CN101673963A - 基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统 - Google Patents

基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，它包括光伏阵列、风力发电机、蓄电池组、泄荷器件、智能控制器、充电侧直流母线、放电侧直流母线、蓄电池组切换电路、光伏阵列切换电路、泄荷切换电路、过载保护电路、负载分配电路、AC/DC变换器、DC/AC逆变器。智能控制器通过监测两重直流母线的电压电流变化，依序轮换接入充电蓄电池组和放电蓄电池组，逐级切换光伏阵列和接入泄荷器件，控制次要负载的接入。本发明可有效提高光伏阵列和风力发电机的发电能力以及蓄电池的利用率，延长蓄电池的使用寿命，提供稳定的直流输出，降低系统的成本，可以为远离电网的通信基站提供不间断的稳定供电。

Description

基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统
技术领域
本发明涉及采用可再生能源发电的电源技术领域，具体地说是一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统。
背景技术
太阳能和风能作为一种清洁的可再生能源，将是人类未来最重要的能量来源之一，风力发电和光伏发电对缓解当今的能源危机和改善生态环境具有非常重要的意义。
GSM和CDMA等移动通信系统已经在世界各国大规模应用，一般MSS作为移动交换中心集中于系统主机房，而数量庞大的移动通信基站分散分布于需要信号覆盖的地方。仅中国目前已经分布了超过50万座的各类基站，3G通信还将建成基站近35万座，而移动通信系统中基站耗电占网络总耗电的70％以上，开展基站节能降耗已成为通讯行业一个迫切需要解决的问题。另外，随着通信网络逐渐扩展到远离电网或供电不稳定的地区，大量的移动通信基站将要建设在山区、海岛、沙漠、高原等偏远地区，因而采用各种替代能源为移动通信基站提供电力也成为其必然的选择。
由于风力和阳光资源的天然互补性，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。风光互补供电系统各发电单元既可以独立控制也能协调工作，供电安全性和可靠性大大提高。移动通信基站一般建在较高的建筑物或者山坡上，接受太阳能辐射量和风能相对较高，具有采用风光互补发电系统的有利条件。因此，风光互补发电系统将是今后通信基站离网型电源发展的主流方向。
一般风光互补发电系统主要由光伏阵列、风力发电机及AC/DC变换器、泄荷器件、储能装置、控制器组成，需要交流输出时还会有DC/AC逆变器。储能装置一般为可以反复充放电的蓄电池组。此外，为防止极端恶劣天气时，系统储备电力不足，一些风光互补系统还配置了后备的蓄电池组、应急的柴油发电机，以保证通信系统的正常工作。
如中国专利CN2723723Y公开的一种风光互补发电系统，该系统采用可充电蓄电池作为储能装置。太阳能电池产生的电力通过最大功率跟踪后，经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，风力发电机产生的电力通过整流以后经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，蓄电池充电控制回路根据预设的电池温度不断调整充电的截止电压。蓄电池和直流母线连接，通过逆变器给负载提供交流电力。当直流母线电压低于预设值时，系统启动柴油机备用电源，这时的逆变器处于整流工作模式，柴油机的一部分电力通过整流以后给蓄电池充电。当母线电压恢复至预设值后，系统切断备用电源，逆变器处于逆变工作状态，蓄电池向负载提供电力。系统的运行情况由中央处理单元进行实时检测和控制。
在日本专利2005-051955公开的风力和太阳能混合发电系统中，利用蓄电池组作为储能装置，太阳能发电装置通过直交变换器给负载供电；风力发电装置通过升降压变换器一方面给蓄电池组充电，另一方面通过直交变换器给负载供电。蓄电池在需要输出电能的时候，通过升降压变换器与直交变换器连接，向负载进行供电。
在上述专利和现有的公知技术中，其风光互补发电系统中的光伏阵列、风力发电机的AC/DC变换器、蓄电池组和负载一般都直接连接到公共直流母线，或通过控制开关连接到公共直流母线。由于蓄电池组的钳位作用，系统充电端和放电端的电压会平衡到同一电压值，导致负载的工作电压、储能装置的充放电范围、光伏阵列和风力发电机的发电能力相互影响。
首先，光伏发电和风力发电分别受日照强度和风速变化的影响，其发出的电力极不稳定，公共直流母线上瞬间的过电压会造成通信基站直流主机设备的损坏。所以风光互补系统通常需要配备过大容量的蓄电池组进行补偿，以保持电能输出稳定。虽然也可通过升降压变换器稳定输出电压，但会额外增加很大的变换功率消耗。这些方案都会加大系统的配置，增加系统的造价。
