CN103441539B - 一种风电变桨系统辅助混合电池和充放电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电变桨系统辅助混合电池和充放电方法，所述电池包括混合电池本体、为所述混合电池本体充电的混合电源充电系统和至少一个二极管，所述混合电池本体由锂动力电池组和DC/DC变换器A串联的支路与超级电容组和DC/DC变换器B串联的支路并联组成，所述二极管与混合电池本体串联接于为风电变桨系统供电的直流电源母线上。所述方法通过DC/DC变换控制器控制DC/DC变换器以调节锂动力电池组和超级电容组电压电流输入（出），从而达到锂动力电池组和超级电容组协调充（放）电目的。本发明使超级电容与锂电池形成优势互补，混合电池能量密度提高、功率输出增大、循环寿命延长、经济成本降低以及安全可靠性提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电变桨系统辅助混合电池和充放电方法，属于风电设备控制技术领域。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题的日益严重，风能作为一种清洁可再生能源受到世界各国高度重视。风力发电技术逐步成熟和完善，已经在很多方面得到普及和应用。为了保障风力发电机输出电能平滑并网，变桨距技术在风力发电上得到应用，变桨装置重要程度日益增加。
在风电变桨系统中，为了保证电网断电时变桨系统能紧急顺桨和电压波动时变桨系统能够正常工作，变桨系统必须有自身辅助电源。传统风电变桨系统多采用铅酸蓄电池作为备用电源，近年来超级电容和锂动力电池在风电变桨系统储能装置中得到应用。传统的铅酸蓄电池显然存在很多缺陷：使用寿命短、充电时间长以及会对环境造成污染等。超级电容作为一种新型储能元件，有着功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，但其成本较高；锂电池作为一种新型电池，具有重量轻，寿命长、绿色环保等优点，且相对超级电容而言成本较低，但其安全性较差，容易发生爆炸，而且充放电过程中容易出现过充过放，需要安全保护电路。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种能量密度提高、功率输出大、使用寿长、经济成本低以及安全可靠性高的风电变桨系统辅助混合电池和充放电方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风电变桨系统辅助混合电池，包括混合电池本体、为所述混合电池本体充电的混合电源充电系统和至少一个二极管，所述混合电池本体由锂动力电池组和DC/DC变换器A串联的支路与超级电容组和DC/DC变换器B串联的支路并联组成，所述二极管与混合电池本体串联接于为风电变桨系统供电的直流电源母线上。
所述锂动力电池组由2个锂动力电池串联模块并联组成，每个锂动力电池串联模块由20个电池块串联而成，每个电池块为11V，每个电池块由3个特性为3.7V/7.5Ah的锰酸锂动力电池串联组成。
所述锂动力电池组特性为220V/15Ah。
所述超级电容组由15个特性为16V/58F的超级电容模块串联组成。
所述混合电源充电系统包括整流电路和DC/DC变换控制模块，DC/DC变换控制模块包括DC/DC变换控制模块A和DC/DC变换控制模块B，所述整流电路与混合电池本体并联，DC/DC变换控制模块A为DC/DC变换器A提供控制信号，DC/DC变换控制模块B为DC/DC变换器B提供控制信号。
所述整流电路采用桥式整流电路或者采用晶闸管控制的整流方式。
所述DC/DC变换控制模块是两个DC/DC电压电流双闭环控制系统。
所述DC/DC电压电流双闭环控制系统中，整流输出电压参考值与其测量值之差经过PI调节，得到储能系统输出电流参考值，储能系统输出电流参考值和其输出电流测量值之差经过PI调节，再经开关控制器，输出控制信号作为DC/DC变换器的开关导通信号。
