CN204721004U - 一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源 - Google Patents

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周细文
桂许军
张伟
刘建强
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Abstract

本实用新型公开一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，包括储能单元、功率变换单元及模拟电阻单元，储能单元包括锂电池和超级电容，功率变换单元包括至少一DC/AC变换器和至少一DC/DC变换器，DC/AC变换器和DC/DC变换器在主回路直流侧并联，DC/AC变换器将连接在主回路直流侧的锂电池输出的直流电转换为三相交流电输出到主回路交流侧变压器，DC/DC变换器的输出端经第四交流开关连接锂电池、经第五交流开关连接超级电容、经第三交流开关连接模拟电阻单元。本实用新型集储能与泄能于一体，储能单元的设计大大增强了系统的波动性负载适应能力。

Description

一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源
技术领域
本实用新型涉及风电系统测试领域，特别涉及一种风力发电机组的测试电源。
背景技术
随着世界能源格局的变更，风力发电已成各国竞相研究、发展的热点。风电场基础建设完成后，在接入大电网之前，必须完成水路系统、主控系统、风机电航系统、风电变流器等设备的静态和动态调试，确保发电系统接入大电网后安全无误运行，减少调试时间。风电场大多地处偏远，环境恶劣，要想完成并网前调试工作，需要使用储能逆变电源和模拟电阻单元，前者将存储在储能单元中的电能逆变为调试所需的工频交流电，后者将风力发电机组多余的能量消耗掉。
风机一体化测试电源及其负载（即风力发电机组和风电变流器）可看做一微网，储能逆变电源系统是调节测试电源性能、保证负荷供电质量的重要环节。现有的储能逆变电源多采用单一储能（如图1和图2所示），也有部分案例采用通过DC/DC并联混合储能（如图3所示），但均未考虑负载能量反灌（如风电变流器+发电机等可后续输出功率的负载）这一特殊负载情况，限制了储能逆变电源在波动性较大的负载、有能量反灌的负载上的应用。
现有技术实现的储能逆变电源，一般配置单一储能单元，或通过多组DC/DC实现混合储能，但均未配有大功率模拟电阻单元。当电源系统的负载功率索取瞬时较大时，容易对单一储能单元造成损害（如电池保护板耐流值不够则出现电池切出系统导致电源停机）；当系统负载有功率反灌时，若储能单元充电功率小于反灌功率，则会引起母线电压上拱，对功率器件、储能单元的使用寿命造成影响；当储能元件存储容量不够时，必须退出运行方可对其进行充电，使用另外一套装置或者将整套测试电源系统切出，接上电网对储能单元充电，这样既费时又费力，影响了系统使用效率、工程效率。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种超级电容与锂电池联合储能、自带大功率模拟负载、三相桥逆变器和Buck/Boost变换器组合的储能逆变电源系统，应用于风电机组测试电源装置，储能部分集高能量密度特性和高功率密度特性于一体，Buck/Boost变换器集锂电池和超级电容充放电及模拟电阻单元的可控放电等功能于一体，储能单元和模拟电阻单元相互协调实现测试电源系统的能量双向流动，完成风电场并网前各系统的调试工作。
本实用新型具体采用如下技术方案：
一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，包括储能单元、功率变换单元及模拟电阻单元，其特征在于：
所述储能单元包括锂电池和超级电容，所述功率变换单元包括至少一DC/AC变换器和至少一DC/DC变换器，所述DC/AC变换器和DC/DC变换器在主回路直流侧并联，所述DC/AC变换器将连接在主回路直流侧的锂电池输出的直流电转换为三相交流电输出到主回路交流侧变压器，DC/DC变换器的输出端经第四交流开关连接锂电池、经第五交流开关连接超级电容、经第三交流开关连接模拟电阻单元。
