CN102480162B - 全冗余式高可靠性风光互补电源系统 - Google Patents

Abstract

为了克服现有的风光互补系统故障率高以及维护便利性差的不足，本发明提供一种具有全冗余形式的高可靠性风光互补通信电源系统，针对供电部分设计了一种新的整流泄荷器并采用风光通用供电模块提高供电部分的可靠性，通信部分采用CAN、485两级环形总线保证总线通信的可靠性，控制部分采用中央处理单元模块与GPRS监控通信模块相互监督与控制方式保证控制部分的可靠性，故系统中所有供电、通信和控制部分均具有冗余特性。该系统不仅能对故障进行实时检测，而且能根据存在的故障进行有效处理，对于用电设备本供电系统中各独立部分都不会因为故障失效而影响整体系统的运行，系统根据故障等级重新组合控制，或以相应的性能损失为代价，最大限度保持原有的性能，在故障达到一定限度的时候对外界报警通知专业人员检修。

Description

全冗余式高可靠性风光互补电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，尤其是一种全冗余形式的高可靠性风光互补电源系统。

背景技术

目前，随着通信运营商基站建设改造的激增，电力能耗在通信行业能耗中占据了很大的比重。为了响应国家节能减排、低碳环保的呼吁，充分利用新能源的节能解决方案正逐渐受到越来越多的关注。其中以太阳能、风能为代表的可再生能源发电设备带动基站运行是当今最好的应用模式。最近几年来，各运营商在荒漠、高山等偏远无电力设施的地区发展独立太阳能或风光互补供电基站进行基站节能，普遍存在着很多问题，如一次性投资过大、电池寿命短、风光资源的区域性限制、供电可靠性相对较差。

根据风能与太阳能的地域与季节互补特性，通过引入风光互补电源系统，并结合现有供电系统，合理的资源优化配置，可以达到高效供电和环保节能的统一。通过十几年的技术革新与发展，市场上逐渐出现了适应于各种不同应用场合的产品，如风光互补路灯、风光互补电源系统。当前技术热点主要集中在太阳能与风能的转化效率优化与电能存储配置问题上，但提高能量转化效率的同时，由于地域环境条件等因素，风光互补供电系统还普遍存在着故障率高、维护性便利差等问题，严重影响了相关产品在市场上的推广与应用。所以，研制具有低故障率、便于维护的高可靠性风光互补电源系统具有重要的实用意义。

发明内容

为了克服现有的风光互补系统故障率高以及维护性便利差的不足，本发明提供一种具有全冗余形式的高可靠性风光互补通信电源系统，系统中所有供电、通信和控制部分均具有冗余特性。该系统不仅能对故障进行实时检测，而且能根据存在的故障进行有效处理，对于用电设备本供电系统中各独立部分都不会因为故障失效而影响整体系统的运行，系统根据故障等级重新组合控制，或以相应的性能损失为代价，最大限度保持原有的性能，当故障达到一定限度时对外界报警通知专业人员检修。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明是一种具有故障容错特性的风光互补电源系统，主要包括太阳能光板、风力发电机、整流卸荷器、蓄电池组、开关电源模组、中央处理单元模块、GPRS监控通信模块、若干通用供电模块组成的风光通用供电模组、环形CAN总线、环形485总线。

本发明所涉及的风光互补电源系统中，太阳能和风能同时输入，然后通过风光供电模组进行电能整定，输出与市电挂接的开关电源模组以及蓄电池组并联，便于采取多种措施供电。中央处理单元模块采集太阳能光板、风力发电机输出以及与其挂接的风光通用供电模组、开关电源模组、蓄电池组的实时状态，并自动优化选择供电能量，最大限度地提高系统的效率。对于风光互补供电部分，中央处理单元模块通过环形总线方式与下级风光供电模组通信并根据设定值发送相应数据，下级模组接收到数据后通过脉宽调制式DC-DC电路进行输出电压、电流调节，将高稳定的直流电能供送给负载设备或蓄电池组。

为提高系统供电功能的可靠性，本发明所涉及风光互补电源系统中，风光互补供电部分采用通用供电模块方式，使风能和太阳能供电电路获得最大的冗余特性。为此，本发明设计了一种新的整流泄荷器，与常见的整流泄荷器相比，在风力交流电能通过三相整流模块后加入一级DC-DC降压电路整定电能，使风力发电机经过整流泄荷器输出与太阳能光板输出特性基本一致，实现后级供电模块软硬件模块化和通用化设计，构成风光通用供电模组，极大的丰富了维护手段，提高了电源系统安全运行的支持力度。