所述DC/DC变换器A和B都是两个Boost‐Buck变换电路，由Boost变换器与Buck变换器组成,；当对混合电池进行充电时，Boost‐Buck变换电路输入输出电压关系为： 当混合电池放电时，Boost‐Buck变换电路输入输出电压关系为： 其中 即为开关导通占空比。
风电变桨系统辅助混合电池的充放电方法如下：
所述混合电源充电系统选取整流电路输出值即风电变桨系统额定电压作为充电或放电过程中的电压参考值，以锂动力电池组或超级电容组输出电压电流为反馈控制量，通过双闭环反馈控制得到DC/DC变换器的开关导通信号；
所述DC/DC变换器A和B根据混合电源充电系统给定开关导通信号控制开关管通断以调节锂动力电池组或超级电容组输入或输出电压电流大小，使其符合混合电源充电系统充电或风电变桨系统供电要求，达到锂电池组和超级电容组协调控制。
本发明通过DC/DC变换控制器和DC/DC变换器对由锂动力电池组和超级电容组组成的混合电池充放电进行协调控制，使超级电容与锂电池形成优势互补，混合电池能量密度提高、功率输出增大、循环寿命延长、经济成本降低以及安全可靠性提高。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式的风电变桨系统备用供电装置电路图。
图2是本发明的锂动力电池组电路图。
图3是本发明的超级电容组电路图。
图4是本发明的混合电源充电系统结构图。
图5是本发明的DC/DC变换控制模块的电压电流双闭环控制图。
图6是本发明的DC/DC变换器的Boost‐Buck变换电路图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种风电变桨系统辅助混合电池，如图1所示，所述风电变桨系统中的辅助混合电池包括至少一个二极管，锂动力电池组与超级电容组组合而成的混合电池，为所述混合电池充电的混合电源充电系统，所述二极管与混合电池串联接于为风电变桨系统供电的直流电源母线，所述混合电池由锂动力电池组和DC/DC变换器A串联的支路与超级电容组和DC/DC变换器B串联的支路并联组成。
如图2所示，所述锂动力电池组由2个锂动力电池串联模块并联组成，每个锂动力电池串联模块由20个电池块串联而成，每个电池块为11V，每个电池块由3个特性为3.7V/7.5Ah的锰酸锂动力电池串联组成。锂动力电池组特性为220V/15Ah。
如图3所示，所述超级电容组由15个特性为16V/58F的超级电容模块串联组成。
如图4所示，所述混合电源充电系统包括整流电路和DC/DC变换控制模块。所述整流电路与混合电池并连。所述整流电路采用桥式整流电路，也可采用晶闸管控制的整流方式；所述DC/DC变换控制模块包括DC/DC变换控制模块A和DC/DC变换控制模块B，它们分别提供DC/DC变换器A和DC/DC变换器B的控制信号。上述DC/DC变换控制模块A和DC/DC变换控制模块B是由电压电流双闭环组成的控制系统。上述DC/DC变换器A和DC/DC变换器B是两个Boost‐Buck变换电路。
如图5所示，上述DC/DC电压电流双闭环控制系统中，电压参考值与其测量值之差经过PI调节，得到储能系统输出电流参考值，储能系统输出电流参考值和其输出电流测量值之差经过PI调节，再经开关控制器，输出控制信号作为DC/DC变换器的开关导通信号。
如图6所示，上述Boost‐Buck变换电路中，当对混合电池进行充电时，Boost‐Buck变换电路输入输出电压关系为：当混合电池放电时，Boost‐Buck变换电路输入输出电压关系为：其中即为开关导通占空比。所述开关导通占空比由DC/DC电压电流双闭环控制系统给出。
同时本发明的技术方案还公开了一种风电变桨系统辅助混合电池充放电方法，包括以下步骤：
