CN101951014A - 风光柴市电一体化供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种风光柴市电一体化供电系统包括至少一个选自于风力发电子系统或太阳能发电子系统的子系统、至少一个柴市电子系统、一直流汇流单元、一主控单元、多个高频整流模块以及一直流配电单元。每个子系统的直流输出都连接至直流汇流单元进行直流汇流。主控单元被设置为在风力发电子系统或太阳能发电子系统中选取一组子系统，令该子系统组运行而其余子系统停止，使其最大可输出功率大于或等于需求功率并且使该子系统组包含的子系统数量最少；对于该子系统组，调节其运行参数使其整体效率最大化；还被设置为根据直流配电单元的运行状态和直流汇流单元的输出电压和电流，控制每个高频整流模块的输出电压和电流。从而有利地节约能耗提高效率、延长设备寿命保证运行可靠性。

Description

风光柴市电一体化供电系统
技术领域
本发明涉及发电供电技术领域，特别是一种集新能源与传统能源一体化的供电系统。
背景技术
在通信基站中，通信设备需要采用相应电压等级的直流电源供电。传统的通信基站供电系统采用市电供电、柴油发电机备用的方式进行供电，通过开关电源将市电或者柴电转换为与通信设备相匹配的电压等级的直流电。随着全球能源危机的日益加剧，以及移动通信的日益普及，引入新能源供电的要求也日益迫切。目前，越来越多的通信基站采用风光互补供电系统，以风力发电和太阳能发电作为系统的主供电设备，以市电、柴电作为备用电源。这样既降低了系统的能耗，实现节能减排，又提高了供电的可靠性，从而进一步保障了通信质量。
目前采用的通信用风光互补供电系统主要有以下四种模式：第一种是风光互补供电系统独立供电，这类的系统直接将风能和太阳能转换为-48V或者24V直流电，为蓄电池充电，为通信设备供电。第二种是由风光互补供电系统、逆变器、以及开关电源组合而成，这类的系统将风能和太阳能转换为直流电，将电能存储在蓄电池组中，然后通过逆变器转换为三相交流电，输入开关电源，由开关电源为蓄电池充电、为通信设备供电。第三种类型是由风光互补供电系统与开关电源组合而成，其风光互补供电系统和开关电源独立工作，正常情况下，有风光互补供电系统为系统供电，当风、光资源不足时，将市电或者柴油发电机切入，通过开关电源为系统供电。第四种为风光柴市电集中供电系统，将风光互补供电系统和开关电源模块整合在一起，统一管理，正常情况下，有风光互补供电系统为系统供电，系统直接将风能和太阳能转换为-48V或者24V直流电，当风、光资源不足时，将市电或者柴油发电机切入，通过开关电源模块为系统供电。
以上四种通信用风光互补供电系统均存在一定不足之处。第一种模式中仅采用风光互补供电系统供电，为了能够确保系统在长时间的风、光资源不足情况下可靠供电，必须配备大容量的蓄电池组，且需要经常对蓄电池组进行深度充放电，导致蓄电池组成本高昂且寿命短，从而提高了系统的整体成本。第二种模式中采用逆变器转换，需要增加一组高电压的蓄电池组，不仅降低系统效率，还提高了整体成本。第三种模式中风光互补供电系统和开关电源独立工作，使系统存在了多个蓄电池管理系统，不利于蓄电池的管理，且两者同时工作时，充电电流不易控制，容易造成蓄电池的充电电流过大，降低蓄电池组寿命。第四种模式只是将风光互补供电系统和开关电源进行了简单叠加，虽然提高了蓄电池管理的质量，但是系统比较庞大，成本高昂，效率较低。
因此，确实需要一种适用于通信等直流供电的集新能源和传统能源一体化的新的供电系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够满足一般通信用直流用电需要的，有效利用风能、太阳能、市电和柴油发电机电能，集新能源和传统能源一体化的供电系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种风光柴市电一体化供电系统，包括至少一个选自于风力发电子系统或太阳能发电子系统的子系统、至少一个柴市电子系统、一直流汇流单元以及一主控单元。其中，风力发电子系统、太阳能发电子系统、及柴市电子系统中的每个直流输出都连接至直流汇流单元进行直流汇流；主控单元被设置为根据由直流汇流单元的输出电压和电流、直流配电单元的输出电压和电流计算得到的需求功率，以及由每个风力发电子系统和太阳能发电子系统的运行状态计算得到的最大可输出功率，在风力发电子系统和太阳能子系统中选取一组子系统，令该子系统组运行，而其余子系统停止，使其运行的最大可输出功率之和大于或等于需求功率并且使该子系统组包含的子系统数量最少。
