CN101645615A - 基于z源的风光互补发电系统 - Google Patents

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王晓琪
陈轩恕
刘飞
许任重
李辉
张�杰
张冰
尹婷
杜砚
袁召
赵军
柳欢欢
但小容
李文岚
何研
邱进
许晶
徐思恩
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Abstract

本发明涉及一种基于Z源的风光互补发电系统，属于新能源发电领域，其目的在于利用自然界常见的风能和太阳能为用户提供一种安全稳定的电源，发明中采用基于Z源电路结构的升压装置和基于DSP实现的变步长扰动观察法的跟踪控制策略，由充放电控制器、储能蓄电池、逆变器等三部分组成，风光互补控制器将风力发电机捕获的风能利用整流器转化为直流，与太阳能电池板捕获的太阳能一起为储能装置(蓄电池)充电，逆变器是将蓄电池储存的电能释放出来，通过一定的电路和控制方法实现交流220V稳定输出，供负载使用，该系统结构简单，硬件少，有效的提高了工作效率。

Description

基于Z源的风光互补发电系统
技术领域
本发明涉及发电系统，特别是涉及一种基于Z源的风光互补发电系统。
背景技术
我国的西北偏远地区，地广人稀，将电网引入到每一个牧民家庭从经济角度考虑是不合理的。加之我国东南还拥有众多的岛屿，在这些狭小的岛屿地区无法统一建设大面积的电网。因此这些地区的供电问题就显得日益突出了。幸运的是这些地区一般都拥有丰富的太阳能或者风力等可再生能源，在边远地区大规模推广这些可再生能源的供电系统，就显得十分经济。
太阳能和风能有着天然的互补性。夏天，一般日照强烈，太阳能资源丰富，而此时风能一般较弱；冬天，风强而太阳光弱。在白天，太阳充足，而风较小；而晚上则风较大。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和经济上都具有最佳的匹配性。
中国专利200710046856“多风机并联型风光互补并网发电系统”中逆变部分采用并网逆变器，该逆变器的升压电路包括微处理器，升压电路A和升压电路B，采用全桥式结构，结构复杂，硬件多，效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Z源的风光互补发电系统，该系统在逆变部分采用Z源结构升压，全桥拓扑逆变，电压外环电流内环的双闭环控制，单相交流输出，提高了输出电压波形质量和系统效率。
本发明的技术方案是：基于Z源的风光互补发电系统，包括光伏阵列、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池、逆变器和负载；其连接方式是：光伏阵列与风力发电机分别连接风光互补控制器，风光互补控制器连接逆变器，蓄电池同时连接风光互补控制器和逆变器，逆变器连接负载，其特征在于：逆变器采用了Z源电路构成的Z源网络升压。
如上所述的基于Z源的风光互补发电系统，其特征在于：Z源网络是单级电路，结构简单，硬件少，效率高，可靠性高，实用性强。
如上所述的基于Z源的风光互补发电系统，其特征在于：Z源网络可以直通，其逆变器不需要死区，其SPWM调制中无需死区补偿，这样输出的电压波形质量就较高。
本发明的有益效果是：逆变部分采用Z源结构升压，简化了系统结构和控制策略，从而提高了系统的实用性，为整个风光互补发电系统的推广提供了一个良好的基础；考虑到方案所处环境的恶劣性，系统给出了过热、短路、过载、反接等异常情况下的保护功能。
附图说明
图1为本发明基于Z源的风光互补控制系统结构框图；
图2为本发明风光互补充放电控制部分的内部示意电路图；
图3为本发明风光互补逆变部分的内部示意电路图；
图4为本发明风光互补最大功率跟踪技术流程图；
图5为本发明风光互补逆变部分的电压外环电流内环的双闭环控制结构示意图。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对发明内容作进一步的说明。
图2中标记说明：1-光伏阵列，2-风力发电机，3-蓄电池。
图3中标记说明：4-Z源电路，5-单相逆变桥。
如图1所示，Z源的风光互补控制系统结构框图，包括光伏阵列、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池、逆变器和负载，光伏阵列与风力发电机分别连接风光互补控制器，风光互补控制器连接逆变器，蓄电池同时连接风光互补控制器和逆变器，逆变器连接负载。实施例中选用北京AAB的1000W水平轴风力发电机一台，太阳能电池组件选用无锡尚德生产的STP130-12/Tb，共计8块，自行开发研制的风光互补控制器和逆变器各一台。
