CN203326689U - 风力发电机组的锂电储能控制器 - Google Patents

Abstract

风力发电机组的锂电储能控制器，包括整流电路和与其相连接的降压斩波电路，降压斩波电路通过一个换流开关管接入锂电池，还包括电容缓冲电路及相应的控制电路，电容缓冲电路接入降压斩波电路的输出端；所述的相应的控制电路包括PLC控制单元，所述PLC控制单元包括分段充电控制电路，用以控制锂电池充电先恒流再恒压的充电过程的进行；动态补偿缓存控制电路，用以对缓冲电路进行蓄能和补偿的工作过程进行控制，还包括逻辑判断单元，用以控制整个主干路换流开关的通断。使用本实用新型不仅可以保证锂电池充电的安全有效的进行，而且可以在低风速风机输出功率过小的时候也对能量进行缓冲储存，大大提高了风力发电机组的能量转换效率。

Description

风力发电机组的锂电储能控制器

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电储能设备用控制器，尤其是一种离网直驱式风力发电机用的锂电池储能控制器。

背景技术

当今世界能源危机日益加重，伴随着化石能源的过度使用，环境问题也日益凸现。因此各国政府也开始寻求各类清洁能源的开发，其中以风能、太阳能、核能等新形式清洁能源成为了人们目前关注和开发的重点。相对比较不同形式的新能源特点，风能开发以其低成本、高安全、可大规模发展等优势成为了目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式。

风力发电是由风轮或风叶吸收不稳定的自然界风能并将其转换为旋转的机械能，再通过发电机将机械能转换为电能。当风速介于风力发电机的启动风速和切入风速之间时，常采取的方法是使风力发电机处于非工作状态，这样就不能有效地利用自然界低风速区的风能资源。离网直驱式风力发电机可在全风速工作区将风力机所带来的机械能转换为电能，但在低风速区所产生电参数如电压和功率均较低，既不能满足常规用电的需求，也达不到常规化学电池的充电技术要求，从而使得所发出的电能不能有效使用。

另外，离网直驱式风力发电机能在较大风速范围内运行工作，随着风能资源的大小变化使得发电机转子转速随之变化，致使发电机输出电压和功率等参量随风速的不同而异，在较大的范围内波动。这就需要对风力发电机组的输出电压和电流等特征参数实施必要的调节控制。

2012年10月3日公告的CN 101447760 B中，公开了一种可自动调节离网式垂直轴风力发电机组的电压控制电路，采用可控斩波电路来稳定风力发电机输出的波动电压，通过调整升降压斩波电路占空比来实现恒流充电功能，但其并不能低风速工作状态下的充电储能问题。

2008年3月19日公告的实用新型专利ZL200720012309.8中，公开了一种由整流桥、带有超级电容器的控制开关、电压检测控制电路组成的电压控制器，力图解决风力发电机输出电压小于蓄电池额定充电电压时的蓄电池充电存在的问题。但是，单独以电压作为控制参数，即使电压符合蓄电池的充电要求，当充电电流过小时，仅增加充电次数而不能确保蓄电池实施充电，当长期处于低风速工作区时，势必大幅度降低蓄电池的正常使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种离网直驱式风力发电机用，以电压和电流作为共同控制参数，能够使风力发电机在低风速或者风机输出功率偏大的时候进行储能，并在风机输出功率偏小的时候进行补偿的锂电储能控制器。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：风力发电机组的锂电储能控制器，包括整流电路、降压斩波电路，整流电路的直流输出端连入降压斩波电路的输入端，降压斩波电路的输出端通过一个换流开关管接入锂电池，还包括电容缓冲电路及相应的控制电路，所述电容缓冲电路接入降压斩波电路的输出端；相应的控制电路分别与整流电路、降压斩波电路和缓冲电路相连接。