所述DC/DC电压电流双闭环控制系统选取整流电路输出值（风电变桨系统额定电压）作为充电（放电）过程中的电压参考值，以锂动力电池组或超级电容组输出电压电流为反馈控制量，通过双闭环反馈控制得到DC/DC变换器的开关导通信号。
所述Boost‐Buck变换电路根据DC/DC电压电流双闭环控制系统给定开关导通信号控制开关管通断以调节锂动力电池组或超级电容组输入（输出）电压电流大小，使其符合混合电源充电系统充电（风电变桨系统供电）要求，达到锂电池组和超级电容组协调控制的目的。
当电网电压正常时由直流母线直接为变桨系统供电，当电网电压瞬时掉电或者出现剧烈波动时，混合电池开始供电。混合电池放电由超级电容组放电和锂动力电池组共同放电组成。以风电变桨系统额定电压为电压参考值，DC/DC变换控制模块A和DC/DC变换控制模块B分别对所测得的锂动力电池组和超级电容电池组的电压电流测量值进行处理得到DC/DC变换器A和DC/DC变换器B的控制信号，由DC/DC变换器A和DC/DC变换器B来分别控制锂动力电池组和超级电容组输出电压电流，使其符合变桨系统的供电要求，待电网正常后切换到原来的直流电源母线。
当锂电池或电容电量不足时，开始由混合电源充电系统对混合电池进行充电。混合电池充过程与放电过程相似，也是由DC/DC变换控制模块产生DC/DC变换器的控制信号，通过DC/DC变换器来控制各个电池组的充电电压电流。不同的是电压参考值为混合电源充电系统整流电路输出值。
Claims (2)
1.一种风电变桨系统辅助混合电池，其特征在于包括混合电池本体、为所述混合电池本体充电的混合电源充电系统和至少一个二极管，所述混合电池本体由锂动力电池组和DC/DC变换器A串联的支路与超级电容组和DC/DC变换器B串联的支路并联组成，所述二极管与混合电池本体串联接于为风电变桨系统供电的直流电源母线；
所述锂动力电池组由2个锂动力电池串联模块并联组成，每个锂动力电池串联模块由20个电池块串联而成，每个电池块为11V，每个电池块由3个特性为3.7V/7.5Ah的锰酸锂动力电池串联组成；
所述锂动力电池组特性为220V/15Ah；
所述超级电容组由15个特性为16V/58F的超级电容模块串联组成；
所述混合电源充电系统包括整流电路和DC/DC变换控制模块，DC/DC变换控制模块包括DC/DC变换控制模块A和DC/DC变换控制模块B，所述整流电路与混合电池本体并联，DC/DC变换控制模块A为DC/DC变换器A提供控制信号，DC/DC变换控制模块B为DC/DC变换器B提供控制信号；
所述整流电路采用桥式整流电路或者采用晶闸管控制的整流方式；
所述DC/DC变换控制模块是两个DC/DC电压电流双闭环控制系统；
所述DC/DC电压电流双闭环控制系统中，整流输出电压参考值与其测量值之差经过PI调节，得到储能系统输出电流参考值，储能系统输出电流参考值和其输出电流测量值之差经过PI调节，再经开关控制器，输出控制信号作为DC/DC变换器的开关导通信号；
所述DC/DC变换器A和B都是两个Boost-Buck变换电路，由Boost变换器与Buck变换器组成,；当对混合电池进行充电时，Boost-Buck变换电路输入输出电压关系为：当混合电池放电时，Boost-Buck变换电路输入输出电压关系为：其中,即为开关导通占空比。
2.一种基于权利要求1所述的风电变桨系统辅助混合电池的充放电方法，其特征在于所述方法如下：
所述混合电源充电系统选取整流电路输出值即风电变桨系统额定电压作为充电或放电过程中的电压参考值，以锂动力电池组或超级电容组输出电压电流为反馈控制量，通过双闭环反馈控制得到DC/DC变换器的开关导通信号；
所述DC/DC变换器A和B根据混合电源充电系统给定开关导通信号控制开关管通断以调节锂动力电池组或超级电容组输入或输出电压电流大小，使其符合混合电源充电系统充电或风电变桨系统供电要求，达到锂电池组和超级电容组协调控制。
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