CN101540568A - 高效率风光互补发电控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽范围风速和光照条件下的风能和太阳能高效捕获控制装置。它由太阳能电池、风力发电机、太阳能电池变换器、风力发电变换器、全数字化风光互补发电控制器、蓄电池/负载接口、铅酸蓄电池、负载、通讯接口、键盘显示器、风力发电整流电路组成。主电路为可以升/降压变换的DC/DC变换器，采用交错并联方式，根据蓄电池的充电状态实行三段式充电模式。不论输入电压高于还是低于蓄电池电压均能够向蓄电池充电，从而拓宽了可利用的风能和太阳能资源。

Description

高效率风光互补发电控制装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电、太阳能发电互补发电控制装置，特别涉及宽范围风速和光照条件下的风能和太阳能高效捕获控制装置。

背景技术

太阳能是目前最具发展潜力的可再生能源之一。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。因此，太阳能与风能在时间上和地域上天然具有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。

太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件较好的独立供电系统。风光互补发电系统可以在沙漠、高原、海岛等偏远地区为居民、部队等提供清洁可再生的电力。

风光互补发电系统分别受到风速变化和日照强度变化的影响，为了给用电设备提供稳定的电力供应，通常需要蓄电池等储能装置将风光互补发电系统所发出的多余能量储存起来，以备风能和太阳能不足时继续向负载供电。为了使储能设备能够储存尽可能多的能量，需要风力发电和太阳能发电尽可能捕获更多的风能和太阳能。然而风力发电和太阳能发电装置所发出的电压随着风速的变化和日照的变化而变化。当风光互补发电装置所发出的电压低于蓄电池的电压时就不能向蓄电池充电，也无法向负载供电。当风光互补发电系统所发出的电压过高时，会使充电电流过大。为了保护蓄电池，就需要利用电阻等进行制动和分流。这样当风速小或者光照弱时无法获取能量，当风速大或光照强时又要将能量白白浪费。这样的风光互补发电系统的能量捕获效率很低，常常会使蓄电池处于亏电状态，影响蓄电池的使用寿命，从而增加整个风光互补发电系统的使用成本。

目前风光互补系统大多没有对输出的电压或电流进行精确控制。中国专利CN101286655A公开了一种风光互补系统，该系统为了防止光照过强和风速过大时充电电流太大，分别在风力发电机输出整流端和太阳能电池输出端加了降压DC-DC变换器。中国专利CN101127452A公开了一种风力发电机充电控制器和充电控制方法，该控制器也采用了降压DC-DC变换器，从而保持恒定的充电电压。

如果风速较低时风力发电机的转速非常低，因此发出的电压经过整流后达不到蓄电池的电压，无法给蓄电池充电，这时风能就无法被利用。同样，当光照较低或者光线入射角较小时，太阳能电池所发出的电压也比较低，这时也无法将太阳能转化为电能给蓄电池充电。而降压DC-DC变换器只能工作在降压状态，也就是输入电压高于蓄电池电压时才能够工作。当输入电压低于蓄电池电压时，风光互补发电系统就无法继续给蓄电池充电。这样就会损失许多本可以捕获的可再生能源。

综上所述，目前的独立供电的风光互补发电系统的能量捕获能力都比较低。不仅使系统得不到充分的利用；也会为了保证供电正常而选用更大容量的风光互补发电装置，从而增加系统成本；同时因为不能充分捕获能量而使蓄电池经常处于亏电状态，降低了蓄电池的使用寿命，进一步增加了系统的使用成本。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的主要问题，提供一种集成化的高效率风光互补发电控制装置。主要目的就是利用风光互补发电系统充分捕获一切可以获取的能量并转换为电能储存在蓄电池中或者向负载供电。本发明可以从较低风速一直到最大设计风速，以及从较低光照条件一直到最大功率光照条件下，按照蓄电池的充电状态和充电特性对其充电电流和电压进行有效控制。

本发明利用数字控制技术对风力发电和太阳能发电分别进行最大功率点追踪控制，无论风力发电和太阳能发电的输出电压高于或者低于蓄电池电压，均能够向蓄电池和负载供电，并根据用电需求实现最大功率捕获控制。通过风光互补交错并联技术，使系统的输出电流纹波更小，对负载供电更加稳定。

