CN208001231U

CN208001231U - 一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置

Info

Publication number: CN208001231U
Application number: CN201720738730.0U
Authority: CN
Inventors: 唐杰; 邹陆华; 高士然; 陈日恒
Original assignee: Shaoyang University
Current assignee: Shaoyang University
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2027-06-23

Abstract

本实用新型公布了一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，包括双向DC‑DC变换器、风电场直流母线侧、直流变流器监控单元、蓄电池储能单元、超级电容储能单元、STM32控制系统、辅助电源电路；所述双向DC‑DC变换器共两个均与风电场直流母线侧相连，其中一个双向DC‑DC变换器接入蓄电池储能单元，另一个接入超级电容储能单元；所述辅助电源电路与STM32控制系统相连；所述STM32控制系统与直流变流器监控单元相连；所述辅助电源电路、双向DC‑DC变换器也与直流变流器监控单元连接。它能实现蓄电池储能单元与超级电容储能单元针对风电场直流母线侧功率波动时充放电模式自动切换，确保风电场功率平滑输出。

Description

一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置

技术领域

本实用新型属于风电场储能技术领域，具体为一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置。

背景技术

随着国家对作为绿色能源的风能大力开发应用，风电场发电的建设也日益加快，已成为新能源发展的重要研究方向之一。在风电场发电系统中，由于风能具有随机性与间歇性等特点，实际运行时其输出功率会随风波动，并网时会对电网的稳定运行造成严重威胁。在风电场应用中，通过添加混合储能装置来实现系统的稳定运行、电能质量改善和削峰填谷等多时间尺度上的功率平衡控制，它是一种调控间歇性能源功率波动的有效手段。混合储能的发展趋势之一是将各种储能技术进行复合利用，以最大程度地发挥各种混合储能技术的优势，降低混合储能系统全寿命周期费用，提高储能系统的经济性。为了实现风电场功率的平滑输出，在风电场发电系统的直流母线侧添加混合储能装置，通过对混合储能系统充放电模式控制来快速吸收多余能量和补充缺额能量，进行风电功率平抑，提高对电网输出电能的稳定性。

现有技术公开了一种混合储能变流器装置及控制方法（CN201610822902），包含多个并联的双向DC/DC变换器、隔离变压器、变流器监控系统、旁路电路等。但是该变流器中的双向DC/DC变换单元采用最简单的复合斩波电路进行集中控制，滤波器采用LC结构，变流器电路结构复杂，而且没有考虑混合储能单元功率分配、协调控制及远程监控问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上问题，提供一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，其目的在于通过对风力发电系统直流母线与储能装置间能量双向流动的协调控制。当风电场直流母线侧功率波动时，由储能装置输出能量或吸收能量实施实时补偿，实现风电场发电系统功率平滑输出。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，包括双向DC-DC变换器2、风电场直流母线侧1、直流变流器监控单元5、蓄电池储能单元3、超级电容储能单元4、STM32控制系统6、辅助电源电路7；所述双向DC-DC变换器2共两个均与风电场直流母线侧1相连，其中一个双向DC-DC变换器2接入蓄电池储能单元3，另一个接入超级电容储能单元4；所述辅助电源电路7与STM32控制系统6相连；所述STM32控制系统6与直流变流器监控单元5相连；所述辅助电源电路7、双向DC-DC变换器2也与直流变流器监控单元5连接。

进一步的，所述的双向DC-DC变换器包括升压电路10、降压电路11。

进一步的，所述升压电路10中设置有IGBT管VT2；所述IGBT管VT2集电极连接电感L1的一端和肖特基二极管D2阳极；所述电感L1的另一端连接快恢复二极管D3阳极和储能装置9正极；所述肖特基二极管D2阴极与快恢复二极管D3阴极连接；所述IGBT管VT2发射极与储能装置9的负极连接；所述IGBT管VT2基极与电阻R1一端连接；所述电阻R1另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D2阴极连接有电容C1一端和肖特基二极管D5阳极；所述电容C1的另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D5阴极与风电场直流母线侧1的正极连接；所述风电场直流母线侧1负极与IGBT管VT2的发射极连接；所述IGBT管VT2的发射极接地。

进一步的，所述降压电路11中设置有IGBT管VT1；所述IGBT管VT1的发射极连接有电感L2的一端和肖特基二极管D4的阴极；所述电感L2的另一端连接有电容C2的一端以及肖特基二极管D1的阳极；所述电容C2的另一端连接有肖特基二极管D4的阳极和储能装置9的负极；所述肖特基二极管D1的阴极与储能装置9的正极连接；所述IGBT管VT1的集电极与风电场直流母线侧1的正极连接。

进一步的，所述储能装置9为蓄电池储能单元3或者超级电容储能单元4。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型中的双向DC-DC变换器将升压主电路和降压主电路分隔开来分别控制，具有高可靠性。