本实用新型电源应用于风电场接大电网之前的风机系统调试工作，包括变桨和偏航系统的调试、风电变流器的小功率并网测试，以及整机的系统调试工作等。完成调试的初始能量由锂电池和超级电容器组提供，当风机发电能量反灌时给储能单元充电，为防止出现反灌能量“供”大于“求”，模拟电阻单元提供泄能通道。本电源采用电压型三相全桥变流器，直流侧与锂电池组连接、通过DC/DC与超级电容和模拟电阻单元连接，交流侧经滤波器后与三相三绕组隔离变压器连接，组成类似储能逆变电源系统的拓扑结构，输出380Vac和690Vac三相工频交流电源。
本实用新型有益效果：
（1）储能单元与模拟电阻单元通过功率开关并联，集储能与泄能于一体，在被测试系统没有接入大电网之前提供能量支撑和能量存储，当系统负载发生能量反灌时提供泄能通道，并且通过对DC/DC所接模拟电阻单元的电流和功率控制，实现对储能单元的充电电流和功率控制。
（2）超级电容通过双向DC/DC变换器与锂电池并联，实现高能量密度特性和高功率特性的完美统一，大大增强了系统的波动性负载适应能力。
（3）采用三路DC/DC作为3路模拟电阻单元的开关，实现了模拟电阻单元的分时切入，等效开关频率大提高，为单路的三倍，能更好的实现电流和功率的瞬时和稳态控制，同时降低了单路电阻负载的功率，有助于散热系统的设计，提高了经济性能。
（4）Buck/Boost电路与模拟电阻单元放电回路共用3路DC/DC开关，可以通过交流开关实现其分时复用，减少了DC/DC滤波器和IGBT的使用数量，节约了成本。
（5）功率器件直流侧、交流侧均有EMI滤波器，有效减小高频分量对输出电能质量的负面影响，抑制电磁干扰对控制系统的影响。
（6）DC/DC输出侧采用带共模电感的耦合电感，以交错方式运行，从而在共模电感（直流滤波电感）不变的条件下，使得差模均流电感增大，总的电感尺寸降低；使用交错式方法运行，提高了耦合电感的等效开关频率，使得电感工作时产生的噪音降低。
附图说明
图1是传统单一储能逆变器拓扑结构1；
图2是传统单一储能逆变器拓扑结构2；
图3是传统混合储能逆变器拓扑结构；
图4是本实用新型电源系统拓扑结构；
图5是三相桥逆变单元结构图；
图6是双向DC/DC单元结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。
图4为本实用新型技术方案的拓扑结构框图，主要由储能单元、功率变换单元、三相三绕组隔离变压器TM、模拟电阻单元（能量泄放电阻）LOAD及第一~第五交流开关QF1~QF5组成。
储能单元由锂电池Battery和超级电容Super Capacitors组成，功率变换单元由DC/AC变换器U1和DC/DC变换器U2组成，DC/AC变换器和DC/DC变换器在主回路直流侧并联，锂电池连接在主回路直流侧，第一、第二交流开关QF1、QF2位于主回路上。锂电池输出的直流电经直流EMI滤波器（图中未画出）进入功率变换单元母线。如图5所示，DC/AC变换器采用三相桥逆变单元，将锂电池输出的直流电逆变为具有额定电压、频率的三相交流电，经LC滤波器及交流EMI滤波器（图中未画出）后将交流电送入主回路交流侧的三相三绕组隔离变压器进行电能分配，通过次边两个绕组分别输出380Vac和690Vac三相工频交流电。如图6所示，DC/DC变换器由三路交错型双向斩波电路构成，其输出端（未与DC/AC变换器并联的一端）经第四交流开关连接锂电池、经第五交流开关连接超级电容、经第三交流开关连接模拟电阻单元。第三、第四、第五交流开关QF3~QF5的输入侧并联，第四、第五交流开关QF4、QF5输出侧的三路正极分别并联后输出。DC/DC变换器采用带磁耦合电感的LC滤波电路，等效提高了开关频率，大大降低了du/dt，同时减小了模拟电阻单元泄能时母线直流电压的波动，同时减少了电感的噪声。图4中Cd1和Cd2表示此LC滤波电路中的滤波电容。