本发明的目的是这样实现的：

本发明由太阳能电池1、风力发电机2、风力发电变换器3、太阳能电池变换器4、全数字化风光互补发电控制器5、蓄电池/负载接口6、蓄电池7、负载8、通讯接口9、键盘显示器10、风力发电整流电路11组成。

风力发电机功率输出端与互补发电控制装置的风力发电接口相连接，太阳能电池输出端与互补发电控制装置的光伏发电接口相连接，蓄电池和负载直接连接到互补发电控制装置的输出端。

风力发电机和太阳能电池分别通过两个可以做升/降压变换的DC/DC变换器对其电压和电流进行控制，从而满足蓄电池的充电要求，并且向负载稳定提供电力。两个升/降压DC/DC变换器通过全数字化风光互补发电控制器进行控制并实现交错并联向蓄电池充电并向负载供电。

全数字化风光互补发电控制器由单片机或者DSP为控制核心，通过通讯接口可以接收上位机控制指令，并向上位机发送风光互补发电系统的状态和参数。键盘显示器可以在近端通过全数字化风光互补发电控制器对风光互补发电系统进行监控，并可以设置相关控制参数。全数字化风光互补发电控制器通过检测电路可以完成对风力发电机和太阳能电池发电状态的检测，并对蓄电池的充放电状态进行检测，利用全数字化风光互补发电控制器中所存储的控制策略完成对风光互补发电系统的优化控制。

本发明的一个效果在于，能够扩大风力发电机的可利用风速的范围，并且能够扩大太阳能发电的可利用光照范围。特别是当风速和光照较低时能够有效对风能和太阳能进行捕获和利用。在保证向一定负载正常供电的前提下，能够使系统的设计容量降低，从而降低系统成本。

本发明的另外一个效果在于，对风力发电和太阳能发电进行最大功率点追踪控制，充分提高系统对风能和太阳能的利用效率。即使在控制器的输入电压低于蓄电池电压时，也能够有效实现最大功率点追踪控制。在保证向一定负载正常供电的前提下，能够使系统的设计容量降低，从而降低系统成本。

本发明的另外一个效果在于，风光互补发电的两个升/降压DC/DC变换器通过全数字化风光互补发电控制器进行控制并实现交错并联向蓄电池充电并向负载供电。能够使充电电流更加平稳，降低电磁干扰。

本发明的另外一个效果在于，通过检测蓄电池的充电状态，可以根据蓄电池特性进行充电控制。在最大可能吸收电能的条件下，对充电电流和充电电压进行控制，当蓄电池剩余容量较低时采用恒流充电模式，当蓄电池的电压升到设定限额时改为恒压充电模式，当蓄电池充满电时，改为涓流充电模式。从而有效防止蓄电池因过充而降低寿命，也可以使蓄电池尽可能处于较高剩余容量状态，保证向负载供电。因此可以有效延长蓄电池的使用寿命，降低风光互补发电系统的使用成本。

本发明的另外一个效果在于，将交错并联的升/降压DC/DC变换器的直流输入端连接到一起可以实现单一输出的大功率变换，为负载提供更大的电能。例如可以利用一个高效率风光互补发电控制装置转换风力发电输出电能，另外一个高效率风光互补发电控制装置转换太阳能发电输出电能。这样可以使风光互补发电设备的容量提高一倍，扩大了系统的适用范围。

附图说明

图1是本发明工作原理框图；

图2是级联型升/降压DC/DC变换器；

图3是单管基本型升/降压DC/DC变换器；

图4是典型风力发电机转速和输出整流电压的特性曲线；

图5是常用风光互补变换器并联输出电压电流波形；

图6是风光互补变换器交错并联输出电压电流波形；

图7是容量扩展的太阳能发电控制装置；

图8是容量扩展的风力发电控制装置；

图9是蓄电池充电控制的特性曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：太阳能电池1、风力发电机2、风力发电变换器3、太阳能电池变换器4、全数字化风光互补发电控制器5、蓄电池/负载接口6、蓄电池7、负载8、通讯接口9、键盘显示器10、风力发电整流电路11。

其中风力发电变换器3和太阳能电池变换器4分别由升/降压DC/DC变换器组成，通过全数字化风光互补发电控制器5的控制经过交错并联向蓄电池7和负载8供电。本发明所使用的升/降压DC/DC变换器如图2或者图3所示，此两种升/降压DC/DC变换器均可实现本发明所提出的功能。其中图2所示为2个功率开关组成的级联式升/降压DC/DC变换器，图3所示为1个功率开关组成的基本升/降压DC/DC变换器。