2、本实用新型的直流变流器监控单元集成电压电流采集电路、IGBT管驱动电路，利用霍尔传感器，结合由OP07组成的放大电路，实现风电场直流母线侧及储能装置电气量的实时检测，并对控制电路进行电气隔离，保障电路安全运行，进而精确控制风电场直流母线侧与储能单元能量的双向流动，确保风电场功率平滑输出。

3、本实用新型以STM32单片机作为数字化处理器，对风电场直流母线侧与储能单元之间能量的双向流动具备自主协调控制模式与远程无线控制模式。

附图说明

图1为本实用新型原理框图。

图2为本实用新型双向DC-DC变换器连接关系电路示意图。

图3为本实用新型直流变流器监控单元电路示意图。

图4为本实用新型辅助电源电路示意图。

图中：1、风电场直流母线侧；2、双向DC-DC变换器；3、蓄电池储能单元；4、超级电容储能单元；5、直流变流器监控单元；6、STM32控制系统；7、辅助电源电路；9、储能装置；10、升压电路；11、降压电路；12、蓄电池；13、电压采集电路；14、电流采集电路；15、IGBT管驱动电路。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图4所示，本实用新型的具体结构为：一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，包括双向DC-DC变换器2、风电场直流母线侧1、直流变流器监控单元5、蓄电池储能单元3、超级电容储能单元4、STM32控制系统6、辅助电源电路7；所述双向DC-DC变换器2共两个均与风电场直流母线侧1相连，其中一个双向DC-DC变换器2接入蓄电池储能单元3，另一个接入超级电容储能单元4；所述辅助电源电路7与STM32控制系统6相连；所述STM32控制系统6与直流变流器监控单元5相连；所述辅助电源电路7、双向DC-DC变换器2也与直流变流器监控单元5连接。

优选的，所述的双向DC-DC变换器包括升压电路10、降压电路11。

优选的，所述升压电路10中设置有IGBT管VT2；所述IGBT管VT2集电极连接电感L1的一端和肖特基二极管D2阳极；所述电感L1的另一端连接快恢复二极管D3阳极和储能装置9正极；所述肖特基二极管D2阴极与快恢复二极管D3阴极连接；所述IGBT管VT2发射极与储能装置9的负极连接；所述IGBT管VT2基极与电阻R1一端连接；所述电阻R1另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D2阴极连接有电容C1一端和肖特基二极管D5阳极；所述电容C1的另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D5阴极与风电场直流母线侧1的正极连接；所述风电场直流母线侧1负极与IGBT管VT2的发射极连接；所述IGBT管VT2的发射极接地。

优选的，所述降压电路11中设置有IGBT管VT1；所述IGBT管VT1的发射极连接有电感L2的一端和肖特基二极管D4的阴极；所述电感L2的另一端连接有电容C2的一端以及肖特基二极管D1的阳极；所述电容C2的另一端连接有肖特基二极管D4的阳极和储能装置9的负极；所述肖特基二极管D1的阴极与储能装置9的正极连接；所述IGBT管VT1的集电极与风电场直流母线侧1的正极连接。

优选的，所述储能装置9为蓄电池储能单元3或者超级电容储能单元4。

优选的，所述的STM32控制系统6与直流变流器监控单元5无缝切换。

本实用新型具体实用时，如图1所示，直流变流器监控单元5实时检测风电场直流母线侧1与各储能单元端电压电流等电气量参数，通过内部的高速通信总线将变化的电气量参数及时反馈给STM32控制系统6，STM32控制系统6根据变化的电气量参数发出相应的控制指令，经直流变流器监控单元5控制多个双向DC-DC变换器2开始工作，实现蓄电池储能单元3与超级电容储能单元4针对风电场直流母线侧1功率波动时充放电模式自动切换，即能量双向流动的协调控制，确保风电场直流母线侧1功率平滑输出。

如图2所示，本实用新型双向DC-DC变换器2采用升压电路10与降压电路11作为对储能装置9进行充放电模式的主控电路。升压电路10由IGBT管VT2、肖特基二极管D2与D5、快恢复二极管D3、电阻R1、电感L1及电容C1组成，STM32控制系统6生成PWM1波，经直流变流器监控单元5中的驱动电路后送至IGBT管VT2的基极，控制开关管的通断，使升压电路10工作，实现储能装置9的能量至风电场直流母线侧1上的放电功能；降压电路11由IGBT管VT1、肖特基二极管D1与D4、电感L2及电容C2组成，通过STM32控制系统6发出控制指令控制IGBT管VT1的通断，使降压电路11开始工作，将风力发电直流母线侧1送至储能装置9进行充电。