为提高系统通信功能的可靠性，本发明所涉及风光互补电源系统中，数据传输通信采用电气隔离的CAN、485两级冗余环形总线形式。总线中任何节点出现故障都不会影响整体通信；正常状态下，优先使用CAN总线用于系统状态的实时监测与控制，485总线用于人工设定参数传输；GPRS监控通信模块定时对CAN总线以及485总线进行监测，当其中任一总线出现故障而影响整体通信时，另一总线承担所有通信功能并对外界报警。

为提高系统控制功能的可靠性，本发明所涉及风光互补电源系统中，中央处理单元模块与GPRS监控通信模块相互监督。当中央处理单元产生死机或损坏故障时，GPRS监控通信模块能自动对其复位或直接控制供电系统并向外界报警；当GPRS监控通信模块死机或损坏故障时，中央处理单元模块能自动对其复位或向外界报警。在系统各部分正常运行时，中央处理单元模块采集风力发电机、太阳能光板、开关电源、蓄电池组的实时状态信息，进行负荷调配，并行控制下级通用供电模组功率输出；当中央处理单元模块产生不可恢复的故障时，GPRS监控通信模块将直接控制下级供电模组，GPRS监控通信模块逐级查询各供电模组的状态信息，按照太阳能-风能-市电-蓄电池组的顺序对各供电模组进行串行控制。

综上所述，本发明涉及的风光互补电源系统具有全冗余形式，系统中所有供电、通信和控制部分均具有冗余特性，既相互独立又有机的结合在一起，任何一部分发生故障时不会影响整体系统的运行。当故障出现时，系统将根据故障重新组合控制，或以相应的性能损失为代价，最大限度保持原有的性能，最大限度提高整机供电的有效性与可靠性。

本发明的有益效果是，可以在太阳能光板与风力发电机工作输入正常的条件下提供高效率电能的同时，可靠地分析处理故障信息，整机系统功能规划明确，结构清晰，提高了风光互补电源系统的可靠性与维护便利性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统结构框图，

图2是整流卸荷器内部结构框图，

图3是通用供电模块内部结构框图，

图4是系统正异常情况控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述：

如图1所示，本发明中的风光互补电源系统主要包括太阳能光板、风力发电机、整流卸荷器、蓄电池组、开关电源模组、中央处理单元模块、GPRS监控通信模块、若干通用供电模块组成的风光通用供电模组、环形CAN总线、环形485总线。

GPRS监控通信模块由高抗干扰性微处理器和GPRS通信模块组成，其功能主要有以下三个方面：1、监控系统的通信、控制、供电各部分环节，进行故障诊断，统计故障次数、故障种类、故障分布，自动生成自检报告并存储到外部存储器中；2、当中央处理单元产生死机或损坏故障时，能自动对其复位或直接控制供电系统；3、负责将风能与太阳能供电的电压、电流、发电量等实时状态信息传递到外部监控计算机，用于相关数据的统计分析。

中央处理单元模块是整个电源系统的控制核心，是一个由高抗干扰性微处理器为核心，外接键盘电路、LCD液晶显示模块、具有电话短信报警功能的GSM通信模块所构成控制系统，主要负责数据采集与显示、各供电模组相关参数的人工设定与通信传送、能量选择以及蓄电池智能管理。由太阳能光板、风力发电机、开关电源模组、蓄电池组提供的电能都需经过微处理器统一分配到各个供电模块，提供到外部负载。微处理器针对当前用电情况以及故障信息按太阳能-风能-市电-蓄电池组的次序自动进行负荷调配，优先使用太阳能供电，当上一级能量不足时逐级自动递补，只有在关键时才使用蓄电池组的能量，减少了蓄电池组的循环次数。此外，微处理器对蓄电池组进行智能充电控制，可以根据蓄电池的容量状态和环境温度，自动调整蓄电池浮充、均充的充电模式，并具有负温度补偿性能，确保了蓄电池组的性能和使用寿命，最大限度地提高系统的可靠性。