如图2所示，利用风力发电机输出的波动较大的三相交流电，经三相整流桥整流滤波后变成脉动较小的直流。在系统发生故障(例如风机过速等)、蓄电池已经充满或者在对风力发电机维护的时候，利用控制芯片驱动K1与卸荷电阻R的连接，将风力发电机2产生的电能全部消耗在卸荷电阻上。在正常工作的情况下，卸荷电阻R总是处于切除状态。此时，风力发电机2产生的电能经过防反二极管D2送入后面的斩波电路。同时，太阳能电池产生的电能同样经防反二极管D1也送入后面的斩波电路。考虑到风能和太阳能的互补性，在风大的情况下，则风力发电机产生的电压要大于太阳能电池的电压，太阳能电池被二极管D1反向截止。同样，在太阳充足的情况下，则太阳能电池产生的电压大于风力发电机。当二者相近的情况下，则两者同时通过二极管给后面的蓄电池3充电。
实施例：水平轴风力发电机产生电压、电流和频率都是瞬时变化的三相交流电。在通过三相整流桥后变成电压脉动的直流电流，在系统故障、风机过速等情况下，控制芯片驱动K1关闭，卸荷电阻R(电阻性负载)被接入电路。这样风力发电机和太阳能电池输出的直流波动电压将一直被控制在DC200V以下。风力发电机和太阳能电池产生的电流各自通过二极管D1和D2进入Buck电路，D1和D2具有自主分流的作用。Buck电路在芯片软件算法的控制下完成最大功率跟踪。产生的电能一部分被送入蓄电池储存起来。本实施例选用湖北骆驼生产的6-GFM-1008个，四个串联成一组然后并联使用。Buck输出的另一部分电能则被直接送入后级逆变部分。
如图3所示，风光互补的逆变部分，风能和太阳能储存在蓄电池3的能量，通过防反二极管后，利用Z源电路进行升压。Z源电路4就是图3中的电源V、电感L1，L2和电容C2组成.Z源电路4和单相逆变桥5构成Z源网络。
实施例：蓄电池上的48V直流电能通过Z源拓扑升压到400V，然后通过全桥逆变拓扑进行逆变，通过LC滤波器滤除高频干扰后，通过工频隔离变压器输出给用户。本实施例采用的1000W逆变器样机，输出为工频50Hz，正弦220V。
Z源电路较传统的推挽升压电路，有着如下的优势：
①由于Z源网络是单级电路，结构简单，硬件少，效率高，可靠性高；
②Z源网络提高了系统的安全性，直通不再损坏逆变器的开关管，而且变成其正常的一种工作状态；
③因为Z源网络可以直通，因此其逆变器就不需要死区，其SPWM调制中也就无需死区补偿，这样输出的电压波形质量就较高。
为了提高整个系统充放电的效率，工程上一般采用定步长扰动观察法来实现最大功率跟踪。传统的跟踪算法虽然实现简单，但是存在如下缺点：
①由于跟踪步长固定，因此其动态响应速度较慢；
②定步长在最大功率点附近会产生振荡，损失一部分功率；
针对以上缺点，系统采用变步长扰动观察法跟踪策略。具体控制算法如图4所示。控制芯片通过软件算法产生的PWM驱动波形驱动开关管Q1，利用Buck电路对蓄电池进行充电。
如图5所示，Z源逆变器的双闭环控制策略的实现。电压外环电流内环的双闭环控制策略的控制过程是：外环电压以理想的正弦波为参考电压Us，输出电压Uo与参考电压Us进行比较，比较后的结果在经过数字PI调节，然后其作为内环电流的参考，该电流的参考值与反馈电流Io比较，再次经过数字PI调节后，产生的信号U1与频率为10K附近的三角波进行比较，产生两路互补的驱动信号，驱动开关管的开通与关断。系统输出的正弦信号经过LC低通滤波器后输出高质量的单相交流电，供负载使用。
考虑到系统经常处于环境十分恶劣的场合，解决方案提供了过载保护、过热保护、短路保护、过流保护和反接保护。其中过热和过载保护分别采用热电偶和电流传感器对温度信号和电流信号进行采样，调理后送入控制芯片的AD口，在控制芯片内部通过软件与阀值的比较完成异常的保护。过流保护和反接保护都是通过在公共支路上的保险丝过流后的熔断实现。
本系统较传统设计方案简单，效率高，输出电压波形质量高等显著优点。该系统的发明对于解决我国边远牧区和海岛哨所等场合的供电问题具有十分现实的意义，更是我国建设环境友好型、资源节约型社会的有益尝试。

Claims (3)

1.基于Z源的风光互补发电系统，包括光伏阵列、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池、逆变器和负载；其连接方式是：光伏阵列与风力发电机分别连接风光互补控制器，风光互补控制器连接逆变器，蓄电池同时连接风光互补控制器和逆变器，逆变器连接负载，其特征在于：逆变器采用了Z源电路构成的Z源网络升压。
2.根据权利要求1所述的基于Z源的风光互补发电系统，其特征在于：Z源网络是单级电路。
3.根据权利要求1或2所述的基于Z源的风光互补发电系统，其特征在于：Z源网络直通，其逆变器无死区。
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PB01 Publication
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