所述的电容缓冲电路包括一个缓冲电容、两个缓冲电路换流开关管、两个缓冲电路整流二极管、一个滤波电感和一个缓冲电路滤波电容；滤波电感一端接入降压斩波电路的正极输出端，并同时通过第一干路换流开关管的集电极接入整流电路正极输出端的第二干路换流开关管的集电极；滤波电感的另一端分别与两个缓冲电路换流开关管的发射极连接，一个缓冲电路整流二极管的阴极和阳极分别接入第一缓冲电路换流开关管的发射极和集电极，另一个缓冲电路整流二极管的阴极和阳极分别接入第二缓冲电路换流开关管的集电极和发射极，缓冲电路滤波电容的两端分别接入两个缓冲电路换流开关管的集电极，缓冲电容的一端通过采样电阻接入第二缓冲电路换流开关管的集电极，缓冲电容的另一端接入第一缓冲电路换流开关管的集电极。

所述的降压斩波电路包括一个降压斩波电路滤波电容、一个降压斩波电路换流开关管、一个降压斩波电路整流二极管和一个储能电感；所述降压斩波电路滤波电容的一端通过第二干路换流开关管的集电极接入整流电路的正极输出端，降压斩波电路滤波电容另一端接入整流电路的负极输出端；所述降压斩波电路换流开关管的发射极接入第二干路换流开关管的集电极，降压斩波电路换流开关管的集电极分别接入所述降压斩波电路整流二极管的阴极和储能电感的一端，降压斩波电路整流二极管的阳极接入整流电路负极输出端。

所述的相应的控制电路包括PLC控制单元，所述PLC控制单元包括分段充电控制电路、动态补偿缓存控制电路和逻辑判断单元。

所述的分段充电控制电路包括第一分段充电控制比较环节、第二分段充电控制比较环节、第三分段充电控制比较环节和一个饱和环节，第一分段充电控制比较环节的输入端与降压斩波电路正极输出端相连接，用以实时检测充电电压值，并与第一分段充电控制比较环节的输入端输入的参考电压值作比较，第一分段充电控制比较环节的输出端接入饱和环节的输入端；饱和环节的输出端接入第二分段充电控制比较环节的一个输入端子，第二分段充电控制比较环节另一输入端子接入降压斩波电路正极输出端，用以实时检测充电电流值，第二分段充电控制比较环节的输出端接入第三分段充电控制比较环节的一个输入端子；第三分段充电控制比较环节另一输入端子接入高频锯齿波发生器的输出端，第三分段充电控制比较环节的输出端产生降压斩波电路换流开关管的控制信号。以上共同构成双闭环反馈控制。

所述的动态补偿缓存控制电路包括第一补偿缓存控制比较环节、第二补偿缓存控制比较环节和第三补偿缓存控制比较环节，第一补偿缓存控制比较环节的输入端接实时检测的锂电池充电电流信号，第一补偿缓存控制比较环节的输出端接入第二补偿缓存控制比较环节的输入端，第二补偿缓存控制比较环节的输入端还接入实时检测的充电电流信号，第二补偿缓存控制比较环节的输出端接入第三补偿缓存控制比较环节的一个输入端子，第三补偿缓存控制比较环节的另一输入端子接入一个高频锯齿波发生器的输出端，第三补偿缓存控制比较环节通过两个可控开关分别与第一缓冲电路换流开关管和第二缓冲电路换流开关管相连接，所述的两个可控开关的控制端还同时分别与第一补偿缓存控制比较环节的输出端相连接。

所述的整流电路为桥式整流电路，整流二极管为不可控型。

有益效果：

本实用新型采用动态储能补偿原理来设置可以使锂电池充电电流和充电电压符合要求波形的缓冲电路，在锂电池恒流充电阶段，缓冲电路依据预设的充电电流值为参考，实时地将实际检测充电电流值与参考值作比较，利用误差反馈控制换流开关管的占空比来稳定充电电流。当实际充电电流较大时，缓冲电路吸收电流，对缓冲电容进行暂时储能；当实际充电电流较小时，缓冲电路补偿电流，让缓冲电容进行能量补偿。在锂电池恒压充电阶段，缓冲电路仍旧依据预设的充电电流值（不断随时间减少的参考值）为参考，原理同上。从而 解决随机波动的风速带来的发电机不稳定输出问题 ，使得风机的输出电压或输出电流平稳。

