CN101814769A - 一种风光市电互补通讯基站供电系统 - Google Patents

一种风光市电互补通讯基站供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种风光市电互补通讯基站供电系统。该系统由市电、油机、交流配电、开关电源、开关电源控制器、开关电源检测电流传感器、风光互补输出电流传感器、蓄电池、直流配电、交流负载、通讯负载、太能电池、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池电流传感器、蓄电池温度传感器、负载电流传感器组成。本发明利用风能和太阳能作为优先供电能源，市电作为补充，保证了系统的供电可靠性，风光和市电互补控制为自适应调节，并且是平滑过渡。

Description

一种风光市电互补通讯基站供电系统
技术领域
本发明涉及一种风光市电互补通讯基站供电系统，特别涉及一种为移动通讯基站供电的分布式供电系统，属于新能源应用领域。
背景技术
目前通讯基站所用的供电系统多为电网提供的市电，经过整流和DC/DC变换即开关电源向通讯模块供电。随着节能减排力度的逐渐加大，通讯基站的节能减排也日益受到人们的重视。
为了在边远地区实现无线通讯的覆盖，大多采用风光互补独立供电系统向通讯设备提供电力。这种供电方式存在许多问题，因为风能和太阳能都是非常不稳定的，为了提高供电可靠性，就需要加大风力发电设备和太阳能电池的额定容量，同时还要增加蓄电池的容量。即使这样，在极端情况下，例如长时间阴天无风条件下，仍然无法保证供电的稳定与可靠。
为了更好地实现通讯基站节能减排指标，同时保证系统可靠稳定的运行，提出了风光市电互补供电系统。这样可以充分利用通讯基站现有设备实现清洁能源的高效利用，同时由于市电能够可靠地避免因气象条件引起的供电不足的问题，无论是风力发电系统、太阳能发电系统，还是蓄电的容量均可以大幅度降低。但是风、光、市电互补发电系统存在一个优先利用的问题，在实际应用当中，需要优先利用清洁能源，只有当清洁能源不足以供给的时候市电需要自动补充，实现一种自适应供电。这种自适应控制必须在低成本条件下实现，而且风光市电互补系统必须安装施工便利，不需要特别的维护工作。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种风光市电互补通讯基站供电系统。主要目的就是在风光条件较好时利用风力发电机和太阳能电池向通信负载供电，一旦风力发电和太阳能发电所输出的电能无法满足通信负载要求时，通过电网向负载提供不足的电能部分。其中风能和太阳能作为优先供电能源，风光和市电互补控制需要自适应调节，并且要平滑过渡。
本发明的目的是这样实现的：
本发明由市电、油机、交流配电、开关电源、开关电源控制器、开关电源检测电流传感器、风光互补输出电流传感器、蓄电池、直流配电、交流负载、通讯负载、太能电池、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池电流传感器、蓄电池温度传感器、负载电流传感器组成。市电和油机通过互锁的转换器与交流配电装置相连接，交流负载由交流配电装置提供电能，交流配电装置的其中一路与开关电源相连接，开关电源输出端连接到直流母线上，直流母线分别与直流配电装置和蓄电池相连接，直流配电装置向通讯负载供电，风力发电机和太阳能电池通过风光互补控制器将电能输出到直流母线，开关电源检测电流传感器信号与开关电源控制器相连接，风光互补输出电流传感器与风光互补控制器相连接，另外蓄电池电流传感器、蓄电池温度传感器、负载电流传感器分别与开关电源控制器和风光互补控制器相连接。
所述风光互补控制器由太阳能电池变换器、全数字控制器、通讯接口、键盘显示器、制动模块、整流模块、泄荷模块、风力发电变换器组成。太阳能电池与太阳能电池变换器相连，风力发电机通过整流模块整流后与风力发电变换器相连，太阳能电池变换器和风力发电变换器的输出并联后与直流母线相连接，制动模块并联在风力发电机和整流模块之间，泄荷模块并联在整流模块和风力发电变换器之间，全数字控制器输出控制接口分别与太阳能电池变换器、制动模块、泄荷模块、风力发电变换器连接，通讯接口、键盘显示器分别与全数字控制器连接，全数字控制器还接收分别来自风光互补输出电流传感器、蓄电池电流传感器、蓄电池温度传感器、负载电流传感器的信号。