其次，由于风光互补系统受自然环境的影响很大，发电功率具有间断性和不可预测性等特点，蓄电池组需要不断地吸收或者释放能量，可能经常反复进行深度充放电，导致蓄电池的使用寿命缩短，增加了系统的维护成本。
再次，通信基站直流主机设备在工作时的功率需求大多具有脉动性质，即瞬时功率高平均功率较低，为防止极端恶劣天气时，系统储备电力不足，一般需要配置远大于正常使用容量的蓄电池组，以保证系统的正常工作。这样不仅会提高系统的购置成本，还会在发电低谷期，造成全部蓄电池长时间处于亏电状态运行，导致蓄电池的使用寿命缩短，也增加了系统的维护成本。
另外，为了平抑光伏阵列和风力发电机发电功率的大幅波动造成公共直流母线电压的波动，影响系统的正常运行，光伏阵列和风力发电机可能会被频繁切出，光伏发电和风力发电的利用率大大降低。系统的发电能力低于设计预期，可能导致系统的运行状况进一步恶化。
因此，优化蓄电池的充放电过程，减少蓄电池的充放电循环次数，延长蓄电池的使用寿命，提高系统的发电能力，稳定系统的放电输出，是风光互补发电系统中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统。本发明可优化蓄电池的充放电过程、减少蓄电池的充放电循环次数、延长蓄电池的使用寿命、提高光伏阵列和风力发电机的发电能力、稳定系统的放电输出，并可以在极端恶劣天气或光伏和风力发电量不足等情况下提供更长时间的电力支撑，以保障系统的正常工作。本发明可为远离电网的通信基站提供不间断的稳定供电。
为了达到上述目的，本发明包括光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、泄荷器件、储能装置、DC/AC逆变器、控制器、两重直流母线、光伏阵列切换电路、蓄电池组切换电路；所述的两重直流母线由充电侧直流母线和放电侧直流母线构成；所述的充电侧直流母线和放电侧直流母线，可以是正极公共且接地而负极相互独立，也可以是负极公共且接地而正极相互独立；储能装置含有多个蓄电池组；光伏阵列切换电路和蓄电池组切换电路既可以连接到充电侧直流母线，也可以切换到放电侧直流母线；光伏阵列连接到光伏阵列切换电路；风力发电机通过AC/DC变换器连接到充电侧直流母线；每个蓄电池组独立的连接到蓄电池组切换电路。
本发明的原理是：相互独立的充电侧直流母线和放电侧直流母线，将系统划分成两个可以独立控制的直流回路。充电侧直流母线和与其相连接的光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、待充电蓄电池组形成充电直流回路，放电侧直流母线和与其相连接的光伏阵列、待放电蓄电池组、负载形成放电直流回路。储能装置划分成多个蓄电池组，各个蓄电池组通过蓄电池组切换电路，或与充电侧直流母线连接，或与放电侧直流母线连接，每个蓄电池组通过一定的方式依序轮换充电放电；光伏阵列、风力发电机连接到充电侧直流母线，为轮换到充电回路的蓄电池组充电，直至其充满为止，切换另一个蓄电池组充电；负载连接到放电侧直流母线，由轮换到放电回路的蓄电池组供电，直至其放电到指定的程度为止，切换另一个蓄电池组供电。这样，每个蓄电池组都按照一定的次序循环连续的进行充电过程和放电过程。
更进一步的，所述的储能装置至少含有三个容量相近且可相互并联的蓄电池组，至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与充电侧直流母线连接，至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与放电侧直流母线连接。在所述的蓄电池组切换电路中，具有与蓄电池组个数相同数量的分配端和2个输出端，每个分配端对应接入1个蓄电池组，2个输出端为充电端和放电端；控制器发出的信号控制分配端的切换，至少1个分配端切换到只与充电端连接，至少1个分配端切换到只与放电端连接；每个蓄电池组或通过充电端与充电侧直流母线连接，或通过放电端与放电侧直流母线连接，或不被连接。这样，可保证系统的连续供电和充电，并至少还有一个蓄电池组可处于静置状态，有利于该蓄电池组在充放电之后的电压恢复。
所述的光伏阵列可通过光伏阵列切换电路，或与充电侧直流母线连接，或与放电侧直流母线连接，或被短接。在所述的光伏阵列切换电路中，具有1个输入端和3个输出端，3个输出端为充电端、放电端和短路端；控制器发出的信号控制输入端切换到只与指定的1个输出端连接；光伏阵列或通过充电端与充电侧直流母线连接，或通过放电端与放电侧直流母线连接，或通过短路端被短路而关闭。这样，相对稳定的光伏发电可以被放电蓄电池组平衡后直接使用。
