CN101860270A - 一种充分利用风能和太阳能的接入系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充分利用风能和太阳能的接入系统,主要由风力发电机、太阳能电池板、电网、以及蓄电池构成,其特征在于:所述的风力发电机经整流滤波电路I、DC-DC升压电路I后与二极管D1的正极相连接,太阳能电池板经最大功率跟踪电路、DC-DC升压电路II后与二极管D2的正极相连接,电网经自耦升压变压器、整流滤波电路II后与二极管D3的正极相连接,蓄电池与DC-DC升压电路II相连接;所述二极管D1的负极、二极管D2的负极及二极管D3的负极相互连接等。本发明能充分的利用风力发电机和太阳能电池板所提供的能量,不仅对蓄电池的容量要求较小,而且还能显著的延长蓄电池的使用寿命和可靠性能。

Description

一种充分利用风能和太阳能的接入系统及其实现方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风能和太阳能的接入系统,具体是指一种充分利用风能和太阳能的接入系统及其实现方法。
背景技术
[0002] 目前,太阳能和风能已经在人们的生活中被广泛使用,由此衍生而来风光互补系 统也备受人们的关注。根据可再生能源的使用方式来看,目前的风光互补系统大致分为以 下三种使用方式:
[0003] 第一种使用方式为图1所示的风能和太阳能的简单组合,即直接将风能通过风力 发电机转换为电能,存储进蓄电池;同时,太阳能直接通过太阳能电池板转换为电能存储进 蓄电池,然后再将蓄电池里的电能通过逆变器输出。该种使用方式结构非常简单,但是由于 缺乏详细的数学计算模型,因此导致了风能和太阳能的利用效率低下,同时由于该种使用 方式对蓄电池的容量要求较高,因此其制作成本和维护成本较高。加之系统对蓄电池使用 频繁并进行不科学的充电,因此该蓄电池的使用寿命不长,不利用广泛推广和应用。
[0004] 第二种使用方式为图2所示的依赖于电网的风光互补系统,即通过风力发电机和 光伏组件将风能和太阳能转换为电能,再通过正弦逆变器对负载供电。如果风能和太阳能 所能提供的能量大于负载所需要的能量,则直接由其提供给负载。如果风能和太阳能所能 提供的能量小于负载所需的能量,则切换到电网供电以提供给负载能量。此种使用方式虽 然去掉了蓄电池,降低了成本,提高了可靠性,但是,它没有最大限度的利用风能和太阳能。 当风能和太阳能不足以提供负载的时候,系统便会切换到市电供电,此时太阳能和风能就 没有被利用,因此其效率较低。
[0005] 第三种使用方式为图3所示的并网型风光互补系统,即通过风力发电机和光伏组 件将风能和太阳能转换为电能,再通过正弦逆变器将此电能转换为与电网同频同相等幅的 正弦波交流电对负载供电,同时,将此交流电直接并接在电网上。如果风能和太阳能所能提 供的能量大于负载所需要的能量,多余的电能将上传到电网。如果风能和太阳能所能提供 的能量小于负载所需的能量,则从电网借电以提供负载。此种使用方式虽然成本较低、效率 较高,但却不允许小型风光互补系统直接并网,因此不能被广泛推广和使用。
[0006] 综上所述,目前人们仍未能寻找到一种供风光互补系统使用的最佳方式,且风能 和太阳能的利用也非常不充分,不能满足人们节能的需求。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于克服目前风光互补系统不能充分利用风能和太阳能的缺陷,提 供一种结构较为简单、不仅能充分利用风能和太阳能,而且其性能非常稳定的一种充分利 用风能和太阳能的接入系统。
[0008] 本发明的另一目的是提供一种充分利用风能和太阳能的接入系统的实现方法。
[0009] 本发明的目的通过下述技术方案实现:一种充分利用风能和太阳能的接入系统,主要由风力发电机、太阳能电池板、电网、以及蓄电池构成,所述的风力发电机经整流滤波 电路I、DC-DC升压电路I后与二极管Dl的正极相连接,太阳能电池板经最大功率跟踪电 路、DC-DC升压电路II后与二极管D2的正极相连接,电网经自耦升压变压器、整流滤波电 路II后与二极管D3的正极相连接,蓄电池与DC-DC升压电路II相连接;所述二极管Dl的 负极、二极管D2的负极及二极管D3的负极相互连接后再经智能控制逆变器与输出电路相 连接,所述的DC-DC升压电路I、DC-DC升压电路II、电网、最大功率跟踪电路及蓄电池还均 分别经系统接入电路后与智能控制逆变器相连接。
[0010] 进一步地,所述的系统接入电路主要由正弦脉宽调制SPWM,与DC-DC升压电路I相 连接的脉冲宽度调制PWM和AD转换器,与电网相连接的AD转换器,与最大功率跟踪电路相 连接的脉冲宽度调制PWM,与DC-DC升压电路II相连接的脉冲宽度调制PWM和AD转换器, 以及与蓄电池相连接的AD转换器构成;且所述的正弦脉宽调制SPWM、所有的脉冲宽度调制 PWM及AD转换器均集成在一块芯片内部。