所述全数字控制器中控制模块由蓄电池模型、给定加法器、误差减法器、复合调节器组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型的输入信号，蓄电池模型的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器减去风光互补输出电流IWP后得到误差信号errI输入给复合调节器，并得到控制变量D，控制变量D输入给太阳能变换器和风力发电变换器得到调节后的风光互补输出电流IWP。
所述开关电源控制器中控制模块由蓄电池模型、给定加法器、误差减法器、PI调节器、电流加法器组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型的输入信号，蓄电池模型的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器减去反馈电流ISB后得到误差信号errI输入给PI调节器，并得到控制变量D，控制变量D输入给开关电源得到调节后的开关电源输出电流IS。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，通过风能和太阳能发电优先向负载供电。
本发明的另外一个效果在于，风力发电和太阳能发电不能满足负载需求时，由市电通过开关电源向负载提供部分电能。
本发明的另外一个效果在于，市电的补充是自适应调节实现的，可以平滑过渡。
本发明的另外一个效果在于，风光互补发电和开关电源分别独立控制，可靠性高。
附图说明
图1是本发明中的风光市电互补通讯基站供电系统框图；
图2是风光互补控制器内部结构框图；
图3是风光互补控制结构框图；
图4是开关电源控制结构框图；
具体实施方式
实施例：一种风光市电互补通讯基站供电系统，包括：
市电101、油机102、交流配电103、开关电源104、开关电源控制器105、开关电源检测电流传感器106、风光互补输出电流传感器107、蓄电池108、直流配电109、交流负载110、通讯负载111、太能电池112、风力发电机113、风光互补控制器114、蓄电池电流传感器115、蓄电池温度传感器116、负载电流传感器117组成。市电101和油机102通过互锁的转换器与交流配电103相连接，交流负载110由交流配电103提供电能，交流配电103的其中一路与开关电源104相连接，开关电源104输出端连接到直流母线上，直流母线分别与直流配电109和蓄电池108相连接，直流配电109向通讯负载111供电，风力发电机113和太阳能电池112通过风光互补控制器114将电能输出到直流母线，开关电源检测电流传感器106信号与开关电源控制器105相连接，风光互补输出电流传感器107与风光互补控制器114相连接，另外蓄电池电流传感器115、蓄电池温度传感器116、负载电流传感器117分别与开关电源控制器105和风光互补控制器114相连接。
其中风光互补控制器114由太阳能电池变换器201、全数字控制器202、通讯接口203、键盘显示器204、制动模块205、整流模块206、泄荷模块207、风力发电变换器208组成。太阳能电池112与太阳能电池变换器201相连，风力发电机113通过整流模块206整流后与风力发电变换器208相连，太阳能电池变换器201和风力发电变换器208的输出并联后与直流母线相连接，制动模块205并联在风力发电机113和整流模块206之间，泄荷模块207并联在整流模块206和风力发电变换器208之间，全数字控制器202输出控制接口分别与太阳能电池变换器201、制动模块205、泄荷模块207、风力发电变换器208连接，通讯接口203、键盘显示器204分别与全数字控制器202连接，全数字控制器202还接收分别来自风光互补输出电流传感器107、蓄电池电流传感器115、蓄电池温度传感器116、负载电流传感器117的信号。
所述全数字控制器202中控制模块由蓄电池模型301、给定加法器302、误差减法器303、复合调节器304组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型301的输入信号，蓄电池模型301的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器302得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器303减去风光互补输出电流IWP后得到误差信号errI输入给复合调节器304，并得到控制变量D，控制变量D输入给太阳能变换器201和风力发电变换器208得到调节后的风光互补输出电流IWP。