通过上述的技术方案，本发明的风光柴市电一体化供电系统，当风力发电子系统与太阳能发电子系统的输出功率较低或负载功率相对较高时，它们采取全部或大多数运行，以满足系统用电需求；当风力发电子系统与太阳能发电子系统的输出功率较高或负载功率相对较低时，它们只需少数运行，从而节约了能耗，延长设备的使用寿命。
有利的是，每个风力发电子系统还包含一风能控制模块。风能控制模块包含一功率转换模块、一功率控制模块以及一保护模块。其中功率控制模块被设置为自动寻找风机的最佳功率点，从而控制风机的输出功率以实现最佳功率跟踪，并且，功率控制模块还被设置为根据三相交流电的频率及直流电的电压和电流来控制保护模块。
进一步有利的是，每个太阳能发电子系统都包含一太阳能控制模块。太阳能控制模块包含一功率控制模块以及一保护模块，功率控制模块被设置为自动寻找太阳能组件的最佳功率点以实现其最大功率跟踪，并且，功率控制模块还被设置为根据输出功率以及来自主控单元的保护指令来控制保护模块的动作。
进一步有利的是，柴市电子系统包含一整流切换模块，整流切换模块包含一个切换模块、一个柴油发电机自启动模块和一个将交流电转换为直流电的整流模块。其中，切换模块被设置为根据市电、柴电和蓄电池的状况确定的或者通过人工操作由自主控单元发出的切换指令来选择将市电、柴电切入或切出系统；并且，柴油发电机的自启动模块被设置为根据切换模块发出的控制指令来控制柴油发电机的启动或关闭。
进一步有利的是，本发明的风光柴市电一体化供电系统还包括至少一个高频整流模块，其输入端连接至直流汇流单元，而其输出端则连接至一直流配电单元，所述直流配电单元中包含至少一个蓄电池组。其中，所述主控单元被设置为根据直流配电单元的运行状态和直流汇流单元的输出电压和电流，控制每个高频整流模块的输出电压和电流。并通过高频整流模块的复用以及一次能源供电连续性而使蓄电池组配置降低，从而大幅降低了系统成本。
本发明通过上述的技术方案，将风能、太阳能、市电、柴油发电机整合为一体，通过采用分散控制，集中管理的方式，使整个系统的效率和运行可靠性大为提高；并且通过风力发电子系统和太阳能发电子系统的独立控制、最大功率跟踪和效率的调节，实现系统整体效率的最大化以及各个控制模块之间的均衡。
附图说明
图1为根据本发明的风光柴市电一体化供电系统的结构示意图；
图2为本发明风光柴市电一体化供电系统的风力发电子系统的原理图；
图3为本发明风光柴市电一体化供电系统的太阳能发电子系统的原理图；
图4为本发明风光柴市电一体化供电系统的柴市电子系统的原理图；以及
图5为本发明风光柴市电一体化供电系统的主控单元的原理结构图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
根据图1所示的本发明的具体实施例，一种适用于通信系统的风光柴市电一体化供电系统，其具体组成主要包括：多个风力发电子系统1、多个太阳能发电子系统2、一柴市电子系统3、一直流汇流单元4、一主控单元5、多个高频整流模块6以及一直流配电单元7。
其中，风力发电子系统1的电路原理如图2所示，每个风力发电子系统1都包含风机11和风能控制模块12。风机11的三相交流输出连接至风能控制模块12的输入端；然后，风能控制模块12的直流输出端连接至直流汇流单元4。
太阳能发电子系统2的电路原理如图3所示，每个太阳能发电子系统2都包含太阳能组件21和太阳能控制模块22。太阳能组件21的输出端连接至太阳能控制模块22的输入端；然后，太阳能控制模块22的直流输出端连接至直流汇流单元4。
柴市电子系统3的电路原理如图4所示，柴市电子系统3包含市电31、柴油发电机32以及整流切换模块33。市电31和柴油发电机32的交流输出端连接至整流切换模块33的交流输入端。柴油发电机32的自启动控制端口连接至整流切换模块33的自启动信号输出端。整流切换模块33的直流输出端连接至直流汇流单元4。
参考图1所示，各个风力发电子系统1、太阳能发电子系统2、柴市电子系统3的直流输出连接至直流汇流单元4的输入实现直流汇流。
多个高频整流模块6的输入端连接至直流汇流单元4的输出；高频整流模块6的输出端则连接至直流配电单元7。
