的第一开关、第三电阻和第五电容；第一开关与第二开关管的发射极电连接，第五电容与第二开关管集电极电连接；当负极DC-DC变换臂发生故障时，第一开关闭合；
负极尖峰电压保护电路与第四开关管相并联；所述负极尖峰电压保护电路包括依次串联的第二开关、第四电阻和第六电容；第二开关与第四开关管的发射极电连接，第六电容与第四开关管集电极电连接；当正极DC-DC变换臂发生故障时，第二开关闭合。
4.根据权利要求2所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：正极软启动电动包括第一单刀三掷开关，其动端与储能装置正极电连接，其第一触点经第一电阻与第一电容电连接，其第二触点直接与第一电容电连接，其第三触点断路；
负极软启动电动包括第二单刀三掷开关，其动端与储能装置负极电连接，其第一触点经第二电阻与第二电容电连接，其第二触点直接与第二电容电连接，其第三触点断路。
5.根据权利要求4所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：当储能型风电机组启动后，闭锁正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第一触点，储能装置为第一电容和第三电容充电；当第一电容和和第二电容的端电压达到预设值后，解锁正极负极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂的开关管触发脉冲，并切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第二触点；当需断开风电机组直流侧与储能装置连接时，切换第一单刀三掷开关和第二单刀三掷开关至第三触点。
6.根据权利要求5所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：所述控制信号的生成过程包括：
基于正极DC-DC变换臂控制电流参考指令与正极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制正极DC-DC变换臂的触发脉；
基于负极DC-DC变换臂控制电流参考指令与负极DC-DC变换臂实时电流的差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制负极DC-DC变换臂的触发脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：所述控制信号的生成过程还包括：当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，控制发生故障的DC-DC变换臂的开关管闭锁，控制另一个DC-DC变换臂的开关管保持导通状态；基于未故障的DC-DC变换臂控制电流参考指令和该DC-DC变换臂实时电流差值进行PI调制，并采用PI调制产生的PWM调试指令控制该DC-DC变换臂的触发脉冲。
8.根据权利要求3所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：当其中一个DC-DC变换臂发生故障时，直流-直流变换电路的电流将瞬间转移到另一个正常运行的DC-DC变换臂并产生较大尖峰电压；该极DC-DC变换臂相应的尖峰电压保护电路用于感应电流，通过尖峰电压保护电路内相应的电阻消耗部分能量，通过尖峰电压保护电路内相应的电容转移部分能量。
9.根据权利要求7所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路的控制目标为维持风电机组直流侧电压在目标值UCref；根据目标值UCref与实时值UC的差值，经过PI调节器得到DC-DC变换电路的总电流参考指令iref；
当正极DC-DC变换臂和负极DC-DC变换臂均正常运行时；正极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL2ref按照下式进行分配：
Figure FDA0004252320420000041
其中，UC3为第三电容的实时电压值，UC4为第四电容的实时电压值；UC＝UC3+UC4。
10.根据权利要求9所述的一种适用于储能型风电机组的直流-直流变换电路，其特征在于：
当正极DC-DC变换臂或者负极DC-DC变换臂发生故障时，正极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL1ref和负极DC-DC变换臂控制电流参考指令iL2ref按照下式确定：
Figure FDA0004252320420000042
负极DC-DC变换臂故障/>
Figure FDA0004252320420000043
正极DC-DC变换臂故障。
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