在给锂电池充电的分段充电控制电路中，采用双闭环反馈来控制锂电池的充电电流和充电电压，先内环反馈，以恒定的充电电流对锂电池充电，待锂电池单体电压达到4.1V时，控制器退出内环控制，以外环反馈控制锂电池充电电压，使其恒定不变；从而可以防止充电前期过流后期过压而对电池正负极活性物质产生不可修复的损坏，甚至电池爆炸等危险，从而保护了电池，并延长锂电池使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图。

图2是本实用新型具体实施方式的电路原理图。

图3是本实用新型的工作流程状态图。

图中，1、整流电路，2、降压斩波电路，3、电容缓冲电路，301 、变流器，302、缓冲电容，4、充电换流开关，5、锂电池，6、相应的控制电路，601、分段充电控制电路， 602、动态补偿缓存控制电路，603、逻辑判断单元；

U-——充电电压过小，

U——充电电压正常，

U+——充电电压过大，

I--——充电电流过小，

I-——充电电流偏小，

I——充电电流正常，

I+——充电电流偏大，

I++——充电电流过大。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步具体详细的说明。

如图所示，风力发电机组的锂电储能控制器，包括：

整流电路1，所述的整流电路1为桥式整流电路，整流二极管为不可控型；如图2所示，本具体实施例中桥式整流电路1由6个不可控二极管D1、D2、D3、D4、D5、和D6连接组成，整流电路1的交流输入端接入风力发电机的三相输出端。

降压斩波电路2，如图2所示，本具体实施例中降压斩波电路2包括一个降压斩波电路滤波电容C1、一个降压斩波电路换流开关管IGBT S1、一个降压斩波电路整流二极管D7和一个储能电感L1；所述降压斩波电路滤波电容C1的一端通过第二干路换流开关管IGBTVT2的集电极接入整流电路的正极输出端，降压斩波电路滤波电容C1另一端接入整流电路的负极输出端；所述降压斩波电路换流开关管IGBT S1的发射极接入第二干路换流开关管IGBTVT2的集电极，降压斩波电路换流开关管IGBT S1的集电极分别接入所述降压斩波电路整流二极管D7的阴极和储能电感L1的一端，降压斩波电路整流二极管D7的阳极接入整流电路负极输出端。

还包括电容缓冲电路3，所述电容缓冲电路3接入降压斩波电路2的输出端，如图2所示，本具体实施例中，所述的电容缓冲电路3包括一个缓冲电容C3、两个缓冲电路换流开关管IGBT S2和IGBT S3、两个缓冲电路整流二极管D8和D9、一个滤波电感L2和一个缓冲电路滤波电容C2；滤波电感L2一端接入降压斩波电路的正极输出端，并同时通过第一干路换流开关管IGBT VT1的集电极接入整流电路正极输出端的第二干路换流开关管IGBTVT2的集电极；滤波电感L2的另一端分别与两个缓冲电路换流开关管IGBT S2和IGBT S3的发射极连接，一个缓冲电路整流二极管D9的阴极和阳极分别接入第一缓冲电路换流开关管IGBT S3的发射极和集电极，另一个缓冲电路整流二极管D8的阴极和阳极分别接入第二缓冲电路换流开关管IGBT S2的集电极和发射极，缓冲电路滤波电容C2的两端分别接入两个缓冲电路换流开关管IGBT S2和IGBT S3的集电极，以上构成图1中所示的变流器301的电路组成部分；所述缓冲电容C3的一端通过采样电阻R1接入第二缓冲电路换流开关管IGBT S2的集电极，缓冲电容C3的另一端接入第一缓冲电路换流开关管IGBT S3的集电极， 附图1的缓冲电容302在本具体实施例中即为缓冲电容C3。

相应的控制电路6，所述相应的控制电路6分别与整流电路1、降压斩波电路2和电容缓冲电路3相连接；所述的相应的控制电路6包括PLC控制单元，PLC控制单元分别检测充电电流、充电电压等各处支路参数进行工作状态判断，并发出控制信号；所述PLC控制单元包括分段充电控制电路601、动态补偿缓存控制电路602、逻辑判断单元603，如图2所示：