直流配电单元7包括蓄电池管理模块71、一次负载管理模块72和二次负载管理模块73。蓄电池管理模块71的输入端连接至对应的高频整流模块6的输出端，其输出端连接至外部的蓄电池组；一次负载管理模块72和二次负载管理模块73的输入端连接至对应的高频整流模块6的输出端，其输出端连接至外部设备的电源输入端口。
现参考图2所示，根据本发明的这种风光柴市电一体化供电系统的风力发电子系统1的风能控制模块12包含功率转换模块121、功率控制模块122和保护模块123。功率转换模块121的输入端连接至风机11的三相输出端；功率转换模块121的输出端分别连接至保护模块123的输入端和直流汇流单元4。功率控制模块122的数据采样端口连接至功率转换模块121的输入端和输出端；功率控制模块122的控制信号输出端口连接至功率转换模块121和保护模块123。功率控制模块122采样并计算风机11的转速和输出功率，之后由主控单元根据计算结果向功率转换模块121和保护模块123发出控制信号。
参考图3所示，根据本发明的这种风光柴市电一体化供电系统的太阳能发电子系统2的太阳能控制模块22包含功率控制模块221和保护模块222。功率控制模块221和保护模块222的输入端都连接至太阳能组件21的输出端；功率控制模块221的输出端连接至直流汇流单元4。功率控制模块221的控制信号输出端口连接至保护模块222。功率控制模块221采样并计算输出电压和输出电流，然后由主控单元根据计算结果向保护模块222发出控制信号。
参考图4所示，根据本发明的这种风光柴市电一体化供电系统的柴市电子系统3包含一整流切换模块33，整流切换模块33包含一个切换模块331、一个柴油发电机自启动模块332和一个将交流电转换为直流电的整流模块333。其中，切换模块331被设置为根据市电31、柴电32和蓄电池的状况确定的或者通过人工操作由自主控单元5发出的切换指令来选择将市电31、柴电32切入或切出系统；并且，柴油发电机的自启动模块332被设置为根据切换模块331发出的控制指令来控制柴油发电机32的启动或关闭。
参考图5所示，根据本发明的这种风光柴市电一体化供电系统的主控单元5包括主处理器51、上位机通信模块52、下位机通信模块53、数据采集模块54、节点管理模块55、负载管理模块56、人机对话模块57。
其中，上位机通信模块52一端连接至外部上位机的通信端口，另一端连接至主处理器51，实现主控单元5与外部上位机的通信。下位机通信模块53一端连接至风能控制模块12、太阳能控制模块22、整流切换模块33和高频整流模块6的通信端口，另一端连接至主处理器51，实现主控单元7与这些模块之间的通信。数据采集模块54的输入端连接至直流汇流单元4和直流配电单元7，输出端连接至主处理器51。节点管理模块55的一端连接至风能控制模块12、太阳能控制模块22、整流切换模块33和直流配电单元7的节点信号端口，另一端连接至主处理器51，实现对输入节点的读取以及对输出节点的控制。负载管理模块56的输出端连接至直流配电单元7，输入端连接至主处理器51，实现对负载的管理。人机对话模57的一端连接至液晶、按键和指示灯，另一端连接至主处理器51，实现人机对话功能。
所述主控单元5的一种输入包括通过下位机通信模块53来自各个风能控制模块12、太阳能控制模块22、整流切换模块33和高频整流模块6的信号；主控单元5的另一种输入还包括通过数据采集模块54自直流汇流单元4和直流配电单元7采集的数据；主控单元5的一种输出包括负载管理模块56发送至直流配电单元7的指令；主控单元5的另一种输出包括通过节点管理模块发送至风能控制模块12、太阳能控制模块22、整流切换模块33和直流配电单元7的控制信号。
根据本发明的风光柴市电一体化供电系统的具体工作方式如下。
风机11将捕获的风能转化为三相交流电能，传输至风能控制模块12，经功率转换模块121转换为高压直流电能，传输至直流汇流单元4。功率控制模块122控制功率转换模块121的运行，同时监测风机11转速和输出电压和输出电流，使风机11始终工作在最佳功率点上。当出现风机11转速过快、输出电压过高、输出电流过大时，或根据主控单元5发送的限流命令，由功率控制模块122向保护模块123发出指令，通过电子加载、极限保护等方式调节风机11的工作状态，保护后级设备。
太阳能组件21将捕获的太阳能转化为高压直流电能，传输至太阳能控制模块22，经过太阳能控制模块22中的功率控制模块221进行最大功率跟踪等方式的调整后，传输至直流汇流单元4。功率控制模块221被设置为根据输出功率以及来自主控单元5的保护指令来控制保护模块222的动作。