如图3所示，所述的直流变流器监控单元5，包括电压采集电路13、电流采集电路14、IGBT管驱动电路15以及外部通信电路。IGBT管驱动电路15以IR2101芯片为核心，6号引脚与电容C3的负极、电容C4及4号引脚相连并接地，1号引脚（V_cc）与二极管D6的正极相连并接+12V电源，8号引脚与二极管D6的负极、电容C3的正极和电容C4相连，2号引脚（HN）为PWM1信号输入端，与之对应的7号引脚（HO）为其输出的驱动信号，电阻R2与二极管D7正极相连并接7号脚，3号引脚（LN）为PWM2的输入端，与之对应的5号引脚（LO）为其输出的驱动信号，电阻R3与二极管D8正极相连并接7号脚；电压采集电路13和电流采集电路14以集成运算放大器OP07作为电压电流检测电路的核心，由霍尔传感器检测风电场发电系统直流母线侧1与储能装置9上的电气量参数，该信号经OP07及其外围电路组成的放大电路放大后送至控制器进行相应处理，检测精度高，控制简单。所述的通信电路选用串口通信或以太网通信。

如图4所示，所述辅助电源电路7由蓄电池12、LM7812和LM7805组成，蓄电池12的正极与电容C1相连并接于LM7812的VI脚，LM7812的VO脚与电容C2相连并接于LM7805的VI脚，LM7805的VO脚与电容C3相连，蓄电池12的负极与电容C1、电容C2、电容C3、LM7812的GND脚相连并接于LM7805的GND脚。其输出12V与5V电压分别为直流变流器监控单元5内部电路与STM32控制系统6供电。

直流变流器监控单元5与STM32控制系统6无缝切换，系统通过内部高速以N通信总线与双向DC-DC变换器2进行实时通信，一方面采集风电场直流母线侧1与储能装置9上的电气量参数，另一方面实现对双向DC-DC变换器2的PWM控制。

本实用新型可运行在自主协调控制模式或远程无线控制模式；在自主协调控制模式下，可通过STM32控制系统6与直流变流器监控单元5实时监测蓄电池储能单元3、超级电容储能单元4及风电场直流母线侧1电气量参数，实现蓄电池储能单元3及超级电容储能单元4充放电模式的自主切换；在远程无线控制模式下，可以通过串口通信或以太网通信方式实现对风电场直流母线侧1、蓄电池储能单元3及超级电容储能单元4电气量变化远程监视，并能远程进行充放电模式启停控制与设置储能单元充放电电流、充放电功率、充放电截止条件等参数，实现对混合储能单元单独进行恒流或恒功率充放电控制，通信规约采用标准的以太网MoDBus一TcP或串口MODBus规约。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，包括双向DC-DC变换器（2）、风电场直流母线侧（1）、直流变流器监控单元（5）、蓄电池储能单元（3）、超级电容储能单元（4）、STM32控制系统（6）、辅助电源电路（7）；其特征在于，所述双向DC-DC变换器（2）共两个均与风电场直流母线侧（1）相连，其中一个双向DC-DC变换器（2）接入蓄电池储能单元（3），另一个接入超级电容储能单元（4）；所述辅助电源电路（7）与STM32控制系统（6）相连；所述STM32控制系统（6）与直流变流器监控单元（5）相连；所述辅助电源电路（7）、双向DC-DC变换器（2）也与直流变流器监控单元（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，其特征在于，所述的双向DC-DC变换器包括升压电路（10）、降压电路（11）。

3.根据权利要求2所述的一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，其特征在于，所述升压电路（10）中设置有IGBT管VT2；所述IGBT管VT2集电极连接电感L1的一端和肖特基二极管D2阳极；所述电感L1的另一端连接快恢复二极管D3阳极和储能装置（9）正极；所述肖特基二极管D2阴极与快恢复二极管D3阴极连接；所述IGBT管VT2发射极与储能装置（9）的负极连接；所述IGBT管VT2基极与电阻R1一端连接；所述电阻R1另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D2阴极连接有电容C1一端和肖特基二极管D5阳极；所述电容C1的另一端与IGBT管VT2发射极连接；所述肖特基二极管D5阴极与风电场直流母线侧（1）的正极连接；所述风电场直流母线侧（1）负极与IGBT管VT2的发射极连接；所述IGBT管VT2的发射极接地。

4.根据权利要求2所述的一种应用于风电场混合储能系统中的直流变换装置，其特征在于，所述降压电路（11）中设置有IGBT管VT1；所述IGBT管VT1的发射极连接有电感L2的一端和肖特基二极管D4的阴极；所述电感L2的另一端连接有电容C2的一端以及肖特基二极管D1的阳极；所述电容C2的另一端连接有肖特基二极管D4的阳极和储能装置（9）的负极；所述肖特基二极管D1的阴极与储能装置（9）的正极连接；所述IGBT管VT1的集电极与风电场直流母线侧（1）的正极连接。