CN103547043A

CN103547043A - 一种led集中式直流微网供电系统及供电控制方法

Info

Publication number: CN103547043A
Application number: CN201310549039.4A
Authority: CN
Inventors: 黄子田; 张波; 张桂东; 李湘峰; 肖文勋; 丘东元
Original assignee: FUHUA ELECTRONIC Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: FUHUA ELECTRONIC Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: CN103547043B

Abstract

本发明公开了一种LED集中式直流微网供电系统及供电控制方法。该系统供电母线包括正极母线和负极母线；多个电能存储模块、多个LED负载模块、多个风力发电模块、多个光伏发电模块、多个燃料电池模块分别并联接在供电母线上；LED直流微网电源管理模块包括数据采集模块和电脑；该方法通过电源管理模块采集LED负载模块的总负载量和上述各个模块产生的能量，实现合理调配；优先考虑风能和太阳能的前提下，实现电网模块，能量储存模块以及燃料电池模块的合理利用。本发明既能解决LED灯负载的需求，又能减少传统供电系统中，交流电能转化成直流电能的能量损耗。在同功率条件下，本发明比现有每个LED灯中集成一个电源的灯具，成本低。

Description

—种LED集中式直流微网供电系统及供电控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及LED供电系统，特别是涉及一种LED集中式直流微网供电系统及其供电控制方法；属于供电系统的技术领域。

背景技术

[0002] 人类照明史的发展进入21世纪后，传统的白炽灯、荧光灯照明证逐渐被新型的高效、节能、环保、长寿面及高可靠的半导体固体照明所取代，LED (Light Emitting Diode,发光二极管)被全球公认为新一代的环保型高科技新光源，更被誉为是照明史上的又一次真是意义的革命。

[0003] LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，虽然LED的发光效率正在逐步提高，但是与LED配套的驱动电源电路性能和寿命成了LED推广应用的瓶颈，目前广泛采用的LED驱动电源选用电解电容用作滤波，使其工作寿命受到电解电容的影响，电解电容寿命目前一般只有10000小时，与工作寿命为100000小时的LED相差甚远，因此电解电容成为影响LED驱动电源整体寿命的主要因素，使LED灯具的节能效果不能有效的实现。而且，电解电容的体积较大，影响了 LED驱动电源整体性能的进一步提闻。

[0004]目前广泛采用的LED驱动都是采用几百瓦以下的电源，且每套LED灯具集成了一个独立的电源和一个LED灯，如图1所示，该独立电源包括依次连接的整流器、PFC模块、DC-DC模块和均流模块。这种供电方式带来以下问题:一是灯具设计要考虑电源的位置和散热，体积大、灯具设计受到电源限制，且成本提高；二是电源一旦损坏，整个灯具同时报废，成本高、寿命短。

[0005] 传统的解决方式是通过去掉DC-DC模块中的电解电容(在DC-DC模块中)，目前现有技术中，主要是通过控制算法来弥补去掉电解电容的缺陷，从而提高整体LED电源寿命，但是该方法需要复杂的控制电路，因此必然会增加LED驱动电源结构的复杂性，提高了 LED灯具的制造成本；LED负载因受到天气及其自身的结温等因素的影响而发生变化，当负载变化时，通过控制算法替代大电解电容时会降低LED驱动电源的稳定性。也有相关的技术人员和学者提出来直流供电系统，将LED灯具和电源隔离，集中给LED灯供电，这样方便维修和调节电压。但是该方法需要将市电转化成直流电，该部分能量的转换将会耗去10%以上的能量损耗，且电力电子的变化还会污染电网。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种无需交流与直流转变，无需单独的独立电源，电能利用控制合理的LED集中式直流微网供电系统及其供电控制方法。

[0007] 本发明目的通过如下技术方案实现:

[0008] 一种LED集中式直流微网供电系统，包括在线电网模块、多个电能存储模块、多个LED负载模块、多个风力发电模块、多个光伏发电模块、多个燃料电池模块、LED直流微网供电系统管理模块和供电母线；供电母线包括正极母线和负极母线；

[0009] 在线电网模块包括在线电网子模块，孤岛开关和双向电能转换模块；在线电网子模块为在运行的三相电网，孤岛开关的三个输入端分别连接于在线电网子模块的三相；双向电能转换子模块包括了滤波电容、电感和三相全控桥，双向电能转换子模块有三个三相输入端和两个正负输出端，三个输入端分别对应连接孤岛开关的三个输出端，而双向电能转换子模块的正负输出端分别连接于供电母线的正极母线和负极母线；