[0011] 所述的智能控制逆变器由CPU,与所述正弦脉宽调制SPWM 相连接的隔离驱动电 路,分别与隔离驱动电路、输出电路、二极管D1、二极管D2及二极管D3相连接的H桥组成。
[0012] 所述的输出电路由与H桥相连接的LC滤波电路、与LC滤波电路相连接的隔离采 样电路构成。
[0013] 一种充分利用风能和太阳能的接入系统的实现方法,其特征在于,主要包括以下 步骤:
[0014] (a)电网电压经自耦升压变压器和整流滤波电路II后,形成一个基准直流电压;
[0015] (b)太阳能电池板经最大功率跟踪电路后形成输入电压和输出电压,CPU通过比 较该输入电压和输出电压进行最大功率点跟踪,并由DC-DC升压电路II将该输出电压升 高,得到太阳能电池板的输出电压;
[0016] (c)风力发电机发出的三相交流电经整流滤波电路I后,再由DC-DC升压电路I将 该输出电压进行升高,得到风力发电机的输出电压;
[0017] (d)CPU判定风力发电机和太阳能电池板的输出电压是否大于步骤(a)中的基准 直流电压,并根据负载所需功率来控制DC-DC升压电路I和DC-DC升压电路II的功率输出。
[0018] 进一步地,所述步骤(b)中所述的CPU通过比较该输入电压和输出电压进行最大 功率点跟踪,具体包括以下步骤:
[0019] (bl) CPU停止最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板的开路电压Ul ;
[0020] (b2) CPU打开最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板的端电压U2 ;
[0021] (b3) CPU通过调节最大功率跟踪电路,使得开路电压Ul和端电压U2的比值为 0. 78。
[0022] 所述步骤(d)中所述的根据负载所需功率来控制DC-DC升压电路I和DC-DC升压 电路II的功率输出,具体包括以下步骤:
[0023] (dl)CPU判定风力发电机所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤 (d2),否,则执行步骤(d3);
[0024] (d2)由风力发电机提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态,是, 则由风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板所提供的电能一起对 蓄电池进行充电;否,则将风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板所提供的电能一起送进电网; [0025] (d3) CPU判定太阳能电池板所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤 (d4),否,则执行步骤(d5);
[0026] (d4)由太阳能电池板提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态, 是,则由太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电机所提供的电能一起 对蓄电池进行充电;否,则将太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电 机所提供的电能一起送进电网;
[0027] (d5)CPU判定风力发电机所提供的能量和太阳能电池板所提供的能量之和是否大 于负载所需能量,是,则执行步骤(d6),否,则执行步骤(d7);
[0028] (d6)由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量,同时CPU判定蓄电池是 否处于欠压状态,是,则由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余的能 量对蓄电池进行充电,否,则将风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余 的能量一起送入电网;
[0029] (d7)CPU判定风力发电机和太阳能电池板一起所提供的能量是否大于负载所需能 量,且蓄电池是否处于充满状态,是,则执行步骤(d8),否,则执行步骤(d9);
[0030] (d8)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额 则由蓄电池提供;
[0031] (d9)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额 则由电网提供。
[0032] 本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