更优选的，所述的光伏阵列至少含有两个可相互并联的子阵列，每个子阵列相互独立，均可通过光伏阵列逐级切换电路独立的与充电侧直流母线连接，或与放电侧直流母线连接，或被短接。在所述的光伏阵列逐级切换电路中，具有与光伏阵列子阵列个数相同数量的输入端和3个输出端，3个输出端为充电端、放电端和短路端；控制器发出的信号控制每个输入端切换到只与指定的1个输出端连接；每个光伏子阵列或通过充电端与充电侧直流母线连接，或通过放电端与放电侧直流母线连接，或通过短路端被短路而关闭。这样，相对稳定的光伏发电可以最大限度的被放电蓄电池组平衡后直接使用。
本发明所述的控制器为包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元的智能控制器；其通过监测充电侧直流母线的电压电流变化，在充电直流回路中，接入或断开或短接光伏阵列，接入或断开泄荷器件，依序轮换接入充电蓄电池组；同时，通过监测放电侧直流母线的电压电流变化，在放电直流回路中，接入或断开光伏阵列，依序轮换接入放电蓄电池组。
更进一步的，所述的系统还可包括泄荷切换电路、过载保护电路、负载分配电路。
所述的泄荷器件至少有两个且可相互并联，每一个泄荷器件，均可通过泄荷切换电路并联在风力发电机和AC/DC变换器之间，或者被断开。这样，既可保护充电侧直流母线的安全，又可使不稳定的风力发电最大限度的用于蓄电池组的充电，而不是白白消耗掉。
所述的负载分配电路可直接连接到放电侧直流母线，或通过过载保护电路连接到放电侧直流母线；其既可输出通信基站主机设备常用的直流电，既可经过与之相连的DC/AC逆变器输出常规的交流电。这样，当系统输出过载或发电量不足时，可以关闭次要负载，保证主机设备的供电。
所述系统的智能控制器，通过监测充电侧直流母线的电压电流变化，在充电直流回路中，逐级接入或断开或短接光伏子阵列，逐级接入或断开泄荷器件，依序轮换接入充电蓄电池组；通过监测放电侧直流母线的电压电流变化，在充电直流回路中，逐级接入或断开光伏子阵列，接入或断开次要负载，关闭或开启DC/AC逆变器，依序轮换接入放电蓄电池组。
本发明所述的控制器的充电检测单元和放电检测单元，实时监测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic、放电侧直流母线的电压Vd和电流Id。中央控制单元根据系统控制程序设定的电压值、电流值及其回差，进行比较和运算，向各控制开关发出脉冲指令。
更进一步的，本发明的基于两重直流母线控制的程序设定了6个电压控制值和2个电流控制值。6个电压控制值分别是，过充保护电压V1，充满电压V2，最高工作电压V3，低压预警电压V4，欠压电压V5，过放保护电压V6，且依次递减；2个电流控制值分别是，充电侧直流母线的过流保护电流I1，放电侧直流母线的过载保护电流I2。
中央控制单元通过检测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic的变化，根据设定的过充保护电压V1及回差ΔV1，发出信号控制光伏阵列切换电路关闭或接入光伏阵列，或发出信号控制泄荷开关关闭或接入泄荷器件；根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出信号控制蓄电池组切换电路依序轮换接入充电蓄电池组。中央控制单元通过检测放电侧直流母线的电压Vd和电流Id变化，根据设定的最高工作电压V3及回差ΔV3，发出信号控制光伏阵列切换电路关闭或接入光伏阵列；根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出信号控制蓄电池组切换电路依序轮换接入放电蓄电池组；根据设定的过放保护电压V6及回差ΔV6，发出信号控制蓄电池组切换电路关闭放电蓄电池组。
更进一步的，所述的控制器还可包含过载保护电路、负载分配电路或DC/AC逆变器时，中央控制单元通过检测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic变化，根据设定的过流保护电流I1及回差ΔI1，发出信号关闭充电直流回路中的全部光伏阵列和接入全部泄荷器件；通过检测放电侧直流母线的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过载保护电流I2及回差ΔI2，发出信号控制负载分配电路关闭次要负载、DC/AC逆变器，直至关闭全部负载；根据设定的过放保护电压V6及回差ΔV6，发出信号控制负载分配电路关闭或接入次要负载和DC/AC逆变器。
采用本发明设计的基于两重直流母线控制的风光互补发电系统，既能稳定输出通信基站设备常用的+24V或-48V直流电，也可经过DC/AC逆变器输出常规的交流电。
在上述的光伏阵列切换电路和蓄电池组切换电路中，可采用MOSFET、IGBT、双稳态继电器或固态继电器等电子开关元件来实现。在满足切换电路负荷的前提下，尽可能选择脉冲工作方式、维持电流小、以及通态压降较低的控制方式，尽可能降低切换电路的功耗。