[0010]多个电能存储模块分别并联接在供电母线上，每个电能存储模块包括储能器和充放电电路模块；充放电电路模块为双向升降压电路；

[0011] 多个LED负载模块分别并联接在供电母线上；

[0012]多个燃料电池模块分别并联接在供电母线上，每个燃料电池模块包括燃料电池子模块以及升压模块，燃料电池子模块通过升压模块接在供电母线上；燃料电池子模块选用质子交换膜燃料电池；升压模块选用Boost电路或Buck - Boost电路；

[0013]多个光伏发电模块分别并联接在供电母线上，每个光伏发电模块包括太阳能模块以及升压模块，阳能模块通过升压模块接在供电母线上；升压模块采用Boost电路或Buck - Boost 电路；

[0014]多个风力发电模块分别并联接在供电母线上，每个风力发电模块包括风机模块以及三相PWM整流电源模块，风机模块通过三相PWM整流电源模块接在供电母线上；

[0015] LED直流微网电源管理模块包括数据采集模块和电脑；数据采集模块在主要由电压传感器和电流传感器组成；数据采集模块分别通过控制线与孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块连接；数据采集模块通过其电压传感器和电流传感器分别对孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块的电流电压的数据进行采集后，发送到电脑进行综合处理，电脑通过控制软件智能处理数据后，制定控制方案，发送到孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块，决定各个连接部件是否参与工作，以及各个连接部件的电压电流大小，实现在满足各个LED模块正常工作的前提下，将多余的能量进行蓄电池的储存或者回馈到电网；在风能，太阳能等绿色能源不足的条件下，从电网输送能量给LED负载模块，保证LED负载模块正常工作。

[0016] 为进一步实现本发明目的，所述孤岛开关为电网中三相开关器，三相断路器或三相继电器。

[0017] 所述储能器由蓄电池或者超级电容组成。

[0018] 所述充放电电路模块选用双向Buck -Boost电路,Cuk电路,Sepic电路或Zeta电路。

[0019] 所述三相PWM整流电源模块为三相PWM整流器。

[0020] 所述风机模块为风能发电机。

[0021 ] 所述太阳能模块为光伏太阳能板。

[0022] 所述多个光伏发电模块和多个风力发电模块分别安装于LED负载模块两边。

[0023] 所述LED集中式直流微网供电系统的供电控制方法:数据采集模块采集正输出母线和负输出母线上的输出电压电流、多个风力发电模块、多个光伏发电模块、多个燃料电池模块的输出电压电流、多个电能存储模块的输出电压电流、LED负载模块的电压电流和电网模块的电压电流；再将数据传送给电脑，电脑进行数据处理，优先考虑利用风能和太阳能所产生能量，当风能和/或太阳能所产生的总能量超过所述的LED负载要求时，电脑发出控制信号，通过控制线将信号输入电能存储模块，打开能量存储模块的能量存储开关，将多余的能量进行存储，当能量存储模块已存储满的情况下，电脑通过控制线将信号传送至孤岛开关，控制模块打开孤岛开关，将多余能量回馈到电网；电脑根据功率计算，当风能和太阳能所产生能量低于所述的LED负载要求时，电脑计算后通过控制线打开能量存储模块的能量释放开关，将能量存储模块的能量释放给LED负载模块，当能量存储模块的能量仍然不能满足LED负载模块的电能需求时，电脑通过控制线将信号传送至燃料电池模块和孤岛开关，控制燃料电池模块对LED负载模块供电。

[0024] 当正负母线输出电压电流过高或者过低的时候，通过电脑计算并调节各个模块按照所述的先后顺序来将正负母线输出电压电流稳定在正常工作状态，将各个模块调节到各自的稳定工作状态；所述LED直流微网供电系统管理模块，并将电源的各种参数数据显示在电脑上。