所述的分段充电控制电路601包括第一分段充电控制比较环节U1、第二分段充电控制比较环节U2、第三分段充电控制比较环节U3和一个饱和环节U4，第一分段充电控制比较环节U1的输入端与降压斩波电路正极输出端相连接，用以实时检测充电电压值，并与第一分段充电控制比较环节U1的输入端输入的参考电压值作比较，第一分段充电控制比较环节U1的输出端接入饱和环节U4的输入端；饱和环节U4的输出端接入第二分段充电控制比较环节U2的一个输入端子，第二分段充电控制比较环节U2另一输入端子接入降压斩波电路正极输出端，用以实时检测充电电流值，第二分段充电控制比较环节U2的输出端接入第三分段充电控制比较环节U3的一个输入端子；第三分段充电控制比较环节U3另一输入端子接入高频锯齿波发生器（图中只示出了高频锯齿波的波形）的输出端，第三分段充电控制比较环节U3的输出端产生降压斩波电路换流开关管IGBT S1的控制信号。以上共同构成双闭环反馈控制。所述高频锯齿波可以由PWM脉宽控制器产生，PWM脉宽控制器通过控制提供的脉冲信号在一个周期的导通时间的长短，来调整降压斩波电路的占空比的大小，保持输出先恒流再恒压的充电过程，具体过程如下：

第一分段充电控制比较环节U1将实时检测到的锂电池充电电压值与其输入端输入的参考电压值Uref作比较产生电压误差信号。若此电压误差信号较大，则当其经过饱和环节U4时，饱和环节U4会输出饱和值，若此误差信号较小，则当其经过饱和环节U4时，饱和环节U4会输出随电压误差信号线性变化的控制量。饱和环节U4输出量再与实时检测到的锂电池充电电流信号在第二分段充电控制比较环节U2中进行比较，产生电流误差信号，此电流误差信号与高频锯齿波发生器发出的锯齿波在第三分段充电控制比较环节U3中进行比较，形成PMW脉宽可调的矩形波序列，从而控制降压斩波电路换流开关管S1的导通时间。若此时充电电压较小，且充电电流是在增大，那么降压斩波电路2工作在恒流阶段。处于增大的充电电流，会使脉宽可调的矩形波序列占空比变小来减少降压斩波电路换流开关管S1导通时间，从而减少了降压斩波电路2的输出电流；若此时充电电压较小，且充电电流是在减少，则降压斩波电路2工作在这个恒流阶段时，处于减少的充电电流，会使PMW脉宽可调的矩形波序列占空比增大来延长降压斩波电路换流开关管S1导通时间，从而增大了降压斩波电路2的输出电流；上述过程保证了在充电电压较小的情况下，降压斩波电路2恒流输出。若此时充电电压较大，则降压斩波电路2工作在恒压阶段，饱和环节U4不再输出饱和值，而是随电压误差信号线性变化的控制量，此控制量经过第二分段充电控制比较环节U2和第三分段充电控制比较环节U3共同产生PMW脉宽可调的矩形波序列；若此时充电电压在增大，则此控制量将使控制矩形波序列的占空比减小，以减少斩波电路的输出电压；若此时充电电压在减小，则此控制量将使控制矩形波序列的占空比增大，以增大斩波电路的输出电压。上述过程保证了在充电电压较大的情况下，降压斩波电路恒压输出。

所述的动态补偿缓存控制电路602包括第一补偿缓存控制比较环节U7、第二补偿缓存控制比较环节U5和第三补偿缓存控制比较环节U6，第一补偿缓存控制比较环节U7的输入端接实时检测的锂电池充电电流信号，第一补偿缓存控制比较环节U7的输出端接入第二补偿缓存控制比较环节U5的输入端，第二补偿缓存控制比较环节U5的输入端还接入实时检测的充电电流信号，第二补偿缓存控制比较环节U5的输出端接入第三补偿缓存控制比较环节U6的一个输入端子，第三补偿缓存控制比较环节U6的另一输入端子接入一个高频锯齿波发生器的输出端（图中只示出了高频锯齿波的波形），第三补偿缓存控制比较环节U6通过两个开关SW1 和SW2分别与第一缓冲电路换流开关管IGBT S3和第二缓冲电路换流开关管IGBT S2相连接，所述的两个开关SW1 和SW2的控制端还同时分别与第一补偿缓存控制比较环节U7的输出端相连接。