如图2所示，为了提高系统供电功能的可靠性，本发明设计一种新的整流泄荷器，主要包括微控制器、三相整流电路、泄荷电路、泄荷负载、DC-DC电路。其中卸荷电路与DC-DC电路并联，大大减少了瞬时叶片转速过大时产生功率波动导致风机飞车的概率，大大增加卸荷控制的可靠性。此外，与常见的整流泄荷器相比，在风力交流电能通过三相整流模块后加入DC-DC电路整定电能。使风力发电机经过整流泄荷器输出与太阳能光板输出特性基本一致，实现后级供电模块软硬件模块化和通用化设计，构成了风光通用供电模组，极大的丰富了维护手段，提高了电源系统安全运行的支持力度。

为了便于供电系统的维护以及供电功能的可靠性，本发明所涉及风光互补电源系统中，风光互补供电部分采用通用供电模块方式，使风能和太阳能供电电路获得最大的冗余特性。可行性分析如下：

对于太阳能光板而言，根据光板能量是否足以达到所设定的额定功率，通用供电模块中的数字信号控制器在保证实时采集的同时采用两种不同模式调整模块输出电压与输出电流。当光板能量充足时，控制器利用PID算法迅速调整输出电压和电流得到既定功率并保持恒定；当光板能量不足时，采用最大功率跟踪(MPPT)算法自动计算输出电压和电流的乘积，将前后数值相互比较，自动调整斩波器的脉冲宽度，使系统始终工作在太阳能电池的最佳功率点上，使系统获得最大功率输出。

对于风力发电机而言，风力交流电能经过整流泄荷器到通用供电模块，然后稳压输出，实际上在通过三相整流电路后经过两级DC-DC电路整定电能。当风速达到启动风速时，控制器开始得电工作；高于额定风速时，整流泄荷器中的微控制器控制泄荷电路并调整前级DC-DC电路中斩波器的脉冲宽度限制风电机组的输出功率，然后通过通用供电模块中的数字信号控制器调节后级DC-DC电路中斩波器的脉冲宽度，使输出功率接近恒定；低于额定风速时，首先整流泄荷器中的微控制器调整前级DC-DC电路中斩波器的脉冲宽度达到最大，然后通用供电模块中的数字信号控制器自动计算输出电压和电流的乘积，将前后数值相互比较，自动调整斩波器的脉冲宽度，依功率控制方式跟踪风力发电机输出的功率变化。

所以，总体来说，采用上述控制方式，能够使太阳能与风能供电的硬件电路，和软件算法保持一致，故太阳能供电模块与风能供电模块能够实现软硬件通用化设计。

如图3所示，通用供电模块主要包括数字信号控制器、DC-DC电路、防反二极管组件、功率开关、浪涌保护装置、熔断器。此外，通用供电模块具有独立的地址总线接口，与外部预留的接口相配合，保证总线通信中地址的唯一性。通用供电模块控制电路与功率电路采用光耦进行隔离。为防止输出电流反灌，输出均采用防反二极管组件；为防止雷电干扰，输入输出均采用浪涌保护装置；为防止输出短路或者过流，输出增加了熔断器，保证系统的安全运行；为满足系统可靠性与扩容性需求，通用模块均对输入电压进行实时采集以及独立的开关控制，采用这种形式各个模块可以独立工作并可方便地组合不同功率容量的供电系统，随意调整系统冗余系数，以N+1方式扩容；在软件设计中，通用供电模块均对防反二极管压降变化进行温度补偿，采用强制均流算法保证均流输出，提高整机系统供电的精度和可靠性。

系统的通信与数据传输部分是极为重要的部分。为提高系统通信功能的可靠性，系统数据传输通信采用电气隔离的CAN、485两级冗余环形总线形式，总线中任何节点出现故障都不会影响整体通信；通信软件设计采用CRC校验、通信重发等手段，保证整机系统通信的可靠性。

正常状态下，优先使用CAN总线用于系统状态的实时监测与控制，下级通用供电模组、开关电源模组将其自身的电压电流、工作状态等实时信息发送给中央处理单元模块，中央处理单元模块根据各模组的信息并根据采集到的蓄电池组相关参数，对各供电模组进行优化配置，使各种能量得到有效的利用。

485总线用于中心控制模块中人工设定参数的传输。维护人员可通过中心处理单元模块中的外接键盘、GSM通信模块或GPRS监控通信模块对相关参数进行设置，通过485总线传送到各个供电模组，各供电模组接收到数据后，按照设定参数进行电能调整。

GPRS监控通信模块定时对CAN总线以及485总线进行监测，在CAN总线正常的情况下，485总线闲置作为备用总线，当CAN总线出现接线错误、短路等问题而影响整体通信时，将自动转入485通信，继续对系统状态实施监测与控制，同时对外界报警。在485总线出现故障时，CAN总线将承担人工设置参数传输功能并对外界报警。