[0025] 本发明适用于LED路灯等系统，能够取代传统的单灯单供电的形式，实现将LED灯同电源分开，通过集中式机房对LED灯集中供电。

[0026] 本发明考虑到大规模LED灯负载都是在户外，为了充分发挥如太阳能和风能等绿色能源的优势，且太阳能和风能能直接产生直流电，可以避免了直流变交流，交流再变直流的能量损耗，提出通过电源管理模块采集LED负载模块的总负载量和太阳能，风能，化学能，电池组等产生的能量，实现合理调配；优先考虑风能和太阳能的前提下，实现电网模块，能量储存模块以及燃料电池模块的合理利用。

[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果:

[0028] I)在同功率条件下，比现有的每个LED灯中集成一个电源的灯具，成本降低。

[0029] 2)将电源与LED灯分离，使得灯具体积大大减小，灯具设计更加灵活，并且可以避免当电源寿命比LED灯短时造成的整套灯具的浪费；

[0030] 3)电源与LED灯的分离还使得LED灯的散热空间变大，延长了 LED灯的寿命；

[0031] 4)风能和太阳能等模块所形成的绿色直流微网系统，通过合理控制微网系统能量的调度分配，既能解决LED灯负载的需求，又能减少传统供电系统中，交流电能转化成直流电能的能量损耗。

附图说明

[0032] 图1是传统的单灯单供电方式的LED灯具框图。

[0033] 图2是本发明具体实施方式中一种LED集中式直流微网供电系统的框架示意图。具体实施方式

[0034] 为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但是本发明的实施方式不限如此。

[0035] 如图2所示，一种LED集中式直流微网供电系统，包括在线电网模块1、多个电能存储模块2、多个LED负载模块3、多个风力发电模块7、多个光伏发电模块6、多个燃料电池模块5、LED直流微网供电系统管理模块8和供电母线4 ；

[0036] 供电母线4包括正极母线和负极母线；

[0037] 在线电网模块包括在线电网子模块11，孤岛开关12和双向电能转换模块13 ;其中，在线电网子模块11为在运行的三相电网，孤岛开关12为电网中三相开关器，三相断路器或三相继电器，孤岛开关12三个输入端分别连接于在线电网子模块11的三相；双向电能转换子模块13包括了滤波电容、电感和三相全控桥，用于能量的双向转换，双向电能转换子模块13有三个三相输入端和两个正负输出端，三个输入端分别对应连接孤岛开关12的三个输出端，而双向电能转换子模块13的正负输出端分别连接于供电母线4的正极母线和负极母线。

[0038] 多个电能存储模块并联接在供电母线4上，每个电能存储模块2包括储能器和充放电电路模块；储能器由蓄电池或者超级电容组成，充放电电路模块为双向升降压电路，充放电电路模块可选用双向Buck - Boost电路,Cuk电路，Sepic电路,Zeta电路,实现蓄电池和电网上的能量交换。

[0039]多个LED负载模块分别并联接在供电母线4上，每个LED负载模块3包括恒流模块以及LED灯组；LED负载模块并联接在供电母线4上，其构成是传统的LED路灯的电源去掉后其输入直接接在供电母线4上。

[0040]多个燃料电池模块分别并联接在供电母线4上，每个燃料电池模块5包括燃料电池子模块以及升压模块，燃料电池子模块通过升压模块接在供电母线4上；燃料电池子模块可以选用质子交换膜燃料电池(PEMFC);升压模块可以选用Boost电路或Buck-Boost电路等具有升压功能的电路。

[0041]多个光伏发电模块并联接在供电母线4上，每个光伏发电模块6包括太阳能模块以及升压模块，阳能模块通过升压模块接在供电母线4上；升压模块可采用Boost电路或Buck - Boost电路等具有升压功能的电路；太阳能模块为市面上光伏太阳能板，如美国First solar公司的太阳能模组。

[0042]多个风力发电模块并联接在供电母线4上，每个风力发电模块7包括风机模块以及三相PWM整流电源模块，风机模块通过三相PWM整流电源模块接在供电母线4上；三相PWM整流电源模块由三相PWM整流器组成，风机模块为一般的风能发电机，风能发电机将能量通过三相输出给三相PWM整流电源模块后，三相PWM整流电源模块将其整流后，由输出正负端分别接于供电母线4的正负母线上进行能量传输。