[0033] (1)本发明能充分的利用风力发电机和太阳能电池板所提供的能量,而不是在传 统的风力发电机和太阳能电池板之间简单的进行电路切换,同时,本发明对蓄电池的容量 要求较小,能显著的延长蓄电池的使用寿命和可靠性能。
[0034] (2)本发明对蓄电池的使用时间较少,且还可以依附于电网,因此能有效的利用可 再生资源。
[0035] (3)本发明具有较强的环境适应能力,不仅可以采用并网模式,还可以采用于离网 模式和在线模式,且针对不同的环境均能确保工作于最佳工作状态。
[0036] (4)本发明还可广泛运用于家用,通信基站,船用等。
附图说明
[0037] 图1为现有风能和太阳能的简单组合供电方式结构示意图。
[0038] 图2为现有依赖于电网的风光互补系统的结构示意图。
[0039] 图3为现有的并网型风光互补系统结构示意图。
[0040] 图4为本发明的整体结构示意图。
[0041] 图5为本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0042] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
[0043] 实施例[0044] 图1为现有的风能和太阳能的简单组合方式,主要由蓄电池、与蓄电池相连接并 为其提供电能的风力发电机和太阳能电池板、与蓄电池相连接的逆变器、以及与逆变器相 连接的负载构成。该种方式的使用过程为直接将风能通过风力发电机转换为电能,存储进 蓄电池;同时,太阳能直接通过太阳能电池板转换为电能存储进蓄电池,然后再将蓄电池里 的电能通过逆变器输出。 [0045] 图2为目前依赖于电网的风光互补系统,主要由正弦逆变器、与正弦逆变器相连 接的风力发电机和太阳能电池板、电网、以及通过选择开关分别与正弦逆变器和电网相连 接的负载构成。该种方式的使用过程为通过风力发电机和光伏组件将风能和太阳能转换为 电能,再通过正弦逆变器对负载供电。如果风能和太阳能所能提供的能量大于负载所需要 的能量,则直接由其提供给负载。如果风能和太阳能所能提供的能量小于负载所需的能量, 则切换到电网供电以提供给负载能量。
[0046] 图3为目前并网型风光互补系统,主要由正弦逆变器、与正弦逆变器相连接的风 力发电机和太阳能电池板、以及均与正弦逆变器相连接的负载和电网构成。该种方式的使 用过程为通过风力发电机和光伏组件将风能和太阳能转换为电能,再通过正弦逆变器将此 电能转换为与电网同频同相等幅的正弦波交流电对负载供电,同时,将此交流电直接并接 在电网上。如果风能和太阳能所能提供的能量大于负载所需要的能量,多余的电能将上传 到电网。如果风能和太阳能所能提供的能量小于负载所需的能量,则从电网借电以提供负 载。
[0047] 本发明的具体结构如图4所示,电网所输出的电压经自耦升压变压器和整流滤波 电路II后得到一个350V左右的基准直流电压,且该基准直流电压不受控,并作为太阳能电 池板和风力发电机所发电能的基准电压。风力发电机所发出的三相交流电经整流滤波电路 I和DC-DC升压电路I后升压至基准电压(350V),太阳能电池板所输出的电压经最大功率 跟踪电路和DC-DC升压电路II后升压至基准电压(350V)。
[0048] 所述DC-DC升压电路I的一个输出端与二极管Dl的正极相连接,整流滤波电路II 的输出端与二极管D2的正极相连接,DC-DC升压电路II的一个输出端与二极管D3的正极 相连接,且二极管Dl的负极、二极管D2的负极及二极管D3的负极均一起经系统接入电路 中的IO输出的常开触点后与智能控制逆变器中的H桥电路相连接。
[0049] 系统接入电路包括CPU、一个正弦脉宽调制SPWM,三个脉冲宽度调制PWM,五个AD 转换器、一个串口、两个IO输出。为了更好的实现本发明,所述的CPU、正弦脉宽调制SPWM、 脉冲宽度调制PWM、AD转换器、串口及IO输出均集成在一块芯片内部。其中,DC-DC升压电 路I还分别与该系统中的一个脉冲宽度调制PWM和AD转换器相连接,电网也还直接与一个 AD转换器相连接,最大功率跟踪电路和DC-DC升压电路II则各自与一个脉冲宽度调制PWM 相连接,同时,蓄电池和DC-DC升压电路II还分别各自与一个AD转换器相连接。
[0050] 智能控制逆变器则由隔离驱动及H桥组成,其中,隔离驱动分别与正弦脉宽调制 SPWM和H桥相连接。输出电路则由隔离采样电路和LC滤波电路组成,且该LC滤波电路的 输入端与H桥的输出端相连接,LC滤波电路的输出端则输出220V的电压,并经隔离采样电 路后反馈到系统那个接入系统中的AD转换器中。
[0051] 所述的串口与外部的通信接口相连接,LC滤波电路所输出的220V电压还经充电 器与蓄电池相连接。为了便于控制对蓄电池的充电,该充电器还与系统接入电路中的另一个IO输出相连接。
[0052] 本发明的实现方法如下:首先电网电压经自耦升压变压器和整流滤波电路II后,形成一个基准直流电压,即市电电压。