高频整流模块6的输入端连接至直流汇流单元4，将风能控制模块12、太阳能控制模块22和整流切换模块33输出的高电压直流电能转化为-48V或者24V直流电，如此，然后输出至直流配电单元7。
直流配电单元7将高频整流模块6输出的电能进行分配，为蓄电池充电，为负载供电。
主控单元5通过数据采集模块54检测直流汇流单元4的输出电压和电流和直流配电单元（7）的输出电压和电流，计算得到系统的需求功率；通过通信端口获取每个风力发电子系统1和太阳能发电子系统2的运行状态，根据它们的转速功率特性曲线和电压电流特性曲线分别计算它们的最大可输出功率。然后在风力发电子系统和太阳能子系统中选取一组子系统，令该子系统组运行，而其余子系统停止，使其运行的最大可输出功率之和大于或等于需求功率并且使该子系统组包含的子系统数量最少。对于被选择的子系统组，控制子系统的开、关以及复位状态，并调节处于运行状态的子系统的运行参数使其效率最大化，所述参数包括但不限于：输出电流、输出电压、输入电压、输入电流、保护电压、保护电流、响应速度等。若符合这样的要求的子系统组不存在，则按序优选运行柴市电子系统3的市电31进行供电，若市电31断电则运行柴油发电机32进行供电。同时，通过主控单元5数据采集模块54检测直流配电单元7的运行状态和直流汇流单元4的输出电压和电流，根据一次负载和二次负载的功率需求及蓄电池充电需求，控制每个高频整流模块6的输出电压和电流。
当风、光资源不足，且蓄电池电压过低时，主控单元5向整流切换模块33发送启动后备电源的命令。整流切换模块33自动检测当前市电31的状况，若市电31存在，则向切换模块发出市电31切换命令，将市电31切入；若市电31不存在，则向自启动模块发出启动命令，将柴油发电机32启动，同时向切换模块发出柴电切换命令，将柴电32切入。交流电切入后，经过整流切换模块33中的整流模块整流为直流电后，输出至直流汇流单元4。由于高频整流模块6均连接在直流汇流单元4上，因此，可以将整流后电能直接转换为-48V或者24V直流电，不需要额外增加高频整流模块6。
不管是风能、太阳能还是市电、柴电，均由主控单元5控制，由同一组高频整流模块6进行功率转换，并汇入同一个直流配电单元7。这样有利于系统整体效率的最大化，并且避免了多个具有蓄电池管理功能的设备出现，提高了系统的可靠性。
本发明的优势在于，1）一体化设计，将风能、太阳能、市电、柴油发电机整合为一体，采用分散控制，集中管理的方式，通过直流母线的汇流，实现多台风机和多组太阳能组件的集中控制，使整个系统可靠性大大提高。2）效率提升，通过风力发电子系统和太阳能发电子系统的独立控制和功率跟踪，确保每一台风机和每一路太阳能组件均能发挥最大效率；同时通过主控单元的微调，实现系统效率的最大化以及各个控制模块之间的均衡。3）蓄电池管理能力提升，通过一体化设计，避免了系统中出现多个具备蓄电池管理功能的设备，从而避免了蓄电池的过充电和过放电，提升蓄电池管理质量，有效延长蓄电池寿命。4）成本节约，通过高频整流模块的复用，减少了系统中功率转换模块的数量，在降低系统的成本的同时，提升了系统可靠性；同时，整流切换模块的应用，使系统能够及时的启动后备电源，保证了系统一次能源供电的连续性，因此蓄电池组的配置可以降低，从而大幅降低系统成本。5）节能与延长设备生命周期相结合，当风机与太阳能组件的输出功率较低或负载功率相对较高时，它们采取全部或大多数运行，以满足系统用电需求；当风机与太阳能组件的输出功率较高或负载功率相对较低时，它们只需少数运行。
尽管上面通过举例说明，已经描述了本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，而是由所附的权利要求给出的所有技术特征及其等同技术特征来定义。本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓前提下，任何修改和变化可能仍落在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风光柴市电一体化供电系统，其特征在于包括至少一个选自于风力发电子系统（1）或太阳能发电子系统（2）的子系统、至少一个柴市电子系统（3）、一直流汇流单元（4）、以及一主控单元（5），其中