本发明的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，与现有的公知技术相比具有以下优点：
(1)风力发电、光伏发电是清洁的可再生能源发电技术，风光互补供电系统为能源短缺的地区和远离电网的偏远地区的供电问题提供了行之有效的解决方案。
(2)多个蓄电池组依序轮换充电放电，优化了蓄电池的充放电过程，减少了蓄电池组的充放电循环次数，延长了蓄电池的使用寿命，提高了系统的供电保障能力。
(3)两个可以独立控制的直流回路，蓄电池组两端的电压波动缩小，能直接为直流负载提供稳定的电力，降低了系统的转换损耗，提高了系统输出的稳定性。
(4)充电过程不受放电过程的限制，光伏阵列和风力发电机可连续接入，光伏发电和风力发电的利用率大大提高，相当于增加了系统的发电能力。
本发明特别适合于用作远离电网的、直流负载要求稳定电压的、通信基站的供电电源。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的系统原理框图；
图2是进一步表示充电侧直流母线和充电直流回路的电路原理图；
图3是进一步表示放电侧直流母线和放电直流回路的电路原理图；
图4是进一步表示两重直流母线正极公共且接地的系统电路原理图；
图5是表示本发明实施例2的系统原理框图。
图6是表示本发明实施例扩展的系统原理框图。
符号说明
附图中1为光伏阵列，101为光伏子阵列1，102为光伏子阵列2，103为光伏子阵列3，104为光伏子阵列4，10N为光伏子阵列N，2为风力发电机，3为AC/DC变换器，4为充电侧直流母线，5为放电侧直流母线，6为蓄电池组切换电路，6A为充电端，6B为放电端，601为分配端1，602为分配端2，603为分配端3，7为储能装置，71为蓄电池组1，72为蓄电池组2，73为蓄电池组3，7N为蓄电池组N，8为泄荷器件，801为泄荷器件1，802为泄荷器件2，80N为泄荷器件N，9为泄荷开关，9X为泄荷切换电路，10为中央控制单元，11为充电检测单元，12为放电检测单元，14为过载保护电路，15为负载分配电路，16为直流设备，16A为直流主机设备，16B为直流次要设备，17为DC/AC逆变器，18为交流设备，18B为交流辅助设备，19为光伏阵列切换电路，19X为光伏阵列逐级切换电路，19A为充电端，19B为放电端，190为接地端，191为输入端1，192为输入端2，193为输入端3，194为输入端4，20为控制器。
具体实施方式
下面参照附图并通过实施例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例是一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统的基本型，如图1所示。它包括光伏阵列(1)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、泄荷器件(8)、储能装置(7)、控制器(20)，充电侧直流母线(4)、放电侧直流母线(5)、蓄电池组切换电路(6)、光伏阵列切换电路(19)、过载保护电路(14)、泄荷开关(9)、DC/AC逆变器(17)；储能装置(7)划分成3个蓄电池组(71、72和73)，蓄电池组1、2和3(71、72和73)的容量相近且可相互并联；控制器(20)还包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元。
如图2、图3所示，光伏阵列(1)连接到光伏阵列切换电路(19)的输入端(191)，通过充电端(19A)与充电侧直流母线(4)连接，通过放电端(19B)连接到放电侧直流母线(5)，通过接地端(190)被短接；风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)与充电侧直流母线(4)连接；蓄电池组切换电路(6)的充电端(6A)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组切换电路(6)的放电端(6B)连接到放电侧直流母线(5)；蓄电池组1、2或3(71、72或73)独立的与蓄电池组切换电路(6)的分配端1、2或3(601、602或603)连接；直流设备(16)、DC/AC逆变器(17)和与之相连的交流设备(18)通过过载保护电路(14)连接到放电侧直流母线(5)。
这样，通过充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)构成了两个直流回路；充电侧直流母线(4)和与其相连接的光伏阵列(1)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、待充电蓄电池组1(71)形成充电直流回路；放电侧直流母线(5)和与其相连接的光伏阵列、待放电蓄电池组3(73)、过载保护电路(14)、直流设备(16)、DC/AC逆变器(17)和与之相连的交流设备(18)形成放电直流回路；且两个直流回路可以分别独立控制。