[0053] 其次,太阳能电池板经最大功率跟踪电路后形成输入电压和输出电压,CPU通过比 较该输入电压和输出电压进行最大功率点跟踪,并由DC-DC升压电路II将该输出电压升 高,得到太阳能电池板的输出电压。其中,CPU通过比较该输入电压和输出电压进行最大功 率点跟踪,具体包括以下步骤:CPU停止最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板 的开路电压Ul ;CPU打开最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板的端电压U2 ; CPU通过调节最大功率跟踪电路,使得开路电压Ul和端电压U2的比值为0. 78。
[0054] 再次,风力发电机发出的三相交流电经整流滤波电路I后,再由DC-DC升压电路I 将该输出电压进行升高,得到风力发电机的输出电压。
[0055] 最后,CPU判定风力发电机和太阳能电池板的输出电压是否大于电网经自耦升压 变压器和整流滤波电路II后所形成的基准直流电压,并根据负载所需功率来控制DC-DC升 压电路I和DC-DC升压电路II的功率输出。
[0056] 其中,根据负载所需功率来控制DC-DC升压电路I和DC-DC升压电路II的功率输 出,具体包括以下步骤:
[0057] (dl)CPU判定风力发电机所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤 (d2),否,则执行步骤(d3);
[0058] (d2)由风力发电机提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态,是, 则由风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板所提供的电能一起对 蓄电池进行充电;否,则将风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板 所提供的电能一起送进电网;
[0059] (d3) CPU判定太阳能电池板所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤 (d4),否,则执行步骤(d5);
[0060] (d4)由太阳能电池板提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态, 是,则由太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电机所提供的电能一起 对蓄电池进行充电;否,则将太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电 机所提供的电能一起送进电网;
[0061] (d5)CPU判定风力发电机所提供的能量和太阳能电池板所提供的能量之和是否大 于负载所需能量,是,则执行步骤(d6),否,则执行步骤(d7);
[0062] (d6)由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量,同时CPU判定蓄电池是 否处于欠压状态,是,则由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余的能 量对蓄电池进行充电,否,则将风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余 的能量一起送入电网;
[0063] (d7)CPU判定风力发电机和太阳能电池板一起所提供的能量是否大于负载所需能 量,且蓄电池是否处于充满状态,是,则执行步骤(d8),否,则执行步骤(d9);
[0064] (d8)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额 则由蓄电池提供;
[0065] (d9)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额则由电网提供。 [0066] 如上所述,便可以很好的实现本发明。

Claims (7)

  1. 一种充分利用风能和太阳能的接入系统,主要由风力发电机、太阳能电池板、电网、以及蓄电池构成,其特征在于:所述的风力发电机经整流滤波电路I、DC-DC升压电路I后与二极管D1的正极相连接,太阳能电池板经最大功率跟踪电路、DC-DC升压电路II后与二极管D2的正极相连接,电网经自耦升压变压器、整流滤波电路II后与二极管D3的正极相连接,蓄电池与DC-DC升压电路II相连接;所述二极管D1的负极、二极管D2的负极及二极管D3的负极相互连接后再经智能控制逆变器与输出电路相连接,所述的DC-DC升压电路I、DC-DC升压电路II、电网、最大功率跟踪电路及蓄电池还均分别经系统接入电路后与智能控制逆变器相连接。