[0043] LED直流微网电源管理模块8包括数据采集模块和电脑；数据采集模块在主要由电压传感器和电流传感器组成；数据采集模块分别通过控制线与孤岛保护开关、多个能量存储模块2、多个LED负载模块3、供电母线4、多个燃料电池模块5、多个光伏发电模块6和多个风力发电模块7连接；数据采集模块通过其电压传感器和电流传感器分别对孤岛保护开关、多个能量存储模块2、多个LED负载模块3、供电母线4、多个燃料电池模块5、多个光伏发电模块6和多个风力发电模块7的电流电压的数据进行采集后，发送到电脑进行综合处理，电脑通过控制软件智能处理数据后，制定控制方案，发送到孤岛保护开关、多个能量存储模块2、多个LED负载模块3、供电母线4、多个燃料电池模块5、多个光伏发电模块6和多个风力发电模块7，来决定各个连接部件是否参与工作，以及各个连接部件的电压电流大小。最终实现在满足各个LED模块正常工作的前提下，将多余的能量进行蓄电池的储存或者回馈到电网；在风能，太阳能等绿色能源不足的条件下，从电网输送能量给LED负载模块，保证其正常工作。

[0044] 多个光伏发电模块6和多个风力发电模块7分别安装于LED负载模块3两边利于采风和采太阳能的区域，其他所述各个模块构成供电房，安放于该系统所要供电的所有LED灯组的线路中间。

[0045] 本发明通过LED直流微网电源管理模块8采集LED负载模块的总负载量和上述各个模块产生的能量，实现合理调配；优先考虑风能和太阳能的前提下，实现电网模块，能量储存模块以及燃料电池模块的合理利用。

[0046] —种LED集中式直流微网供电系统供电控制方法:数据采集模块采集正输出母线和负输出母线上的输出电压电流、多个风力发电模块7、多个光伏发电模块6、多个燃料电池模块5的输出电压电流、多个电能存储模块2的输出电压电流、LED负载模块3的电压电流和电网模块I的电压电流；

[0047] 再将数据传送给电脑，电脑进行数据处理，优先考虑利用风能和太阳能所产生能量，即风能和太阳能是根据天气而定的能量，当其所产生的总能量超过所述的LED负载要求时，电脑发出控制信号，通过控制线将信号输入电能存储模块2，打开能量存储模块2的能量存储开关，将多余的能量进行存储，当能量存储模块已存储满的情况下，电脑通过控制线将信号传送至孤岛开关12，控制模块打开孤岛开关12，将多余能量回馈到电网；根据功率计算，当所述的风能和太阳能所产生能量低于所述的LED负载要求时，电脑计算后通过控制线打开能量存储模块2的能量释放开关，将能量存储模块2的能量释放给LED负载模块3，当能量存储模块2的能量仍然无法满足LED负载模块3的电能需求时，电脑通过控制线将信号传送至燃料电池模块5和孤岛开关12，控制燃料电池模块5和电网对LED负载模块供电。

[0048] 为保证整个系统安全稳定运行，电源管理系统还检测正负母线输出电压电流，当正负母线输出电压电流出现断路或者电路现象的时候，通过各个模块的数据值，迅速定位事故点，及时关闭引起事故的模块，避免事故的曼延。

[0049] 当正负母线输出电压电流出现过高或者过低的时候，通过电脑计算并调节各个模块按照所述的先后顺序来将正负母线输出电压电流稳定在正常工作状态，将各个模块调节到各自的稳定工作状态；所述LED直流微网供电系统管理模块，并将电源的各种参数数据显示在电脑上。

[0050] 本发明LED集中式直流微网供电系统由LED直流微网电源管理模块8控制，实现对各个模块能量的合理利用，优先考虑风能和太阳能前提下，在电能多余的情况下，实现电能存储或返回电网；在电能不足的情况下，由储能电源，燃料电池供电或者电网供电，并且通过LED直流微网电源管理模块8实现对LED的监控。

[0051] 本发明电源与LED灯分离，使得灯具体积大大减小，灯具设计更加灵活，并且可以避免当电源寿命比LED灯短时造成的整套灯具的浪费；另外电源与LED灯的分离还使得LED灯的散热空间变大，延长了 LED灯的寿命；另外风能和太阳能等模块所形成的绿色直流微网系统，通过合理控制微网系统能量的调度分配，既能解决LED灯负载的需求，又能减少传统供电系统中，交流电能转化成直流电能的能量损耗。