第一补偿缓存控制比较环节U7接收到实时检测的充电电流信号后，将参考信号输出给第二补偿缓存控制比较环节U5，第二补偿缓存控制比较环节U5的输出端接入第三补偿缓存控制比较环节U6的一个输入端子，第三补偿缓存控制比较环节U6与高频锯齿波发生器输入的高频锯齿波进行比较后，产生脉宽可调的矩形波序列控制信号，然后通过可控开关SW1和可控开关SW2发送控制信号给第一缓冲电路换流开关管IGBTS3和第二缓冲电路换流开关管IGBT S2。第一补偿缓存控制比较环节U7的输出端因为同时还接入可控开关SW1和可控开关SW2的控制端，当第一补偿缓存控制比较环节U7的输出端信号为负值，则可控开关SW1输出低电平，可控开关SW2输出脉宽可调的矩形波序列，此时电容缓冲电路3处于蓄能状态；；当第一补偿缓存控制比较环节U7的输出端信号为正值，则可控开关SW1输出脉宽可调的矩形波序列，可控开关SW2输出低电平，此时电容缓冲电路3处于补偿状态。

所述的逻辑判断单元主要由比较环节构成，实时检测的充电电流信号和充电电压信号，输入误差信号于比较环节，逻辑判断单元发送控制信号给干路换流开关管IGBT VT1、IGBTVT2、充电换流开关IGBTVT3；当风速达不到工作条件时，第二干路换流开关管IGBTVT2关闭，系统不工作；当充电电流或充电电压过大时，充电换流开关管IGBTVT3关闭，进入系统保护；正常充电时，根据检测到的实际电压值和实际电流值，通过控制第一干路换流开关管IGBT VT1的通断调整降压斩波电路输出恒流或恒压。

在风力发电机正常工作时，风力发电机输出能量，经过整流电路变为近似直流电；降压斩波电路输出稳定的直流电，给锂电池分段充电，此时风电机输出功率满足电池功率，无需缓冲器补偿；当处于低风速状态时，或者额定风速下风机输出功率偏大时，缓冲器吸收功率进行蓄能，然后在风机输出功率偏小时，缓冲器输出功率进行补偿，具体工作流程如图3所示：

一、当3m/s≤v≤7 m/s即低风速时，

充电电压过小，即为U-时，

1、若检测到的充电电流过小，即 I-- 时，逻辑判断单元发送关闭信号给第二干路换流开关管IGBTVT2，系统不工作；

2、若检测到的充电电流为偏小I-、正常I、偏大I+、或过大I++的任一情况时，逻辑判断单元发送关闭信号给充电换流开关管IGBTVT3，电池充电停止，缓冲电路吸收风电机的输出功率进行蓄能。

二、当7m/s≤v≤25 m/s，即额定风速时，

1、当充电电压正常，即为U时，

a、若检测到的充电电流过小，即为 I-- 时, 缓冲电路暂时蓄能；

b、若检测到的充电电流偏小，即为I- 时，因为风机输出功率偏小，缓冲电路于是输出功率进行动态补偿；

c、若检测到的充电电流正常，即为I 时，锂电池正常充电；

d、若检测到的充电电流偏大，即为I+ 时，因为风机输出功率偏大，缓冲电路吸收风机的输出功率进行动态蓄能；

e、若检测到的充电电流过大，即为I++ 时，逻辑判断单元发送关闭信号给换流开关管IGBTVT3，电池充电停止，进行过流保护。

2、当充电电压过大，即为U+ 时，

a、若检测到的充电电流为过小I-- 时或偏小I- 时，缓冲电路暂时蓄能；

b、若检测到的充电电流为正常I 、偏大I+ 或过大I++ 时，逻辑判断单元发送关闭信号给充电换流开关管IGBTVT3，电池充电停止，进行过压保护。

三、v≥25 m/s时，系统停止工作，进入保护状态。

Claims (7)