在本实施例中，充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)的负极相连且接地而正极相互隔离；电源装置可输出DC+24V，并可通过DC/AC逆变器(17)输出AC220V；直流设备(16)和DC/AC逆变器(17)通过过载保护电路(14)连接到放电侧直流母线(5)，DC/AC逆变器(17)上连接交流设备(18)。
图4则表示了另外一种充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)的正极相连且接地而负极相互隔离的连接方式；电源装置可输出DC-48V，并可通过DC/AC逆变器(17)输出AC220V。
在蓄电池组切换电路(6)和光伏阵列切换电路(19)中采用双稳态继电器作为电子开关元件，脉冲工作方式的维持电流很小，通态压降很低，可有效降低切换电路的功耗。
开机巡检后，中央控制单元发出脉冲信号，控制分配端(601)与充电端(6A)接通，分配端(603)与放电端(6B)接通，分配端(602)空置。这样，蓄电池组1(71)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组3(73)连接到放电侧直流母线(5)，蓄电池组2(72)处于空置状态。
光伏阵列(1)通过光伏阵列切换电路(19)、风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)连接到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组1(71)充电，直至其充满为止；中央控制单元通过检测充电侧直流母线(4)的电压Vc和电流Ic的变化，根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出脉冲信号，控制分配端(602)与充电端(6A)接通，蓄电池组2(72)连接到充电侧直流母线(4)继续充电；同时，控制分配端(601)与充电端(6A)断开，蓄电池组1(71)处于空置状态，等待放电。
直流设备(16)和DC/AC逆变器(17)通过过载保护电路(14)连接到放电侧直流母线(5)，由连接到放电回路的蓄电池组3(73)供电。当中央控制单元检测到放电侧直流母线(5)的电压Vd低于设定的低压预警电压V4时，发出信号，控制光伏阵列切换电路(19)将光伏阵列(1)连接到放电侧直流母线(5)，与连接到放电回路的蓄电池组3(73)并行供电；当中央控制单元检测到放电侧直流母线(5)的电压Vd高于设定的最高工作电压V3时，发出信号，控制光伏阵列切换电路(19)将光伏阵列(1)退出到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组充电。
直至中央控制单元通过检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id的变化，根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出脉冲信号，控制分配端(601)与放电端(6B)接通，蓄电池组1(71)连接到放电侧直流母线(4)继续放电；同时，控制分配端(603)与放电端(6B)断开，蓄电池组3(73)处于空置状态，等待充电。
如此循环，蓄电池组1、2或3(71、72或73)依序轮换充电或放电。
另外，当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过充保护电压V1时，发出信号，控制光伏阵列切换电路(19)关闭光伏阵列(1)；如Vc继续大于V1，则进一步发出信号，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8)。当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc低于设定的过充保护电压V1及回差ΔV1时，发出信号，控制泄荷开关(9)断开泄荷器件(8)，并进一步控制光伏阵列切换电路(19)接入光伏阵列(1)。
当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过放保护电压V6时，发出信号，控制蓄电池组切换电路(19)关闭其放电端(6B)。当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc高于设定的最高工作电压V3时，发出信号，控制蓄电池组切换电路(19)轮换充电蓄电池组到放电侧直流母线(5)，重新开始放电。
