CN103684214B - 一种多模式风光发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式风光发电系统，属于电能变换领域。该变换器包括：太阳能发电、风能发电、第一、第二DC/DC变换器、双向逆变器、双向DC/DC变换器、蓄电池、开关、直流母线、电网、直流负载、交流负载、电压电流采样电路、DSP。双向逆变器既可以工作在逆变状态也可以工作在整流状态，双向DC/DC变换器既可以工作在降压模式也可以工作在升压模式。本发明具有灵活的控制方式，使发电量得到充分利用，具有很高的环境、经济效益，特别适合于风能、太阳能发电场合和实行阶梯电价的地方。

Description

一种多模式风光发电系统
技术领域
本发明属于电能变换领域，具体涉及一种多模式风光发电系统。
背景技术
随着石油、煤炭等资源的过度消耗，能源危机已逐步逼近，同时由其造成的污染越来越严重，对人民的生活、健康产生了较大的影响，因此发展新能源、清洁能源已是大势所趋。近年来，太阳能、风能发电得到了大量的应用，并取得了一定的效益。但是传统的太阳能、风能发电系统存在以下问题：
1、工作模式比较单一，使用的逆变器只能工作在一种状态，太阳能、风能所发电能只能通过逆变器给负载供电或为电网供电；
2、带负载能力较差，由于没有储能环节，输出功率波动较大，影响负载正常工作；
3、对于实行阶梯电价的区域，无法储存晚间廉价的电能，经济效益较差。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中太阳能、风能发电系统存在的模式单一、缺乏储能环节、经济效益差等缺陷，提供一种多模式风光发电系统，该系统能够根据发电量和负载功率的大小选择系统的工作模式，使系统处于最佳工作状态，充分利用发电能量，提高经济效益。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括太阳能发电装置、风能发电装置、直流母线、电网以及DSP；太阳能发电装置的的输出端连接有第一DC/DC变换器，风能发电装置的输出端连接有第二DC/DC变换器；第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器的输出端均连接到直流母线上；直流母线上分别连接有双向逆变器、双向DC/DC变换器以及直流负载，双向逆变器的一端与直流母线相连，另一端分别连与开关的一端和交流负载相连，开关的另一端与电网相连；双向DC/DC变换器的一端与直流母线相连，另一端连接有蓄电池；太阳能发电装置和风能发电装置通过电压、电流采样电路与DSP相连，DSP的输出端分别与双向逆变器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端以及开关的控制端相连，DSP根据采集到的电压、电流数据，对双向逆变器、双向DC/DC变换器以及开关进行控制，进行电路工作模式的转换。
所述的双向逆变器采用能够分别工作在逆变状态和整流状态的双向逆变器；双向DC/DC变换器采用能够分别工作在降压模式和升压模式的双向DC/DC变换器。
所述的双向逆变器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在逆变模式和整流模式间切换的三相逆变电路拓扑。
所述双向逆变器的电路包括四个MOS管、四个二极管、第一电感以及第一电容；其中，第一MOS管与第一二极管并联，且第一MOS管的漏极与第一二极管的阴极相连；第二MOS管与第二二极管并联，且第二MOS管的漏极与第二二极管的阴极相连；第三MOS管与第三二极管并联，且第三MOS管的漏极与第三二极管的阴极相连；第四MOS管与第四二极管并联，且第四MOS管的漏极与第四二极管的阴极相连；
第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极和第四MOS管的源极相连，第一MOS管的漏极与第三MOS管的源极分别连接到直流母线的正负极上；第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极连接均连接到第一电感的一端；第二MOS管源极和第四MOS管漏极连接均连接到第一电容的一端；第一电感的另一端与第一电容的另一端相连，第一电容的两端为交流输入端或交流输出端。
所述的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器为升压变换器。
所述的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器均采用boost拓扑，其电路的具体结构包括第二电感、第五MOS管、第五二极管以及第二电容；其中，第二电感的一端分别与第五MOS管的漏极以及第五二极管的阳极相连，第二电感的另一端和第五MOS管的源极分别连接到太阳能发电装置或风能发电装置的直流输出端上；第五MOS管的源极与第二电容的一端相连，第五二极管的阴极与第二电容的另一端相连；第二电容的两端为直流输出。
所述的双向DC/DC变换器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在降压模式和升压模式间切换的升降压型电路拓扑。