在测试风力机组小功率并网发电时，通过第三~第五交流开关（断路器或接触器）QF3～QF5可以使功率变换单元分时复用，实现储能单元充放电（包括储能单元首次充电）和模拟电阻单元泄能分时进行。
具体工作原理如下：
在给储能单元首次充电时，通过DC/DC变换器及第四交流开关QF4给锂电池充电，通过DC/DC变换器及第五交流开关QF5给超级电容充电。
当风电变流器启动PWM整流及励磁时（网侧启动开始），闭合第五交流开关QF5，通过超级电容为风电变流器提供冲击性能量，当风电变流器网侧启动成功后，断开第五交流开关QF5。风机启动后开始能量反灌时，通过主回路给锂电池充电，充满后闭合第五交流开关QF5给超级电容充电，充满后如果还有多余能量，断开第四交流开关QF4和第五交流开关QF5，同时闭合第三交流开关QF3，利用模拟电阻单元泄放多余的能量。
当风电变流器反灌过来的功率大于锂电池的充电功率时，保持第四、第五交流开关QF4、QF5断开，同时闭合第三交流开关QF3，通过改变DC/DC占空比来调节泄放功率，使反灌功率与锂电池充电功率、泄放功率达到平衡。
主回路的直流侧和交流侧均配EMI滤波器，用于抑制高频分量对功率器件、输出电能质量的负面影响。系统输出连接三相三绕组隔离变压器，实现储能逆变电源系统、风电变流器、用电负载之间的电气隔离，滤除用电负载带来的三的整数倍次谐波。
本实用新型未接模拟电阻单元之前，双向DC/DC变换器只与超级电容相联接，锂电池与超级电容通过此变换器实现锂电池和超级电容的可控放电，同时实现超级电容的可控充电等功能，完成二者的混合储能，实现高能量密度和高功率密度的完美结合。
在并网发电时，经过开关的切换，储能单元与电阻负载通过双向DC/DC变换器实现并联。双向DC/DC变换器接在模拟电阻单元之前，当系统负载有功率反灌时可提供泄能通道以防止储能单元过充，并且通过对DC/DC所接模拟电阻单元的电流和功率控制，实现对储能单元的充电电流和功率控制。
经分析，采用本实用新型测试电源拓扑结构，相比于传统结构能够节省一套双向DC/DC变流器，节约了硬件成本；双向DC/DC的分时复用，减少了铜排和线缆的使用，提高器件的使用率的同时也节约了成本。

Claims (7)

1.一种带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，包括储能单元、功率变换单元，其特征在于：
所述储能单元包括锂电池和超级电容，所述功率变换单元包括至少一DC/AC变换器和至少一DC/DC变换器，所述DC/AC变换器和DC/DC变换器在主回路直流侧并联，所述DC/AC变换器将连接在主回路直流侧的锂电池输出的直流电转换为三相交流电输出到主回路交流侧变压器，DC/DC变换器的输出端经第四交流开关连接锂电池、经第五交流开关连接超级电容、经第三交流开关连接模拟电阻单元。
2.如权利要求1所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于所述DC/DC变换器由三路交错型双向斩波电路构成。
3.如权利要求2所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于所述DC/DC变换器采用带磁耦合电感的LC滤波电路。
4.如权利要求1所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于主回路直流侧、交流侧均配有EMI滤波器。
5.如权利要求1所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于第三、第四、第五交流开关的输入侧并联。
6.如权利要求1所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于第四、第五交流开关输出侧的正极分别并联。
7.如权利要求1所述的带储能和模拟负载的风力发电机组测试电源，其特征在于所述变压器采用三相三绕组隔离变压器，其次边绕组分别输出380Vac和690Vac三相工频交流电。
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