图2中输入端12直接与图1中太阳能电池1的输出端或者风力发电整流电路11的输出端相连接。输入电流传感器18和输出电流传感器21分别用来检测变换器的输入和输出电流大小。输入电压传感器19和输出电压传感器22分别用来检测变换器的输入和输出电压的大小。传感器检测的信号经过全数字化风光互补发电控制器5的模数转换用于对系统的控制。电容20接在变换器的输入端12用于对输入电压进行滤波，电容23接在变换器的输出端24用于对输出电压进行滤波。降压控制功率开关13可以选用任何全控型电力电子器件，用于对输入电压进行降压斩波。续流二极管15用于降压斩波时对储能电感17的续流。升压控制功率开关14可以选用任何全控型电力电子器件，用于对输入电压进行升压斩波。续流二极管16用于升压斩波时对储能电感17的续流。

图2所示的升/降压DC/DC变换器也可以采用图3所示的变换器结构来代替。图3中输入端25直接与图1中太阳能电池1的输出端或者风力发电整流电路11的输出端相连接。输入电流传感器26和输出电流传感器27分别用来检测变换器的输入和输出电流大小。输入电压传感器28和输出电压传感器29分别用来检测变换器的输入和输出电压的大小。传感器检测的信号经过全数字化风光互补发电控制器5的模数转换用于对系统的控制。电容33接在变换器的输入端25用于对输入电压进行滤波，电容34接在变换器的输出端35用于对输出电压进行滤波。功率开关30可以选用任何全控型电力电子器件，用于对输入电压进行升压、降压斩波，当功率开关30的占空比小于50％时，为降压斩波，输出电压将比输入电压低；当功率开关30的占空比大于50％时，为升压斩波，输出电压将比输入电压高。续流二极管32用于对储能电感31的续流。

本发明之所以采用DC/DC变换器对输入的风力发电和太阳能发电电压进行升/降压控制，主要是为了拓展可利用风速和光照的范围。以风力发电为例，如图4所示。小型永磁风力发电机输出电压经过整流以后的直流电压与风力发电机转速近似成线性关系。而风力发电机的转速与风速成正比关系。当风速交大时风力发电机的输出电压也较高，而风速较低时风力发电机的输出电压也较低。当风力发电机的转速为ω₀时，其输出整流电压恰好等于蓄电池的电压U_bat。当风机转速超过ω₀时，为了防止充电电流过大对蓄电池造成损害，需要进行降压调节；反之，当风机转速低于ω₀时，为了充分利用风能资源给蓄电池充电，需要进行升压调节，提高风能捕获效率。太阳能发电有与风力发电类似的问题，也需要对电压进行升/降压控制以便扩大可利用光照的范围。

本发明利用全数字化风光互补发电控制器5对风力发电变换器3和太阳能电池变换器4的升/降压DC/DC变换器进行交错并联控制，向蓄电池7和负载8供电。通常的变换器并联采用图5的控制方法，控制风力发电和太阳能发电变换器的PWM脉冲信号是同相位的，因此经过并联以后其输出电流波动频率与单个控制器的开关频率相同，而且电流波动的峰峰值比较大。本发明所采用的风力发电和太阳能发电变换器采用交错并联方式，如图6所示，风力发电变换器3的PWM脉冲信号与太阳能发电变换器4的PWM脉冲信号相位相差180°。经过并联以后其输出电流波动频率是单个控制器的开关频率的2倍，而且电流波动的峰峰值也有所降低。这样变换器可以采用较低的开关控制频率，从而降低变换器的开关损耗，提高系统效率。