所述的双向DC/DC变换器采用buck-boost拓扑，其电路的具体结构包括第六MOS管、第七MOS管、第六二极管、第七二极管、第三电感以及第三电容；其中，第六MOS管的源极与第七MOS管的漏极相连；第六MOS管的漏极和第七MOS管的源极分别连接到直流母线正负极上；第六二极管的阴极连接到第六MOS管的漏极上，阳极连接到第六MOS管的源极上；第七二极管的阴极连接到第七MOS管的漏极上，阳极连接到第七MOS管的源极上；第三电感的一端与第六MOS管的源极相连，另一端连接到第三电容的一端上，第三电容的另一端与第七MOS管的源极相连；第三电容的两端为直流输入或直流输出。
所述的工作模式为六种，具体包括：
模式一、双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电，同时开关闭合把多余的电能送到电网中；
模式二、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电；
模式三、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量；
模式四、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载或者直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电；
模式五、所发电量不足以为任何一种负载供电，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态为直流负载供电，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电，电网直接对交流负载供电；
模式六、夜间工作模式，交直流负载不工作，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态、双向DC/DC变换器工作在降压模式为蓄电池充电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明本发明采用高性能的DSP对整个体系进行检测和控制，DSP根据电压、电流采样电路采集到的电压、电流的数据，计算发电功率，程序对发电功率和负载功率进行比较，确定电路的工作模式，从而调节双向逆变器、双向DC/DC变换器、开关的工作状态，克服了传统模拟控制的各种缺陷，因此本发明具有多种工作模式，工作方式灵活，可以充分利用太阳能、风能发出的电量；另外，本发明双向DC/DC变换器上连接有蓄电池，具有储能环节，利用蓄电池进行储能，可以系统能量进行有效地调节，提高了系统工作的稳定性、可靠性。
进一步的，本发明具有特殊的夜间工作模式，可以充分利用夜间廉价的电能，具有较高的经济效益。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明双向逆变器的电路图；
图3为本发明DC/DC变换器的电路图；
图4为本发明双向DC/DC变换器的电路图。
其中，1为直流母线；2为电网；Q1为第一MOS管；Q2为第二MOS管；Q3为第三MOS管；Q4为第四MOS管；Q5为第五MOS管；Q6为第六MOS管；Q7为第七MOS管；D1为第一二极管；D2为第二二极管；D3为第三二极管；D4为第四二极管；D5为第五二极管；D6为第六二极管；D7为第七二极管；L1为第一电感；L2为第二电感；L3为第三电感；C1为第一电容；C2为第二电容；C3为第三电容；DC为直流电压；AC为交流电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步详细的说明：
本发明能够根据发电量和负载功率进行比较，确定电路的工作模式，可以充分利用太阳能、风能发出的电量，且具有较高经济效益，特别适合于风能、太阳能发电场合和实行阶梯电价的地方。
如图1所示，本发明包括太阳能发电装置、风能发电装置、直流母线1、电网2以及DSP；太阳能发电装置的的输出端连接有第一DC/DC变换器，风能发电装置的输出端连接有第二DC/DC变换器；第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器的输出端均连接到直流母线1上；直流母线1上分别连接有双向逆变器、双向DC/DC变换器以及直流负载，双向逆变器的一端与直流母线1相连，另一端分别连与开关的一端和交流负载相连，开关的另一端与电网2相连；双向逆变器采用能够分别工作在逆变状态和整流状态的双向逆变器；双向DC/DC变换器采用能够分别工作在降压模式和升压模式的双向DC/DC变换器。双向DC/DC变换器的一端与直流母线1相连，另一端连接有蓄电池；太阳能发电装置和风能发电装置通过电压、电流采样电路与DSP相连，DSP的输出端分别与双向逆变器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端以及开关的控制端相连，DSP根据采集到的电压、电流数据，对双向逆变器、双向DC/DC变换器以及开关进行控制，进行电路工作模式的转换。
采用高性能的DSP芯片对整个系统进行检测、控制，对发电功率和负载功率进行比较，选择电路的工作模式，通过程序的运行，输出PWM波，对开关管进行控制，从而调节双向逆变器、双向DC/DC变换器、开关的工作状态，进而达到所需的电路工作状态。
工作模式为六种，具体包括：
模式1，太阳能、风能发电非常充足时，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电，同时开关闭合把多余的电能送到电网中。
模式2，太阳能、风能发电较充足时，开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电。