1.风力发电机组的锂电储能控制器，包括整流电路、降压斩波电路，整流电路的直流输出端连入降压斩波电路的输入端，降压斩波电路的输出端通过一个换流开关管接入锂电池，其特征在于：还包括电容缓冲电路及相应的控制电路，所述电容缓冲电路接入降压斩波电路的输出端；相应的控制电路分别与整流电路、降压斩波电路和缓冲电路相连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的电容缓冲电路包括一个缓冲电容、两个缓冲电路换流开关管、两个缓冲电路整流二极管、一个滤波电感和一个缓冲电路滤波电容；滤波电感一端接入降压斩波电路的正极输出端，并同时通过第一干路换流开关管的集电极接入整流电路正极输出端的第二干路换流开关管的集电极；滤波电感的另一端分别与两个缓冲电路换流开关管的发射极连接，一个缓冲电路整流二极管的阴极和阳极分别接入第一缓冲电路换流开关管的发射极和集电极，另一个缓冲电路整流二极管的阴极和阳极分别接入第二缓冲电路换流开关管的集电极和发射极，缓冲电路滤波电容的两端分别接入两个缓冲电路换流开关管的集电极，缓冲电容的一端通过采样电阻接入第二缓冲电路换流开关管的集电极，缓冲电容的另一端接入第一缓冲电路换流开关管的集电极。

3.根据权利要求2 所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的降压斩波电路包括一个降压斩波电路滤波电容、一个降压斩波电路换流开关管、一个降压斩波电路整流二极管和一个储能电感；所述降压斩波电路滤波电容的一端通过第二干路换流开关管的集电极接入整流电路的正极输出端，降压斩波电路滤波电容另一端接入整流电路的负极输出端；所述降压斩波电路换流开关管的发射极接入第二干路换流开关管的集电极，降压斩波电路换流开关管的集电极分别接入所述降压斩波电路整流二极管的阴极和储能电感的一端，降压斩波电路整流二极管的阳极接入整流电路负极输出端。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的相应的控制电路包括PLC控制单元，所述PLC控制单元包括分段充电控制电路、动态补偿缓存控制电路和逻辑判断单元。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的分段充电控制电路包括第一分段充电控制比较环节、第二分段充电控制比较环节、第三分段充电控制比较环节和一个饱和环节，第一分段充电控制比较环节的输入端与降压斩波电路正极输出端相连接，用以实时检测充电电压值，并与第一分段充电控制比较环节的输入端输入的参考电压值作比较，第一分段充电控制比较环节的输出端接入饱和环节的输入端；饱和环节的输出端接入第二分段充电控制比较环节的一个输入端子，第二分段充电控制比较环节另一输入端子接入降压斩波电路正极输出端，第二分段充电控制比较环节的输出端接入第三分段充电控制比较环节的一个输入端子；第三分段充电控制比较环节另一输入端子接入高频锯齿波发生器的输出端，第三分段充电控制比较环节的输出端产生降压斩波电路换流开关管的控制信号。

6.根据权利要求4所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的动态补偿缓存控制电路包括第一补偿缓存控制比较环节、第二补偿缓存控制比较环节和第三补偿缓存控制比较环节，第一补偿缓存控制比较环节的输入端接实时检测的锂电池充电电流信号，第一补偿缓存控制比较环节的输出端接入第二补偿缓存控制比较环节的输入端，第二补偿缓存控制比较环节的输入端还接入实时检测的充电电流信号，第二补偿缓存控制比较环节的输出端接入第三补偿缓存控制比较环节的一个输入端子，第三补偿缓存控制比较环节的另一输入端子接入一个高频锯齿波发生器的输出端，第三补偿缓存控制比较环节通过两个可控开关分别与第一缓冲电路换流开关管和第二缓冲电路换流开关管相连接，所述的两个可控开关的控制端还同时分别与第一补偿缓存控制比较环节的输出端相连接。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组的锂电储能控制器，其特征在于：所述的整流电路为桥式整流电路，整流二极管为不可控型。

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