更进一步的，中央控制单元通过检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过流保护电流I1，发出信号控制光伏阵列切换电路(19)关闭光伏阵列(1)，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8)。
中央控制单元通过检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过载保护电流I2，发出信号控制蓄电池组切换电路(19)关闭其放电端(6B)，从而关闭全部负载。
实施例2
本实施例为一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统的扩展型，如图5所示。它包括光伏阵列(1)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、泄荷器件(8)、储能装置(7)、控制器(20)，充电侧直流母线(4)、放电侧直流母线(5)、蓄电池组切换电路(6)、光伏阵列逐级切换电路(19X)、泄荷开关(9)、DC/AC逆变器(17)、过载保护电路(14)、负载分配电路(15)；储能装置(7)划分成3个蓄电池组(71、72和73)，蓄电池组1、2和3(71、72和73)的容量相近且可相互并联；光伏阵列(1)划分成4个光伏子阵列(101、102、103和104)，光伏子阵列1、2、3和4(101、102、103和104)的额定电压相同且可相互并联；控制器(20)还包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元。
光伏子阵列1、2、3和4(101、102、103和104)分别连接到光伏阵列逐级切换电路(19X)的输入端1、2、3和4(191、192、193和194)，通过充电端(19A)与充电侧直流母线(4)连接，通过放电端(19B)连接到放电侧直流母线(5)，通过接地端(190)被短接；风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)与充电侧直流母线(4)连接；蓄电池组切换电路(6)的充电端(6A)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组切换电路(6)的放电端(6B)连接到放电侧直流母线(5)；每个蓄电池组(71、72或73)独立的与蓄电池组切换电路(6)的分配端1、2或3(601、602或603)连接；控制器(20)还包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元。
这样，通过充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)构成了两个直流回路；充电侧直流母线(4)和与其相连接的光伏子阵列1、2、3或4(101、102、103或104)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、待充电蓄电池组1(71)形成充电直流回路；放电侧直流母线(5)和与其相连接的光伏阵列、待放电蓄电池组3(73)、过载保护电路(14)、负载分配电路(15)、直流主机设备(16A)、直流次要设备(16B)、DC/AC逆变器(17)和与之相连的交流辅助设备(18B)形成放电直流回路；且两个直流回路可以分别独立控制。
在本实施例中，充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)的正极相连且接地而负极相互隔离；负载分配电路(15)通过过载保护电路(14)连接到放电侧直流母线(5)，直流主机设备(16A)、直流次要设备(16B)和DC/AC逆变器(17)连接到负载分配电路(15)上，DC/AC逆变器(17)上连接交流辅助设备(18B)；电源装置可输出DC-48V，并可通过DC/AC逆变器(17)输出AC220V。
在蓄电池组切换电路(6)和光伏阵列逐级切换电路(19X)中采用MOSFET作为电子开关元件，脉冲控制方式的维持电流很小，通态压降低，可有效降低切换电路的功耗。
开机巡检后，中央控制单元发出脉冲信号，控制分配端(601)与充电端(6A)接通，分配端(603)与放电端(6B)接通，分配端(602)空置。这样，蓄电池组1(71)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组3(73)连接到放电侧直流母线(5)，蓄电池组2(72)处于空置状态。