所述风力发电子系统（1）、太阳能发电子系统（2）、及所述柴市电子系统（3）中的每个直流输出都连接至所述直流汇流单元（4）进行直流汇流；
所述主控单元（5）被设置为根据由直流汇流单元（4）的输出电压和电流、直流配电单元（7）的输出电压和电流计算得到的需求功率，以及由每个风力发电子系统（1）和太阳能发电子系统（2）的运行状态计算得到的最大可输出功率，在风力发电子系统（1）和太阳能子系统（2）中选取一组子系统，令该子系统组运行，而其余子系统停止，使其运行的最大可输出功率之和大于或等于所述需求功率并且使该子系统组包含的子系统数量最少。
2.根据权利要求1所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于所述主控单元（5）被设置为对于被选择的子系统组，控制子系统的开、关以及复位状态，并调节处于运行状态的子系统的运行参数使其效率最大化，所述参数包括但不限于：输出电流、输出电压、输入电压、输入电流、保护电压、保护电流、响应速度等。
3.根据权利要求1所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于每个风力发电子系统（1）包括一风能控制模块（12），所述风能控制模块（12）包含一功率转换模块（121）、以及一功率控制模块（122），其中所述功率控制模块（122）被设置为自动寻找风机（11）的最佳功率点，从而控制风机（11）的输出功率，以实现最佳功率跟踪。
4.根据权利要求3所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于所述风能控制模块（12）还包含一保护模块（123），所述功率控制模块（122）被设置为根据风机（11）输出的三相交流电的频率、经整流后的直流电压、直流电流以及来自主控单元（5）的保护指令来控制所述保护模块（123），通过电子加载、极限短路保护等方式实现对风机（11）以及后级设备的保护。
5.根据权利要求1所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于每个太阳能发电子系统（2）都包含一太阳能控制模块（22），所述太阳能控制模块（22）包含一功率控制模块（221），所述功率控制模块（221）被设置为自动寻找太阳能组件（21）的最佳功率点以实现其最大功率跟踪。
6.根据权利要求5所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于所述太阳能控制模块（22）还包含一连接至所述功率控制模块（221）的保护模块（222），所述功率控制模块（221）被设置为根据输出功率以及来自主控单元（5）的保护指令来控制所述保护模块（222）。
7.根据权利要求1所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于所述柴市电子系统（3）包含一整流切换模块（33），所述整流切换模块（33）包含一个切换模块（331）和一个柴油发电机自启动模块（332），所述切换模块（331）被设置为根据市电（31）、柴油发电机（32）和蓄电池的状况确定的或者通过人工操作由自主控单元（5）发出的切换指令来选择将市电（31）、柴电（32）切入或切出系统，柴油发电机（32）的自启动模块（332）根据其切换模块（331）发出的控制指令来控制柴油发电机（32）的启动或关闭。
8.根据权利要求7所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于所述整流切换模块（33）还包含一连接至所述切换模块（331）的整流模块（333），所述整流模块（333）将切入系统的交流电整流为直流电输出至所述直流汇流单元（4）。
9.根据上述权利要求任一项所述的风光柴市电一体化供电系统，其特征在于还包括
至少一个高频整流模块（6），其输入端连接至所述直流汇流单元（4），而其输出端则连接至一直流配电单元（7），所述直流配电单元（7）中包含至少一个蓄电池组；
所述主控单元（5）被设置为根据所述直流配电单元（7）的运行状态和所述直流汇流单元（4）的输出电压和电流，控制每个高频整流模块（6）的输出电压和电流。
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