模式3，太阳能、风能发电充足时，开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量。
模式4，太阳能、风能发电不充足时，开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载或者直流母线为直流负载提供能量，两者不能同时工作，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电。
模式5，太阳能、风能发电很不充足时，所发电量不足以为任何一种负载供电，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态为直流负载供电，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电，电网直接对交流负载供电。
模式6，也称为夜间工作模式，交直流负载基本不工作，当太阳能、风能发电很不充足时，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态、双向DC/DC变换器工作在降压模式为蓄电池充电。
双向逆变器电路如图2所示，该电路有四个MOS管、四个反并联的二极管、一个电感、一个电容组成，工作在逆变模式时把直流能量转变成交流能量给负载供电或给电网送电，工作在整流模式时电网能量转换为直流能量为直流负载供电或给蓄电池充电。
双向逆变器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在逆变模式和整流模式间切换的三相逆变电路拓扑。双向逆变器的电路包括四个MOS管、四个二极管、第一电感L1以及第一电容C1；其中，第一MOS管Q1与第一二极管D1并联，且第一MOS管Q1的漏极与第一二极管D1的阴极相连；第二MOS管Q2与第二二极管D2并联，且第二MOS管Q2的漏极与第二二极管D2的阴极相连；第三MOSQ3管与第三二极管D3并联，且第三MOS管Q3的漏极与第三二极管D3的阴极相连；第四MOS管Q4与第四二极管D4并联，且第四MOS管Q4的漏极与第四二极管D4的阴极相连；
第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的漏极相连，第三MOS管Q4的源极和第四MOS管Q5的源极相连，第一MOS管Q1的漏极与第三MOS管Q4的源极分别连接到直流母线1的正负极上；第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q4的漏极连接均连接到第一电感L1的一端；第二MOS管Q1源极和第四MOS管Q1漏极连接均连接到第一电容C1的一端；第一电感L1的另一端与第一电容C1的另一端相连，第一电容C1的两端为交流输入端或交流输出端。
DC/DC变换器部分如图3所示，采用boost拓扑，电感一端和发电输出端连接，另一端和第五MOS管Q5的漏极与第五二极管D5的阳极连接，第五D5二极管的阴极和第二电容C2的一端与直流母线连接，第五MOS管Q5的源极和第二电容C2的另一端连接。该DC/DC变换器把发出的低压电进行升压。
第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器为升压变换器。
第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器均采用boost拓扑，其电路的具体结构包括第二电感L2、第五MOS管Q5、第五二极管D5以及第二电容C2；其中，第二电感L2的一端分别与第五MOS管的漏极以及第五二极管D5的阳极相连，第二电感L2的另一端和第五MOS管Q5的源极分别连接到太阳能发电装置或风能发电装置的直流输出端上；第五MOS管Q5的源极与第二电容C2的一端相连，第五二极管D5的阴极与第二电容C2的另一端相连；第二电容C2的两端为直流输出。
双向DC/DC变换器部分如图4所示，采用buck-boost拓扑，第六MOS管Q6、第七二极管D7工作时电路工作在降压模式，为蓄电池充电，第七MOS管Q7、第六二极管D6工作时电路工作在升压模式，蓄电池储存的能量送到直流母线，给直流负载供电，或者经逆变给交流负载供电。
双向DC/DC变换器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在降压模式和升压模式间切换的升降压型电路拓扑。
双向DC/DC变换器采用buck-boost拓扑，其电路的具体结构包括第六MOS管Q6、第七MOS管Q7、第六二极管D6、第七二极管D7、第三电感L3以及第三电容C3；其中，第六MOS管Q6的源极与第七MOS管Q7的漏极相连；第六MOS管Q6的漏极和第七MOS管Q7的源极分别连接到直流母线1正负极上；第六二极管D6的阴极连接到第六MOS管Q6的漏极上，阳极连接到第六MOS管Q6的源极上；第七二极管D7的阴极连接到第七MOS管Q7的漏极上，阳极连接到第七MOS管Q7的源极上；第三电感L3的一端与第六MOS管Q6的源极相连，另一端连接到第三电容C3的一端上，第三电容C3的另一端与第七MOS管Q7的源极相连；第三电容C3的两端为直流输入或直流输出。