光伏子阵列1、2、3和4(101、102、103和104)通过光伏阵列逐级切换电路(19X)、风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)连接到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组1(71)充电，直至其充满为止；中央控制单元通过检测充电侧直流母线(4)的电压Vc和电流Ic的变化，根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出脉冲信号，控制分配端(602)与充电端(6A)接通，蓄电池组2(72)连接到充电侧直流母线(4)继续充电；同时，控制分配端(601)与充电端(6A)断开，蓄电池组1(71)处于空置状态，等待放电。
直流主机设备(16A)、直流次要设备(16B)和DC/AC逆变器(17)通过过载保护电路(14)和负载分配电路(15)连接到放电侧直流母线(5)，由连接到放电回路的蓄电池组3(73)供电。当中央控制单元检测到放电侧直流母线(5)的电压Vd低于设定的低压预警电压V4时，发出信号，控制光伏阵列逐级切换电路(19X)将光伏子阵列1、2、3或4(101、102、103或104)逐个连接到放电侧直流母线(5)，与连接到放电回路的蓄电池组3(73)并行供电；当中央控制单元检测到放电侧直流母线(5)的电压Vd高于设定的最高工作电压V3时，发出信号，控制光伏阵列逐级切换电路(19X)将光伏子阵列1、2、3或4(101、102、103或104)逐个退出到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组充电。
直至中央控制单元通过检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id的变化，根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出脉冲信号，控制分配端(601)与放电端(6B)接通，蓄电池组1(71)连接到放电侧直流母线(4)继续放电；同时，控制分配端(603)与放电端(6B)断开，蓄电池组3(73)处于空置状态，等待充电。
如此循环，蓄电池组1、2或3(71、72或73)依序轮换充电或放电。
另外，当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过充保护电压V1时，发出信号，控制光伏阵列逐级切换电路(19X)逐个短接光伏子阵列1、2、3或4(101、102、103或104)；如Vc继续大于V1，则进一步发出信号，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8)。当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc低于设定的过充保护电压V1及回差ΔV1时，发出信号，控制泄荷开关(9)断开泄荷器件(8)，并进一步控制光伏阵列逐级切换电路(19X)逐个接入光伏子阵列1、2、3或4(101、102、103或104)。
当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过放保护电压V6时，发出信号，控制蓄电池组切换电路(19)关闭其放电端(6B)。当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc高于设定的最高工作电压V3时，发出信号，控制蓄电池组切换电路(19)轮换充电蓄电池组到放电侧直流母线(5)，重新开始放电。
更进一步的，中央控制单元通过检测充电侧直流母线(4)的电压Vc和电流Ic变化，根据设定的过流保护电流I1，发出信号控制光伏阵列逐级切换电路(19X)关闭全部光伏子阵列，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8)。
中央控制单元通过检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过载保护电流I2，发出信号控制负载分配电路(15)关闭直流次要设备(16B)和DC/AC逆变器(17)，直至关闭全部负载。
另外，如图6所示的另一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统的扩展型，可以将储能装置(7)划分成更多个蓄电池组，也可以将光伏阵列(1)划分成更多个光伏子阵列。
更进一步的，该系统还可以包括多个可相互并联的泄荷器件和泄荷切换电路(9X)，每一个泄荷器件，均可通过泄荷切换电路(9X)单个或者全部并联在风力发电机和AC/DC变换器之间，或者被断开。当中央控制单元检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过充保护电压V1时，或者检测到充电侧直流母线(4)的电流Ic超过设定的过流保护电流I1时，发出信号，控制泄荷切换电路(9X)逐个接入泄荷器件(8)。

Claims (9)