所述开关电源控制器105中控制模块由蓄电池模型401、给定加法器402、误差减法器403、PI调节器404、电流加法器405组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型401的输入信号，蓄电池模型401的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器403减去反馈电流ISB后得到误差信号errI输入给PI调节器404并得到控制变量D，控制变量D输入给开关电源104并得到调节后的开关电源输出电流IS。
本实施例上述内容具体解释如下：
如图1所示，风光互补控制器114和开关电源104同时向直流母线提供电流，直流母线的电流一部分提供给通讯负载111，另外一部分给蓄电池108充电，形成了风力发电、太阳能发电和市电互补的通讯基站供电系统。风光互补控制器114和开关电源104提供的电流之和等于蓄电池的充电电流与通讯负载电流之和。
通过检测直流母线电压可以得到蓄电池电压Ubatt，通过开关电源检测电流传感器106可以得到风光互补控制器114和开关电源104提供的电流之和ISB，风光互补输出电流传感器107仅检测风光互补控制器的输出电流，通过蓄电池电流传感器115可以得到蓄电池108的充放电电流，通过蓄电池温度传感器116可以检测出蓄电池108的温度，通过负载电流传感器117可以得到通讯负载111的电流。
为了更好地利用蓄电池108，必须按照蓄电池的特性曲线进行充放电控制，根据蓄电池的特性曲线建立蓄电池模型301、401、501，根据蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt利用蓄电池模型301、401、501可以得到蓄电池的充电电流给定值Ibatt_ref。
如图2所示，风光互补控制器114中的太阳能电池变换器201和风力发电变换器208均由升降压DC/DC变换器组成，可以实现最大功率点追踪功能。当风速较大时，风力发电机113所提供的能量超过用电需求，为了防止风机转速过高，就需要利用全数字控制器202控制泄荷模块207将一部分能量释放掉。在系统故障时，或者出现极端气象条件下需要将风机制动时，可以通过全数字控制器202控制制动模块205将风力发电机113的输出短接制动。通讯接口203用于对风光互补发电系统进行远程监控，键盘显示器204用于对参数进行设定和显示。
风光互补控制器114和开关电源104是分别独立控制的，相互之间没有控制信号的联系。其中风力发电控制如图3所示，蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt输入给蓄电池模型301得到蓄电池给定电流Ibatt_ref，将负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref相加得到系统所需的总电流，即给定电流Iref。风光互补发电系统通过控制尽量使得输出电流满足给定电流Iref，给定电流Iref减去风光互补输出电流IWP后得到误差信号errI输入给复合调节器304。当风光互补发电系统捕获的能量能够满足系统需求的总能量时，复合调节器304工作在比例积分(PI)调节器模式，计算出控制变量D，控制变量D输入给太阳能变换器201和风力发电变换器208得到调节后的风光互补输出电流IWP，并使IWP跟踪给定电流Iref。当风光互补发电系统捕获的能量不能满足系统需求的总能量时，复合调节器304工作在最大功率点追踪(MPPT)模式，计算出控制变量D，控制变量D输入给太阳能变换器201和风力发电变换器208得到调节后的风光互补输出电流IWP，这时IWP无法跟踪给定电流Iref，即IWP＜Iref，其电流的差值需要开关电源自动补充。
开关电源的控制如图4所示，蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt输入给蓄电池模型401得到蓄电池给定电流Ibatt_ref，将负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref相加得到系统所需的总电流，即给定电流Iref。给定电流Iref减去开关电源反馈电流ISB后得到误差信号errI输入给PI调节器404，其中ISB＝IS+IWP。PI调节器404计算出控制变量D，控制变量D输入给开关电源104得到调节后的开关电源输出电流IS，并使IS跟踪给定电流Iref与风光互补输出电流IWP之差，即市电对风光互补发电能量不足部分进行补充，这样就自动实现了风光互补发电优先的功能，而且这种补充是平滑过渡并自动实现的。