CN101714770A

CN101714770A - 野外高效风光发电系统及方法

Info

Publication number: CN101714770A
Application number: CN200910258801A
Authority: CN
Inventors: 张唯易; 王营冠; 周璐巍; 巩思亮
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101714770B

Abstract

野外高效风光发电系统及方法，涉及风光发电领域。现有技术存在可靠性差，使用寿命短等缺陷。本发明系统控制器，分别与蓄电池、风力电能充电开关和光伏电能充电开关相连，并与分别设在风力电能整流模块和光伏电能整流模块直流输出线路上的电流/电压检测点相连，根据检测到的电流/电压信息及蓄电池的电压信息控制风力电能充电开关和光伏电能充电开关的开闭。实现对风光发电高效、高可靠性、长寿命的控制方式，并且根据野外现场特定的气象条件，可以灵活的设置达到良好最佳控制效果。

Description

野外高效风光发电系统及方法

技术领域

本发明涉及风光发电领域，特别是一种适用于野外无线基站高效、高可靠性、长寿命的风光发电系统及方法。

背景技术

通讯产业的迅速发展，促使了经济的飞跃，各区域的信号覆盖率体现了经济的发展程度。但由于各区域经济发展的程度、地理位置、地形地貌、规划等各种原因，很多区域还未输通电网，基于这种情况，近几年野外的风力发电、太阳能发电得到发展及应用。然而风力发电与太阳能发电存在不同的发电原理、不同的电流形式，使用的蓄能电池不同的充放电特性，不同的区域存在不同的气象特点，所以怎样对风光互补发电进行控制，满足野外的风光发电需要高效率、高可靠性以及长寿命要求，成为目前风光发电控制方式需要突破的迫切需求。

目前市场缺乏成熟的风光发电系统，已有的产品之考虑能够发电即可，输出给蓄电池的充电电流很不稳定，变化起伏大，影响蓄电池寿命，导致野外的设备因为电源系统的不稳定，造成维护、维修费用的大量增加。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种野外高效风光发电系统及方法，以实现对风光发电高效、高可靠性、长寿命的控制方式，并且根据野外现场特定的气象条件，可以灵活的设置达到良好最佳控制效果。

为此，本发明采用以下技术方案：野外高效风光发电系统，包括风力发电机、光伏板、蓄电池和给蓄电池充电的充电模块，其特征在于该系统还包括：

风力电能整流模块，与风力发电机相连，将风力发电机输出的交流电转换成直流电输出；

设于风力电能整流模块与充电模块之间的风力电能充电开关，控制风力电能整流模块与充电模块之间的通断，风力发电机、风力电能整流模块与风力电能充电开关形成风力发电主回路；

光伏电能整流模块，与光伏板相连，将光伏板输出的直流电以防反接的方式送入充电回路；

设于光伏电能整流模块与充电模块之间的光伏电能充电开关，控制光伏电能整流模块与充电模块之间的通断，光伏板、光伏电能整流模块与光伏电能充电开关形成风力发电主回路；

系统控制器，分别与蓄电池、风力电能充电开关和光伏电能充电开关相连，并与分别设在风力电能整流模块和光伏电能整流模块直流输出线路上的电流/电压检测点相连，根据检测到的电流/电压信息及蓄电池的电压信息控制风力电能充电开关和光伏电能充电开关的开闭。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些措施的任意组合：

所述的光伏板与光伏电能整流模块之间的线路上连有光伏卸荷电路，该光伏卸荷电路包括光伏卸荷单元和控制光伏卸荷单元与光伏发电主回路通断的光伏卸荷开关，光伏卸荷开关与系统控制器相连，系统控制器根据检测到的电流/电压信息控制光伏卸荷开关的开闭。

