Стенд для исследования гибридного накопителя энергии
TEST BENCH FOR HYBRID ENERGY STORAGE

Изобретение относится к области разработки и исследования гибридных накопителей энергии на базе литиевых аккумуляторов и суперконденсаторов для нужд электроэнергетики и электроснабжения.
Аккумуляторные накопители энергии применяются в составе ветроустановок, солнечных фотоэлектрических станций и других объектов, использующих возобновляемые источники энергии для получения электроэнергии, для которых необходимо обеспечение энергетического баланса в энергосистеме, а также широко применяются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания и в качестве сетевых накопителей. Гибридный накопитель энергии исследований предполагает совместное использование технологий накопления электроэнергии в аккумуляторах и суперконденсаторах, что позволят объединить и дополнить преимущества обеих технологий.
Гибридный накопитель энергии является сложной системой и требует применения современных силовых полупроводниковых технологий и производительных вычислительных средств, позволяющих управлять распределением мощности между блоками устройства и сетью для обеспечения надежной, долгосрочной и стабильной работы устройства. Поэтому для разработки и исследования гибридных накопителей энергии необходимо применение исследовательских стендов, позволяющих проводить полный цикл измерений и испытаний как всего гибридного накопителя энергии, так и блоков, входящих в его состав.
Данный стенд позволяет проводить такие виды испытаний с гибридным накопителем энергии, как ресурсные испытания, циклические нагрузочные испытания с заданным профилем нагрузки, отладка алгоритмов управления гибридным накопителем энергии и его блоков, формирование микросети для исследования характеристик и отладки работы сетевых устройств в электрической сети ограниченной мощности.
Из уровня техники известен электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения (RU 181029 U1, 29.03.2018). Указанная полезная модель описывает электронный имитатор, его выполнение и связи, выполнение двунаправленного преобразователя и его связи, выполнение канала разряда и его связи. А также то, что в имитатор введен блок синхронизации, подсоединенный между питающей сетью и блоком управления
К недостаткам указанной полезной модели следует отнести:
- отсутствие возможности подключения более, чем одного типа накопителя энергии, то есть только аккумуляторную батарею, что не позволяет проводить совместные испытания аккумулятора и суперконденсатора в гибридном накопителе энергии;
- отсутствие возможности подключения физических образцов аккумуляторов и суперконденсаторов к испытательному стенду. Возможны только испытания с имитаторами аккумуляторной батареи.
Из уровня техники известен многоканальный комплекс испытательного оборудования аккумуляторных батарей (RU 2419923 С1, 13.04.2010), содержащий микропроцессорный блок, подключенный к функционально автономным силовым блокам. Каждый силовой блок содержит устройство управления, зарядно-разрядное устройство, блок коммутации и устройство выравнивания. Режим работы комплекса задастся программой испытаний, которая при помощи микропроцессорного блока загружается в автономные силовые блоки. Устройство управления определяет режим работы зарядно-разрядного устройства и подключает его силовые цепи к аккумуляторной батарее при помощи блока коммутации. Параметры аккумуляторной батареи контролируются устройством управления. При возникновении разбаланса напряжений между аккумуляторами батареи устройство управления выдает устройству выравнивания соответствующую команду. Команда поступает на вход устройства выборки канала, которое при помощи коммутатора подключает блок дозаряда и/или блок доразряда к блоку силовых ключей, одновременно осуществляя их выборку при помощи блока управления силовыми ключами.
К недостаткам указанного изобретения следует отнести:
- отсутствие возможности подключения комплекса к электросети для обеспечения бесперебойного питания электросети или нагрузки;
- отсутствие возможности подключения более, чем одного типа накопителя энергии, то есть комплекс может проводить испытания только аккумуляторной батареи, не позволяет провести испытания блока суперконденсаторов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является лабораторный стенд для изучения работы электрической системы (RU 162928 U1, 21.09.2015). Указанный лабораторный стенд для изучения работы электрической системы содержит электрически связанные источник электрической энергии, устройство управления, электрическую нагрузку и накопитель электрической энергии, выполненный в виде электрических конденсаторов. Стенд снабжен резервным источником питания в виде электрического генератора с приводным электродвигателем.