1、一种基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其包括：光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、泄荷器件、泄荷开关、储能装置、DC/AC逆变器和控制器，其特征在于所述的系统中还包括两重直流母线、光伏阵列切换电路、蓄电池组切换电路；两重直流母线由充电侧直流母线和放电侧直流母线构成；光伏阵列切换电路和蓄电池组切换电路既可以连接到充电侧直流母线，也可以切换到放电侧直流母线；光伏阵列连接到光伏阵列切换电路；风力发电机通过AC/DC变换器连接到充电侧直流母线；储能装置含有多个蓄电池组，每个蓄电池组独立的连接到蓄电池组切换电路；充电侧直流母线和与其相连接的光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、待充电蓄电池组形成充电直流回路，放电侧直流母线和与其相连接的光伏阵列、待放电蓄电池组、负载形成放电直流回路，且两个直流回路可以独立控制。
2、如权利要求1所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的两重直流母线，即充电侧直流母线和放电侧直流母线，可以是正极公共且接地而负极相互独立，也可以是负极公共且接地而正极相互独立。
3、如权利要求1和2所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的储能装置至少含有三个容量相近且可相互并联的蓄电池组；至少有一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与充电侧直流母线连接，同时至少有一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与放电侧直流母线连接。
4、一种如权利要求1～3所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的光伏阵列至少含有两个可相互并联的子阵列；每个子阵列相互独立，且均可通过光伏阵列切换电路独立的与充电侧直流母线连接，或与放电侧直流母线连接，或被短接。
5、如权利要求1～4所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的控制器为包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元的智能控制器；充电检测单元和放电检测单元，可实时监测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic以及放电侧直流母线的电压Vd和电流Id；中央控制单元通过监测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic的变化，在充电直流回路中，接入或断开或短接光伏阵列，接入或断开泄荷器件，依序轮换接入充电蓄电池组；中央控制单元通过监测放电侧直流母线的电压Vd和电流Id的变化，在放电直流回路中，接入或断开光伏阵列，依序轮换接入放电蓄电池组。
6、一种如权利要求1～5所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的系统还可包括泄荷切换电路、过载保护电路或负载分配电路的之一或全部。
7、如权利要求1和6所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述的负载分配电路可直接连接到放电侧直流母线，或通过过载保护电路连接到放电侧直流母线；其既可输出通信基站主机设备常用的直流电，也可经过与之相连的DC/AC逆变器输出常规的交流电。
8、如权利要求1、6和7所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述系统的智能控制器，通过监测充电侧直流母线的电压Vc和电流Ic变化，在充电直流回路中，逐级接入或断开或短接光伏阵列，逐级接入或断开泄荷器件，依序轮换接入充电蓄电池组；通过监测放电侧直流母线的电压Vd和电流Id变化，在放电直流回路中，逐级接入或断开光伏阵列，接入或断开次要负载，关闭或开启DC/AC逆变器，依序轮换接入放电蓄电池组。
9、如权利要求1所述的基于两重直流母线控制的通信基站用风光互补发电系统，其特征在于所述系统的控制程序设定了6个依次递减的电压控制值和2个电流控制值，即，过充保护电压V1，充满电压V2，最高工作电压V3，低压预警电压V4，欠压电压V5，过放保护电压V6，充电侧直流母线的过流保护电流I1，放电侧直流母线的过载保护电流I2。
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