Claims

1.一种LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:包括在线电网模块、多个电能存储模块、多个LED负载模块、多个风力发电模块、多个光伏发电模块、多个燃料电池模块、LED直流微网供电系统管理模块和供电母线；供电母线包括正极母线和负极母线；在线电网模块包括在线电网子模块，孤岛开关和双向电能转换模块；在线电网子模块为在运行的三相电网，孤岛开关的三个输入端分别连接于在线电网子模块的三相；双向电能转换子模块包括了滤波电容、电感和三相全控桥，双向电能转换子模块有三个三相输入端和两个正负输出端，三个输入端分别对应连接孤岛开关的三个输出端，而双向电能转换子模块的正负输出端分别连接于供电母线的正极母线和负极母线；多个电能存储模块分别并联接在供电母线上，每个电能存储模块包括储能器和充放电电路模块；充放电电路模块为双向升降压电路；多个LED负载模块分别并联接在供电母线上；多个燃料电池模块分别并联接在供电母线上，每个燃料电池模块包括燃料电池子模块以及升压模块，燃料电池子模块通过升压模块接在供电母线上；燃料电池子模块选用质子交换膜燃料电池；升压模块选用Boost电路或Buck - Boost电路；多个光伏发电模块分别并联接在供电母线上，每个光伏发电模块包括太阳能模块以及升压模块，阳能模块通过升压模块接在供电母线上；升压模块采用Boost电路或Buck - Boost 电路；多个风力发电模块分别并联接在供电母线上，每个风力发电模块包括风机模块以及三相PWM整流电源模块，风机模块通过三相PWM整流电源模块接在供电母线上； LED直流微网电源管理模块包括数据采集模块和电脑；数据采集模块在主要由电压传感器和电流传感器组成；数据采集模块分别通过控制线与孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块连接；数据采集模块通过其电压传感器和电流传感器分别对孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块的电流电压的数据进行采集后，发送到电脑进行综合处理，电脑通过控制软件智能处理数据后，制定控制方案，发送到孤岛保护开关、多个能量存储模块、多个LED负载模块、供电母线、多个燃料电池模块、多个光伏发电模块和多个风力发电模块，决定各个连接部件是否参与工作，以及各个连接部件的电压电流大小，实现在满足各个LED模块正常工作的前提下，将多余的能量进行蓄电池的储存或者回馈到电网；在风能，太阳能等绿色能源不足的条件下，从电网输送能量给LED负载模块，保证LED负载模块正常工作。

2.根据权利要求1所述的一种LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述孤岛开关为电网中三相开关器，三相断路器或三相继电器。

3.根据权利要求1所述的LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述储能器由蓄电池或者超级电容组成。

4.根据权利要求1所述的LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述充放电电路模块选用双向Buck - Boost电路，Cuk电路，Sepic电路或Zeta电路。

5.根据权利要求1所述的LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述三相PWM整流电源模块为三相PWM整流器。

6.根据权利要求1所述的LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述风机模块为风能发电机。

7.根据权利要求1所述的一种LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述太阳能模块为光伏太阳能板。

8.根据权利要求1所述的LED集中式直流微网供电系统，其特征在于:所述多个光伏发电模块和多个风力发电模块分别安装于LED负载模块两边。

9.权利要求1 - 8任一项所述LED集中式直流微网供电系统的供电控制方法，其特征在于:数据采集模块采集正输出母线和负输出母线上的输出电压电流、多个风力发电模块、多个光伏发电模块、多个燃料电池模块的输出电压电流、多个电能存储模块的输出电压电流、LED负载模块的电压电流和电网模块的电压电流；再将数据传送给电脑，电脑进行数据处理，优先考虑利用风能和太阳能所产生能量，当风能和/或太阳能所产生的总能量超过所述的LED负载要求时，电脑发出控制信号，通过控制线将信号输入电能存储模块，打开能量存储模块的能量存储开关，将多余的能量进行存储，当能量存储模块已存储满的情况下，电脑通过控制线将信号传送至孤岛开关，控制模块打开孤岛开关，将多余能量回馈到电网；电脑根据功率计算，当风能和太阳能所产生能量低于所述的LED负载要求时，电脑计算后通过控制线打开能量存储模块的能量释放开关，将能量存储模块的能量释放给LED负载模块，当能量存储模块的能量仍然不能满足LED负载模块的电能需求时，电脑通过控制线将信号传送至燃料电池模块和孤岛开关，控制燃料电池模块对LED负载模块供电。