К недостаткам следует отнести:
- малую емкость накопителя энергии, выполненного в виде батареи конденсаторов, по сравнению с суперконденсаторами и литиевыми аккумуляторами;
- отсутствие возможности регулирования процесса заряда или разряда накопителя энергии и задания профилей заряда и разряда;
- отсутствие возможности подключения более, чем одного типа накопителя энергии, то есть только аккумуляторную батарею, что не позволяет проводить совместные испытания аккумулятора и суперконденсатора в гибридном накопителе энергии;
- отсутствие гибкости управления алгоритмом управления потоками мощности в моделируемой электрической системы.
Задача, решаемая изобретением, направлена на разработку стенда для исследования гибридного накопителя энергии на базе аккумуляторов и суперконденсаторов, позволяющего проводить многоплановые испытания и исследования гибридного накопителя энергии на базе аккумуляторов и суперконденсаторов.
Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств стендов для исследований гибридных накопителей энергии.
Технический результат достигается тем, что стенд для исследования гибридного накопителя энергии, содержащий электрически связанные источник электропитания, нагрузку, блок управления и измерения, накопитель электрической энергии, причем нагрузка выполнена в виде блока, представляющего собой набор активных и реактивных нагрузок для имитации возмущения в сети, а накопитель электрической энергии выполнен гибридным в виде блока аккумуляторной батареи, состоящей из литиевых ячеек, включенных последовательно, и блока суперконденсаторов, состоящий из суперконденсаторов, включенных последовательно, причем стенд также содержит два преобразователя постоянного напряжения с гальванической развязкой, подключенные к шине постоянного тока в которой происходит сложение потоков мощности от блока аккумуляторной батареи, блока суперконденсаторов и источника электропитания, при этом один из преобразователей формирует зарядно-разрядный ток аккумуляторной батареи посредством широтно-импульсной модуляции и коммутации силовыми полупроводниковыми ключами индуктивных компонентов схемы преобразователя, а второй преобразователь формирует зарядно-разрядный ток суперконденсаторов посредством широтно-импульсной модуляции и коммутации силовыми полупроводниковыми ключами индуктивных компонентов в составе преобразователя, сетевой инвертор, представляющий собой трехфазный полностью управляемый преобразователь постоянного напряжения в переменное с помощью широтно-импульсной модуляции постоянного напряжения шины постоянного тока, электрически подключенный к сетевому фильтру, сглаживающий формы токов и напряжений при работе стенда для исследования гибридного накопителя энергии с источником электропитания, возникающих вследствие применения широтно-импульсной модуляции, который подключен к блоку формирования напряжений и управления нагрузкой через коммутационный аппарат гибридного накопителя, блок формирования напряжений и управления нагрузкой, подключенный к источнику электропитания через коммутационный аппарат электросети и к блоку нагрузок через коммутационный аппарат нагрузки, позволяющий имитировать работу локальной электростанции и осуществлять зарядку гибридного накопителя энергии, терминал, подключенный к блоку управления и измерения, блок контроля и управления аккумуляторной батареей, имеющей гальваническую связь с аккумуляторной батареей и собирающей информацию о состоянии каждой из ячеек, проводящей балансировку заряда на каждой из ячеек, путем подключения нагрузочного сопротивления к ячейке в случае превышения напряжения на ней свыше заданного блоком управления и измерения уровня и при наличии от него разрешающего сигнала балансировки, и передающей информацию блоку управления и измерения и конфигурационные параметры.
Стенд для исследования гибридного накопителя энергии имеет следующие дополнительные отличия:
- в качестве информации о состоянии каждой из ячеек аккумуляторной батареи выступают параметры напряжения, состояния заряда и температуры для защиты аккумуляторных ячеек по температуре и напряжению, от перезаряда и переразряда и использования этих параметров в алгоритме управления;
- сетевой фильтр является индуктивно-емкостным фильтром низкой частоты для обеспечения сглаживания выходного напряжения гибридного накопителя энергии и обеспечения высокого качества электропитания и КПД.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема стенда для исследования гибридного накопителя энергии (фиг. 1).