所述的风力发电机与风力电能整流模块之间的线路上连有风力卸荷电路，该风力卸荷电路包括风力卸荷单元和控制风力卸荷单元与风力发电主回路通断的风力卸荷开关，风力卸荷开关与系统控制器相连，系统控制器根据检测到的电流/电压信息控制风力卸荷开关的开闭。由于自然界风力的不稳定性，特别是在台风、飓风、龙卷风等情况下，自然风速往往远远超过风力发电机设计的额定风速，同时由于小风力发电机(一般为2kW以下)出于成本及自身控制能耗的考虑，一般不考虑自身偏航及调浆控制，在蓄电池被充饱和，风力发电被切出的情况下，风力发电机处于无负载高速运转，可能导致浆叶或风力发电机的损坏或缩短其使用寿命。在蓄电池被充饱和的情况下，采用全卸荷方式将风力发电能力切除，转移到卸荷单元上释放掉，一是可以绝对的防止蓄电池过充，确保蓄电池的寿命，二是有效的降低风力发电机在高风速情况下的转速，有效的保证风力发电机的寿命。

所述的光伏电能充电开关和风力电能充电开关均为绝缘栅双极型功率管模块。

配合上述发电系统，本发明还提供一种野外高效风光发电方法，系统控制器通过控制风力发电主回路和光伏发电主回路中电能充电开关和卸荷开关的开闭调节主回路输出电流，当电能充电开关闭合，卸荷开关断开，回路全部电能进入蓄电池充电；当电能充电开关闭合，卸荷开关闭合，回路部分电能进入蓄电池充电；当电能充电开关断开，卸荷开关闭合，回路电能不输给蓄电池充电，全部进入卸荷单元。

在系统控制器中预设风力充电起始电压、光伏充电起始电压、风力充电饱和电压和光伏充电饱和电压，系统控制器检测风力发电主回路和光伏发电主回路的输出电压，当输出电压大于充电起始电压并小于充电饱和电压时，系统控制器闭合相应回路的电能充电开关给蓄电池充电，当输出电压大于充电饱和电压时，系统控制器断开相应回路的电能充电开关；

当切入风力发电主回路对蓄电池进行充电时，系统控制器检测风力发电主回路输出的峰值电压，在峰值电压相对蓄电池电压一定的压差范围内时切入充电，可以有效的防止切入时对控制回路以及蓄电池的电流冲击，保证了控制回路的可靠性及蓄电池的寿命；当蓄电池充电饱和需要切出风力发电主回路时，先使风力发电主回路与风力卸荷单元连通，并经过延时后再断开风力电能充电开关，这样有效的防止了风力发电在切出时产生的高电压(风力发电机在空载情况下出现的高电动势)对控制回路的冲击。

切入光伏发电主回路对蓄电池进行充电前，先将光伏发电主回路与光伏卸荷单元连通，使光伏发电主回路输出电压被拉低到蓄电池电压以下，在切入充电状态后，延时后将光伏发电主回路与光伏卸荷单元断开；切出光伏发电主回路时，先将光伏发电主回路与光伏卸荷单元连通，延时后再断开光伏电能充电开关。光伏发电在空载时，存在很高的空载电压，在切入充电时，会产生冲击电流；在切出时会产生直流拉弧电流，对控制回路中的元器件寿命有很大影响。采用光伏电压监测及延时控制，可以有效的防止冲击电流或拉弧电流的出现。

在系统控制器中预设上限充电电流、蓄电池第一电压饱和值和蓄电池第二电压饱和值，充电中将测得的蓄电池电压与上述两个饱和值进行比较，若蓄电池电压低于第一电压饱和值，则控制充电电流为上限电流的±10％范围内；若蓄电池电压高于第一电压饱和值且低于第二电压饱和值，则控制充电电流大于蓄电池负载电流且为上限电流的30％。

有益效果：1)本发明采用对风力、太阳能发电采取独立的控制，采用独立的控制回路及控制方式，实现风力、太阳能发电能量叠加、分别切除以及自动转换。由于风力与光伏发电风别为交、直流不同的形式，并且风力发电相比光伏发电，其发电能量存在较大的变换范围以及非连续性，采用独立的控制回路及方式，可以实现高效发电；

2)采用绝缘栅双极型功率管(IGBT)模块器件作为电力切换、采用滞环控制方式分合电力电路。由于野外无线基站对电气中存在的电力及射频干扰要求较高，同时风力发电机又不允许其负载长期非连续性变化，本发明不采用常规的PWM调制方式，而采用滞环控制方式切换方式，除了实现对电力回路的可靠控制，同时可以避免负载频繁突变对风力发电机产生的冲击，还可以降低对用电设备的电磁干扰；