如图4所示，为提高系统控制功能的可靠性，本发明所涉及的风光互补电源系中的GPRS监控通信模块与中央处理单元模块在保证通信正常的前提条件下相互监督，GPRS监控通信模块不断查询中央处理单元模块，当中央处理单元模块长时间没有响应时，对其进行硬件复位，继续进行查询，如果仍然长时间没有响应，将直接控制输出供电模组工作，并对外界报警。

同样，中央处理单元模块定期重复查询GPRS监控通信模块，当长时间没有响应时，对其进行硬件复位，继续进行查询，如果仍然长时间没有响应，将直接通过GSM电话短信报警通知检修。通过这种冗余控制方法，最大限度的保证了供电系统的正常运行。

在系统各部分正常运行时，中央处理单元模块实时采集风力发电机、太阳能光板、开关电源、蓄电池组的实时状态信息，进行负荷调配，并行控制下级各供电模组功率输出。当中央处理单元模块产生不可恢复的故障时，GPRS监控通信模块将直接控制下级供电模组，GPRS监控通信模块逐级查询各供电模组的状态信息，按照太阳能-风能-市电-蓄电池组的顺序对各供电模组进行串行控制。但由于GPRS监控通信模块为增加可靠性并不具备电量采集功能，得不到蓄电池组的相关参数，所以在中央处理单元模块出现故障时，不能对蓄电池组进行有效的监控管理。总体来说，这种控制方式是以牺牲部分系统性能为代价换取供电系统的可靠运行。

综上所述，本发明涉及的风光互补电源系统具有全冗余形式，系统供电、通信和控制各部分都具有冗余特性，整机系统与同类产品相比仅添加了很少的硬件成本，此外，在保证正常供电的同时，还具备故障诊断和维护功能，具有相当高的可靠性维护便利性。

Claims (1)

1.一种全冗余高可靠性风光互补电源系统，其特征是：太阳能光板接入若干通用供电模块组成的风光通用供电模组，风力发电机通过整流卸荷器接入若干通用供电模块组成的风光通用供电模组，蓄电池组和开关电源模组与风光通用供电模组并联实现直流电能输出，中央处理单元模块和GPRS监控通信模块通过环形CAN总线以及环形485总线与风光通用供电模组以及开关电源模组进行通信并对其进行监控；

所述整流卸荷器包括微控制器、三相整流电路、泄荷电路、泄荷负载、DC-DC降压电路，在风力交流电能通过三相整流电路后加入DC-DC降压电路整定电能，使太阳能供电模块与风能供电模块能够实现软硬件通用化设计并构成风光通用供电模组；系统数据传输通信采用电气隔离的CAN、485两级冗余环形总线形式，总线中任何节点出现故障都不会影响整体通信；正常状态下，优先使用CAN总线用于系统状态的实时监测与控制，485总线用于人工设定参数传输；GPRS监控通信模块定时对CAN总线以及485总线进行监测，当其中任一条总线因故障而影响整体通信时，另一总线承担所有通信功能并对外界报警；在保证通信正常的前提条件下，GPRS监控通信模块与中央处理单元模块相互查询，GPRS监控通信模块不断查询中央处理单元模块，当中央处理单元模块长时间没有响应时，对其进行硬件复位，继续进行查询，如果仍然长时间没有响应，将直接控制输出供电模组工作，并对外界报警，同时中央处理单元模块定期重复查询GPRS监控通信模块，当长时间没有响应时，对其进行硬件复位，继续进行查询，如果仍然长时间没有响应，将直接通过GSM通信模块对外界报警通知检修，通过这种冗余控制方法，最大限度的保证了供电系统的正常运行；

在系统各部分正常运行时，中央处理单元模块采集风力发电机、太阳能光板、开关电源、蓄电池组的实时状态信息，进行负荷调配，并行控制下级通用供电模块功率输出；当中央处理单元模块产生不可恢复的故障时，GPRS监控通信模块将直接控制下级通用供电模块，GPRS监控通信模块逐级查询各通用供电模块的状态信息，按照太阳能-风能-市电-蓄电池组的顺序对各通用供电模块进行串行控制；

该风光互补电源系统具有全冗余形式，系统中供电、通信部分都具有冗余特性，在保证正常供电的同时，还具备故障诊断和维护功能。