Стенд для исследования гибридного накопителя энергии содержит источник электропитания 1, блок формирования напряжений и управления нагрузкой 2, коммутационный аппарат электросети 3, блок нагрузок 4, коммутационный аппарат нагрузки 5, сетевой фильтр 6, коммутационный аппарат гибридного накопителя 7, сетевой инвертор 8, шину постоянного тока 9, блок аккумуляторной батареи 10, блок суперконденсаторов 11, первый преобразователь постоянного напряжения 12, блок контроля и управления аккумуляторной батареей 13, блок управления и измерения 14, второй преобразователь постоянного напряжения 15, терминал 16.
Источник электропитания 1 представляет собой трехфазную сеть низкого напряжения промышленной частоты.
Блок формирования напряжений и управления нагрузкой 2, подключенный к источнику электропитания через коммутационный аппарат электросети 3, позволяет имитировать работу локальной, изолированной электростанции и осуществлять зарядку гибридного накопителя энергии.
Блок нагрузок 4 представляет собой набор активных и реактивных нагрузок для имитации возмущения в сети. Блок нагрузок имеет подключение к блоку формирования напряжений и управления нагрузкой 2 посредством коммутационного аппарата нагрузки 5.
Сетевой фильтр 6 необходим для сглаживания формы токов и напряжений при работе стенда с источником электропитания 1, возникающих вследствие применения широтно-импульсной модуляции, и имеет подключение к блоку формирования напряжений и управления нагрузкой 2 через коммутационный аппарат гибридного накопителя 7. Сетевой фильтр 6 является индуктивно-емкостным фильтром низкой частоты, такое выполнение обеспечивает сглаживание выходного напряжения гибридного накопителя энергии и обеспечения высокого качества электропитания и КПД.
Сетевой инвертор 8 представляет собой трехфазный полностью управляемый преобразователь постоянного напряжения в переменное с помощью широтно-импульсной модуляции постоянного напряжения шины постоянного тока 9 и электрически подключен к сетевому фильтру 6.
Шина постоянного тока 9 является узлом, в котором происходит сложение потоков мощности от блока аккумуляторной батареи 10, блока суперконденсаторов 11 и источника электропитания 1 и представляет собой буферный конденсаторный накопитель энергии достаточной электрической емкости.
Блок аккумуляторной батареи 10 состоит из литиевых ячеек, включенных последовательно для обеспечения заданной энергоемкости и напряжения, и имеет подключение к первому преобразователю постоянного напряжения 12 и блок контроля и управления аккумуляторной батареей 13.
Первый преобразователь постоянного напряжения 12 подключен к шине постоянного тока 9 и осуществляет преобразование постоянного напряжения аккумуляторной батареи до уровня напряжения шины постоянного тока 9, а также формирует зарядно-разрядный ток блока аккумуляторной батареи 10 посредством широтно-импульсной модуляции и коммутации силовыми полупроводниковыми ключами индуктивных компонентов схемы преобразователя (на схеме не показаны).
Блок контроля и управления аккумуляторной батареей 13 имеет гальваническую связь с блоком аккумуляторной батареи 10 и производит сбор информации о состоянии каждой из ячеек (напряжении, состоянии заряда и температуры), может проводить балансировку заряда на каждой из ячеек и производить передачу информации блоку управления и измерения 14 и конфигурационные параметры, например, минимальное и максимальное напряжение балансировки, от него. Информация о состоянии каждой из ячеек необходима для защиты аккумуляторных ячеек по температуре и напряжению, от перезаряда и переразряда и использования этих параметров в алгоритме управления.
Блок суперконденсаторов 11 состоит из суперконденсаторов, включенных последовательно, для обеспечения заданной энергоемкости и напряжения, и имеет подключение ко второму преобразователю постоянного напряжения 15.
Второй преобразователь постоянного напряжения 15 подключен к шине постоянного тока 9 и осуществляет преобразование постоянного напряжения блока суперконденсаторов 11 до уровня напряжения шины постоянного тока 9, а также формирует зарядно-разрядный ток суперконденсаторов посредством широтно-импульсной модуляции и коммутации силовыми полупроводниковыми ключами индуктивных компонентов в составе преобразователя (на схеме не показаны).