3)是根据根据蓄电池的特性、现场用电设备的功耗以及野外现场的气象特点，合理的设置风力、太阳能发电能量对蓄电池充电的切入、切出以及组合，实现对蓄电池合理的充放电，延长其使用寿命。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示的野外高效风光发电系统，风力发电机、风力电能整流模块与风力电能充电开关形成风力发电主回路，光伏板、光伏电能整流模块与光伏电能充电开关形成光伏发电主回路。光伏卸荷电路包括光伏卸荷单元和光伏卸荷开关，风力卸荷电路包括风力卸荷单元和风力卸荷开关。光伏电能充电开关、风力电能充电开关以及光伏卸荷开关均为绝缘栅双极型功率管模块。

系统控制器分别与蓄电池、风力电能充电开关、光伏电能充电开关、风力卸荷开关和光伏卸荷开关相连，并与分别设在风力电能整流模块和光伏电能整流模块直流输出线路上的电流/电压检测点相连，根据检测到的电流/电压信息及蓄电池的电压信息控制各开关的开闭。

风力发电主回路中，风力卸荷开关与风力电能充电开关分合动作的相互组合，可以实现以下三种方式：

1)、风力卸荷开关断开，风力电能充电开关闭合，可以实现风电能量全部进入蓄电池充电；

2)、风力卸荷开关闭合，风力电能充电开关闭合，可以实现部分风电能量进入蓄电池充电；

3)、风力卸荷开关闭合，风力电能充电开关断开，可以停止风电能量进入蓄电池充电，其能量全部进入卸荷电路，防止风力发电机“飞车”；

同时，光伏发电主回路中，其卸荷开关与电能充电开关的组合，可以实现以下与上述风力发电相同的三种方式。因此，风力与光伏发电相互的组合，可以实现以下六种组合方式：一是风光全部充电；二是风光全部退出充电；三是风全部充电，光部分充电；四是风全部充电，光全部退出充电；五是光全部充电，风部分充电，六是风全部充电，光全部退出充电。

系统控制器中设置相应的控制参数，包括蓄电池充电上限电流、风力卸荷单元阻值、光伏卸荷单元阻值、蓄电池循环充电的起始充电电压(风力与光伏可以采用不同的电压点，具体的设置根据当地的气象条件，风强光弱则采用风低光高，而风弱光强则采用风高光低)、蓄电池饱和电压(也是停止充电电压，同样根据当地气象条件，风光可以采用不同的电压点，其高低设置原则与上述相同，这样可以防止蓄电池出现“假”充饱和的情况)、各种开关之间切换的延时时间(可以防止电力回路的全分断或者全闭合，提高控制可靠性及防止干扰实现)以及各种组合电路切换的滞缓延时时间。

在运行过程中，系统控制器实时的检测蓄电池电压，风力发电充电电流，光伏发电充电电流，并在系统控制器中与相应的参数通过运算，选择合适的充电主回路组合方式，实现在充电的过程中，在蓄电池第一电压饱和点(低点)以下，可以实现最接近上限电流对蓄电池进行充电；在蓄电池第二电压饱和点(高点)以下，实现高于负载电流的小电流充电，可以确保蓄电池因大电流充电出现的“假”饱和现象。当蓄电池被充饱和，风光发电全部退出充电，蓄电池通过负载设备进入放电的循环周期。低于设置的起始电压点后，再次进入风光充电的循环周期。

在运行的过程中，直流电力回路的分断采用功率IGBT作为开关器件，因其有极大的过流及耐压余量，可靠性及使用寿命完全能够得到保证。同时在运行控制过程中，由于有时间滞缓、充电电压滞缓，以及风、光发电自然的持续特性，实际使用中，一是IGBT开关不会产生频繁的动作，二是在IGBT开关动作时，由于组合方式以及开关之间切换的延时时间限制，能量在回路中的分合成梯度方式实现，不会出现全部分断与闭合之间的直接转换。