为了增加本发明的适应性，可以通过简单的接线就能够使变换器所控制的风力发电机或者太阳能电池的发电功率提高1倍。图7为太阳能发电交错并联控制器的容量扩展方式。将两个图2或图3所示的变换器的输入端均与太阳能电池1的输出相连接，通过全数字化风光互补发电控制器5的控制向蓄电池7和负载8供电。这时风光互补控制器作为单一的太阳能发电控制器使用，其太阳能电池的峰值功率可以提高1倍。为了同时提高风力发电的峰值功率可以采用图8所示的风力发电交错并联控制器的容量扩展方式。将两个图2或图3所示的变换器的输入端均与风力发电机2的输出相连接，通过全数字化风光互补发电控制器5的控制向蓄电池7和负载8供电。这时风光互补控制器作为单一的风力发电控制器使用，其风力发电机的峰值功率可以提高1倍。将这两个容量经过扩展的风力发电和太阳能发电控制器直接并联起来就可以向更大容量的蓄电池和负载供电。本发明的全数字化风光互补发电控制器5允许多个变换器的并联使用，使得整个风光互补发电系统的容量可以任意组合。组合后的控制信息通过通讯接口9进行传递。通信总线可以采用CAN总线或者RS485/422总线实现。

全数字化风光互补发电控制器5采用单片机或者DSP作为控制核心。利用数字控制算法可以对蓄电池7的充电模式进行控制，如图9所示。蓄电池的充电模式可分为三个。图9中的充电模式I为“恒流+MPPT充电”模式，该模式下蓄电池剩余容量较低，如果输入的风能和太阳能足够大，则采用恒流模式，以最大的充电电流向蓄电池恒流充电；如果此时的风能和太阳能有限不能维持恒流值，则以最大功率点追踪(MPPT)模式进行充电，以便最大限度地从太阳能电池和风力发电机获取能量。第二个充电模式(模式II)为“恒压+MPPT充电”模式，这时蓄电池的电压已经达到了允许的最大值，如果再向蓄电池提供较大电流就会对蓄电池造成损坏。因此，如果输入的风能和太阳能足够大，则采用恒压模式，以维持蓄电池电压恒定；如果此时的风能和太阳能有限不能维持恒压充电所需的电流，则以最大功率点追踪(MPPT)模式进行充电，以便最大限度地从太阳能电池和风力发电机获取能量。如果根据检测蓄电池容量已经充满，则转入模式III，即“涓流充电”模式，向蓄电池浮充，而不再进行最大功率点追踪。通过以上控制可以保证最大限度地提高蓄电池的剩余容量，并使整个系统能够向负载可靠供电，同时可以有效延长蓄电池的使用寿命，降低系统使用成本。

Claims (6)

1、一种高效率风光互补发电控制装置，其特征在于，它由太阳能电池1、风力发电机2、风力发电变换器3、太阳能电池变换器4、全数字化风光互补发电控制器5、蓄电池/负载接口6、铅酸蓄电池7、负载8、通讯接口9、键盘显示器10、风力发电整流电路11组成。风力发电机输出端子和太阳能电池的输出端子分别或者单独与可以升/降压变换的DC/DC变换器3和4的输入端子相连接。通讯接口9、键盘显示器10分别与全数字化风光互补发电控制器相连接，由全数字化发电控制器5控制升/降压DC/DC变换器3和4的运行。升/降压DC/DC变换器3和4输出端子与蓄电池7和负载8相连接，并向蓄电池7和负载8供电。

2、如权利要求1所述的高效率风光互补发电控制装置，其特征在于，主电路由可以升/降压变换的DC/DC变换器3和4组成。升/降压DC/DC变换器有两种不同形式。一种为2个功率开关组成的级联式升/降压DC/DC变换器，另外一种为1个功率开关组成的基本升/降压DC/DC变换器。

3、如权利要求1所述的高效率风光互补发电控制装置，其特征在于，升/降压DC/DC变换器3和4采用交错并联形式，由全数字化发电控制器5控制3和4的PWM信号相位相差180°。

4、如权利要求1所述的高效率风光互补发电控制装置，其特征在于，通过全数字化发电控制器5控制，根据蓄电池7的充电状态实行三段式充电模式，分别是：I、“恒流+MPPT充电”模式，II、“恒压+MPPT充电”模式，III、“涓流充电”模式。

5、如权利要求2所述的风光互补发电控制装置的主电路，其特征在于，升/降压DC/DC变换器3和4，可以通过全数字化发电控制器5控制使得不论输入电压高于蓄电池7电压还是低于蓄电池7电压均能够向蓄电池7充电，从而拓宽可利用的风能和太阳能资源。

6、如权利要求2所述的风光互补发电控制装置的主电路，其特征在于，交错并联的升/降压DC/DC变换器3和4可以单独控制一个太阳能电池1阵列、或者一台风力发电机2，以便提高容量范围。

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