  2. 2.根据权利要求1所述的一种充分利用风能和太阳能的接入系统,其特征在于:所述 的系统接入电路主要由CPU、正弦脉宽调制SPWM,与DC-DC升压电路I相连接的脉冲宽度调 制PWM和AD转换器,与电网相连接的AD转换器,与最大功率跟踪电路相连接的脉冲宽度调 制PWM,与DC-DC升压电路II相连接的脉冲宽度调制PWM和AD转换器,以及与蓄电池相连 接的AD转换器构成;且所述的正弦脉宽调制SPWM、所有的脉冲宽度调制PWM及AD转换器 均集成在一块芯片内部。
  3. 3.根据权利要求2所述的一种充分利用风能和太阳能的接入系统,其特征在于:所述 的智能控制逆变器由与所述正弦脉宽调制SPWM相连接的隔离驱动电路,分别与隔离驱动 电路、输出电路、二极管D1、二极管D2及二极管D3相连接的H桥组成。
  4. 4.根据权利要求3所述的一种充分利用风能和太阳能的接入系统,其特征在于:所述 的输出电路由与H桥相连接的LC滤波电路、与LC滤波电路相连接的隔离采样电路构成。
  5. 5. 一种充分利用风能和太阳能的接入系统的实现方法,其特征在于,主要包括以下步骤:(a)电网电压经自耦升压变压器和整流滤波电路II后,形成一个基准直流电压;(b)太阳能电池板经最大功率跟踪电路后形成输入电压和输出电压,CPU通过比较该 输入电压和输出电压进行最大功率点跟踪,并由DC-DC升压电路II将该输出电压升高,得 到太阳能电池板的输出电压;(c)风力发电机发出的三相交流电经整流滤波电路I后,再由DC-DC升压电路I将该输 出电压进行升高,得到风力发电机的输出电压;(d)CPU判定风力发电机和太阳能电池板的输出电压是否大于步骤(a)中的基准直流 电压,并根据负载所需功率来控制DC-DC升压电路I和DC-DC升压电路II的功率输出。
  6. 6.根据权利要求5所述的一种充分利用风能和太阳能的接入系统的实现方法,其特征 在于:步骤(b)中所述的CPU通过比较该输入电压和输出电压进行最大功率点跟踪,具体包 括以下步骤:(bl)CPU停止最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板的开路电压U1 ;(b2)CPU打开最大功率跟踪电路的功率输出,采样太阳能电池板的端电压U2;(b3)CPU通过调节最大功率跟踪电路,使得开路电压U1和端电压U2的比值为0. 78。
  7. 7.根据权利要求5所述的一种充分利用风能和太阳能的接入系统的实现方法,其特征 在于,步骤(d)中所述的根据负载所需功率来控制DC-DC升压电路I和DC-DC升压电路II 的功率输出,具体包括以下步骤:(dl)CPU判定风力发电机所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤(d2),否,则执行步骤(d3);(d2)由风力发电机提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态,是,则由 风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板所提供的电能一起对蓄电 池进行充电;否,则将风力发电机对负载提供电能后所剩余的电能以及太阳能电池板所提 供的电能一起送进电网;(d3)CPU判定太阳能电池板所提供的能量是否大于负载所需能量,是,则执行步骤 (d4),否,则执行步骤(d5);(d4)由太阳能电池板提供能量给负载,同时CPU判定蓄电池是否处于欠压状态,是,则 由太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电机所提供的电能一起对蓄 电池进行充电;否,则将太阳能电池板对负载提供电能后所剩余的电能以及风力发电机所 提供的电能一起送进电网;(d5)CPU判定风力发电机所提供的能量和太阳能电池板所提供的能量之和是否大于负 载所需能量,是,则执行步骤(d6),否,则执行步骤(d7);(d6)由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量,同时CPU判定蓄电池是否处 于欠压状态,是,则由风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余的能量对 蓄电池进行充电,否,则将风力发电机和太阳能电池板一起对负载提供能量后所剩余的能 量一起送入电网;(d7)CPU判定风力发电机和太阳能电池板一起所提供的能量是否大于负载所需能量, 且蓄电池是否处于充满状态,是,则执行步骤(d8),否,则执行步骤(d9);(d8)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额则由 蓄电池提供;(d9)先由风力发电机和太阳能电池板分别输出其最大功率,负载所需能量的差额则由 电网提供。
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