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。故凡依本发明之精神实质、形状、原理所作的变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风光市电互补通讯基站供电系统，其特征在于：它由市电(101)、油机(102)、交流配电(103)、开关电源(104)、开关电源控制器(105)、开关电源检测电流传感器(106)、风光互补输出电流传感器(107)、蓄电池(108)、直流配电(109)、交流负载(110)、通讯负载(111)、太能电池(112)、风力发电机(113)、风光互补控制器(114)、蓄电池电流传感器(115)、蓄电池温度传感器(116)、负载电流传感器(117)组成。市电(101)和油机(102)通过互锁的转换器与交流配电(103)相连接，交流负载(110)由交流配电(103)提供电能，交流配电(103)的其中一路与开关电源(104)相连接，开关电源(104)输出端连接到直流母线上，直流母线分别与直流配电(109)和蓄电池(108)相连接，直流配电(109)向通讯负载(111)供电，风力发电机(113)和太阳能电池(112)通过风光互补控制器(114)将电能输出到直流母线，开关电源检测电流传感器(106)信号与开关电源控制器(105)相连接，风光互补输出电流传感器(107)与风光互补控制器(114)相连接，另外蓄电池电流传感器(115)、蓄电池温度传感器(116)、负载电流传感器(117)分别与开关电源控制器(105)和风光互补控制器(114)相连接。
2.如权利要求1所述的一种风光市电互补通讯基站供电系统，其特征在于：风光互补控制器(114)由太阳能电池变换器(201)、全数字控制器(202)、通讯接口(203)、键盘显示器(204)、制动模块(205)、整流模块(206)、泄荷模块(207)、风力发电变换器(208)组成。太阳能电池(112)与太阳能电池变换器(201)相连，风力发电机(113)通过整流模块(206)整流后与风力发电变换器(208)相连，太阳能电池变换器(201)和风力发电变换器(208)的输出并联后与直流母线相连接，制动模块(205)并联在风力发电机(113)和整流模块(206)之间，泄荷模块(207)并联在整流模块(206)和风力发电变换器(208)之间，全数字控制器(202)输出控制接口分别与太阳能电池变换器(201)、制动模块(205)、泄荷模块(207)、风力发电变换器(208)连接，通讯接口(203)、键盘显示器(204)分别与全数字控制器(202)连接，全数字控制器(202)还接收分别来自风光互补输出电流传感器(107)、蓄电池电流传感器(115)、蓄电池温度传感器(116)、负载电流传感器(117)的信号。
3.如权利要求1所述的一种风光市电互补通讯基站供电系统，其特征在于：全数字控制器(202)中控制模块由蓄电池模型(301)、给定加法器(302)、误差减法器(303)、复合调节器(304)组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型(301)的输入信号，蓄电池模型(301)的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器(302)得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器(303)减去风光互补输出电流IWP后得到误差信号errI输入给复合调节器(304)，并得到控制变量D，控制变量D输入给太阳能变换器(201)和风力发电变换器(208)得到调节后的风光互补输出电流IWP。
4.如权利要求1所述的一种风光市电互补通讯基站供电系统，其特征在于：开关电源控制器(105)中控制模块由蓄电池模型(401)、给定加法器(402)、误差减法器(403)、PI调节器(404)、电流加法器(405)组成。蓄电池电压Ubatt和蓄电池温度Tbatt为蓄电池模型(401)的输入信号，蓄电池模型(401)的输出信号为蓄电池给定电流Ibatt_ref，负载电流IL和蓄电池给定电流Ibatt_ref经过给定加法器得到给定电流Iref，给定电流Iref通过误差减法器(403)减去反馈电流ISB后得到误差信号errI输入给PI调节器(404)并得到控制变量D，控制变量D输入给开关电源(104)并得到调节后的开关电源输出电流IS。
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