卸荷电阻阻值及功率的选取根据风机、光伏板的额定功率，以及当地现场的气象条件选取，一般选取为实际发电功率的一半较合适。关于蓄电池的起始充电电压、饱和充电电压点以及上限充电电流的选取，可以根据所使用的蓄电池特性以及现场的气象条件实现。

应当指出，本实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.野外高效风光发电系统，包括风力发电机、光伏板、蓄电池和给蓄电池充电的充电模块，其特征在于该系统还包括：

2.根据权利要求1所述的野外高效风光发电系统，其特征在于：所述的光伏板与光伏电能整流模块之间的线路上连有光伏卸荷电路，该光伏卸荷电路包括光伏卸荷单元和控制光伏卸荷单元与光伏发电主回路通断的光伏卸荷开关，光伏卸荷开关与系统控制器相连，系统控制器根据检测到的电流/电压信息控制光伏卸荷开关的开闭。

3.根据权利要求2所述的野外高效风光发电系统，其特征在于：所述的风力发电机与风力电能整流模块之间的线路上连有风力卸荷电路，该风力卸荷电路包括风力卸荷单元和控制风力卸荷单元与风力发电主回路通断的风力卸荷开关，风力卸荷开关与系统控制器相连，系统控制器根据检测到的电流/电压信息控制风力卸荷开关的开闭。

4.根据权利要求1所述的野外高效风光发电系统，其特征在于：所述的光伏电能充电开关和风力电能充电开关均为绝缘栅双极型功率管模块。

5.采用权利要求3所述野外高效风光发电系统的野外高效风光发电方法，其特征在于：系统控制器通过控制风力发电主回路和光伏发电主回路中电能充电开关和卸荷开关的开闭调节主回路输出电流，当电能充电开关闭合，卸荷开关断开，回路全部电能进入蓄电池充电；当电能充电开关闭合，卸荷开关闭合，回路部分电能进入蓄电池充电；当电能充电开关断开，卸荷开关闭合，回路电能不输给蓄电池充电，全部进入卸荷单元。

6.根据权利要求5所述的野外高效风光发电方法，其特征在于：在系统控制器中预设风力充电起始电压、光伏充电起始电压、风力充电饱和电压和光伏充电饱和电压，系统控制器检测风力发电主回路和光伏发电主回路的输出电压，当输出电压大于充电起始电压并小于充电饱和电压时，系统控制器闭合相应回路的电能充电开关给蓄电池充电，当输出电压大于充电饱和电压时，系统控制器断开相应回路的电能充电开关；

7.根据权利要求6所述的野外高效风光发电方法，其特征在于：当切入风力发电主回路对蓄电池进行充电时，系统控制器检测风力发电主回路输出的峰值电压，在峰值电压相比蓄电池电压在一定压差范围内时切入充电；当蓄电池充电饱和需要切出风力发电主回路时，先使风力发电主回路与风力卸荷单元连通，并经过延时后再断开风力电能充电开关。

8.根据权利要求6所述的野外高效风光发电方法，其特征在于：切入光伏发电主回路对蓄电池进行充电前，先将光伏发电主回路与光伏卸荷单元连通，使光伏发电主回路输出电压被拉低到蓄电池电压以下，在切入充电状态后，延时后将光伏发电主回路与光伏卸荷单元断开；切出光伏发电主回路时，先将光伏发电主回路与光伏卸荷单元连通，延时后再断开光伏电能充电开关。

9.根据权利要求5所述的野外高效风光发电方法，其特征在于：在系统控制器中根据蓄电池配置特性预设充电上限电流值，在风光充电过程中，通过对风光充电电压/电流的检测，适时控制风力发电、光伏发电回路中卸荷开关、充电开关的通断，实现上限电流±10％范围内的充电电流；同时在控制器中根据蓄电池特性预设第一电压饱和点(低点)，第二电压饱和点(高点)，将蓄电池电压与上述两个饱和点进行比较，若在第一电压饱和点以下时以满幅度充电，若在第一电压饱和点以上且在第二饱和点以下时，上限电流调整为原来的30％左右。