Первый 12 и второй 15 преобразователь постоянного напряжения вьшолнены по схеме с гальванической развязкой для ограничения токов короткого замыкания.
Блок управления и измерения 14 подключен посредством информационной связи к блоку формирования напряжений и управления нагрузкой 2, сетевому инвертору 6, первому 12 и второму 15 преобразователям напряжения для сбора и обмена данными, а также с коммутационным аппаратом нагрузки 5, коммутационным аппаратом электросети 3 и коммутационным аппаратом гибридного накопителя 7 для управления ими, и выполняет функцию центрально управляющего блока устройства.
Блок управления и измерения имеет вывод на терминал, включающий сенсорный экран для оперативного переключения режимов стенда и наблюдения ключевых параметров работы, а также может осуществлять передачу данных по промышленному протоколу обмена данными, с другими устройствами, микроконтроллерами и персональными компьютерами и удаленное управление.
Все блоки выполняются легко съемными и заменяемыми на аналогичные.
Принцип действия стенда для исследования гибридного накопителя энергии заключается в управлении потоками энергии между блоком аккумуляторной батареи 10, блоком суперконденсаторов 11 и источником электропитания 1 в различных режимах. Для этого блок управления и измерения 14 осуществляет непрерывную отправку и чтение сообщений по промышленному протоколу связи с первым 12 и вторым 15 преобразователями постоянного напряжения и посредством вычисления по заданному в программном обеспечении блока управления алгоритму передает уставки каждому из них, которые они должны отработать в режиме реального времени для обеспечения баланса мощностей.
Первый преобразователь постоянного напряжения 12 производит измерение мгновенных значений токов и напряжений со стороны блока аккумуляторной батареи 10 и шины постоянного тока 9 и передает их по промышленному протоколу связи блоку управления и измерения 14. Получив новую уставку, первый преобразователь постоянного напряжения 12 преобразует ее в значение скважности периодического сигнала управления полупроводниковыми силовыми ключами по принципу широтно-импульсной модуляции на основании текущих значений токов и напряжений и алгоритма, реализованного в программном обеспечении первого преобразователя постоянного напряжения 12.
Аналогично второй преобразователь постоянного напряжения 15 производит измерение мгновенных значений токов и напряжений со стороны блока суперконденсаторов 11 и шины постоянного тока 9 и передает их по промышленному протоколу связи блоку управления и измерения 14. Получив новую уставку, второй преобразователь постоянного напряжения 15 преобразует ее в значение скважности периодического сигнала управления полупроводниковыми силовыми ключами по принципу широтно-импульсной модуляции на основании текущих значений токов и напряжений и алгоритма, реализованного в программном обеспечении второго преобразователя постоянного напряжения 15.
Блок контроля и управления аккумуляторными батареями 13 производит постоянный мониторинг параметров каждой ячейки блока аккумуляторной батареи 10, таких, как напряжение и температура, и производит балансировку ячеек путем подключения нагрузочного сопротивления к ячейке в случае превышения напряжения на ней свыше заданного блоком управления и измерения 14 уровня и при наличии от него разрешающего сигнала балансировки.
С терминала 16 по промышленному протоколу данных с удаленного устройства выбраны режимы испытаний гибридного накопителя энергии, такие как нагрузочные испытания блока аккумуляторной батареи 10, блока суперконденсаторов 11 и преобразователей постоянного напряжения 12 и 15, ресурсные испытания, измерение фактической емкости и технического состояния аккумуляторов и суперконденсаторов. Нагрузочные испытания проводятся по заранее определенному пользователем циклу в режиме заряда и разряда накопителя энергии. Ресурсные испытания проводяться с возможностью расчета ресурса блока аккумуляторов 10 на основе прогностических моделей и измерения его фактической емкости. Стенд допускает работу в режиме имитации микросети и подключение к стенду сторонних устройств для исследования их характеристик и отладки.
Таким образом достигается расширение арсенала технических средств стендов для исследований гибридных накопителей энергии.