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换、和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多模式风光发电系统，其特征在于：包括太阳能发电装置、风能发电装置、直流母线(1)、电网(2)以及DSP；太阳能发电装置的的输出端连接有第一DC/DC变换器，风能发电装置的输出端连接有第二DC/DC变换器；第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器的输出端均连接到直流母线(1)上；直流母线(1)上分别连接有双向逆变器、双向DC/DC变换器以及直流负载，双向逆变器的一端与直流母线(1)相连，另一端分别连与开关的一端和交流负载相连，开关的另一端与电网(2)相连；双向DC/DC变换器的一端与直流母线(1)相连，另一端连接有蓄电池；太阳能发电装置和风能发电装置通过电压、电流采样电路与DSP相连，DSP的输出端分别与双向逆变器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端以及开关的控制端相连，DSP根据采集到的电压、电流数据，对双向逆变器、双向DC/DC变换器以及开关进行控制，进行电路工作模式的转换；
所述的双向逆变器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在逆变模式和整流模式间切换的三相逆变电路拓扑；
所述双向逆变器的电路包括四个MOS管、四个二极管、第一电感(L1)以及第一电容(C1)；其中，第一MOS管(Q1)与第一二极管(D1)并联，且第一MOS管(Q1)的漏极与第一二极管(D1)的阴极相连；第二MOS管(Q2)与第二二极管(D2)并联，且第二MOS管(Q2)的漏极与第二二极管(D2)的阴极相连；第三MOS(Q3)管与第三二极管(D3)并联，且第三MOS管(Q3)的漏极与第三二极管(D3)的阴极相连；第四MOS管(Q4)与第四二极管(D4)并联，且第四MOS管(Q4)的漏极与第四二极管(D4)的阴极相连；
第一MOS管(Q1)的漏极和第二MOS管(Q2)的漏极相连，第三MOS管(Q4)的源极和第四MOS管(Q5)的源极相连，第一MOS管(Q1)的漏极与第三MOS管(Q4)的源极分别连接到直流母线(1)的正负极上；第一MOS管(Q1)的源极和第三MOS管(Q4)的漏极连接均连接到第一电感(L1)的一端；第二MOS管(Q1)源极和第四MOS管(Q1)漏极连接均连接到第一电容(C1)的一端；第一电感(L1)的另一端与第一电容(C1)的另一端相连，第一电容(C1)的两端为交流输入端或交流输出端。
2.根据权利要求1所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的双向逆变器采用能够分别工作在逆变状态和整流状态的双向逆变器；双向DC/DC变换器采用能够分别工作在降压模式和升压模式的双向DC/DC变换器。
3.根据权利要求1所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器为升压变换器。
4.根据权利要求1或3所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器均采用boost拓扑，其电路的具体结构包括第二电感(L2)、第五MOS管(Q5)、第五二极管(D5)以及第二电容(C2)；其中，第二电感(L2)的一端分别与第五MOS管的漏极以及第五二极管(D5)的阳极相连，第二电感(L2)的另一端和第五MOS管(Q5)的源极分别连接到太阳能发电装置或风能发电装置的直流输出端上；第五MOS管(Q5)的源极与第二电容(C2)的一端相连，第五二极管(D5)的阴极与第二电容(C2)的另一端相连；第二电容(C2)的两端为直流输出。
5.根据权利要求1或2所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的双向DC/DC变换器采用通过对开关管开通时序的控制，使其能够在降压模式和升压模式间切换的升降压型电路拓扑。
6.根据权利要求5所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的双向DC/DC变换器采用buck-boost拓扑，其电路的具体结构包括第六MOS管(Q6)、第七MOS管(Q7)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第三电感(L3)以及第三电容(C3)；其中，第六MOS管(Q6)的源极与第七MOS管(Q7)的漏极相连；第六MOS管(Q6)的漏极和第七MOS管(Q7)的源极分别连接到直流母线(1)正负极上；第六二极管(D6)的阴极连接到第六MOS管(Q6)的漏极上，阳极连接到第六MOS管(Q6)的源极上；第七二极管(D7)的阴极连接到第七MOS管(Q7)的漏极上，阳极连接到第七MOS管(Q7)的源极上；第三电感(L3)的一端与第六MOS管(Q6)的源极相连，另一端连接到第三电容(C3)的一端上，第三电容(C3)的另一端与第七MOS管(Q7)的源极相连；第三电容(C3)的两端为直流输入或直流输出。
7.根据权利要求1所述的多模式风光发电系统，其特征在于：所述的工作模式为六种，具体包括：
模式一、双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电，同时开关闭合把多余的电能送到电网中；
模式二、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在降压模式对蓄电池进行充电；
模式三、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载，直流母线为直流负载提供能量；
模式四、开关断开，双向逆变器工作在逆变状态为交流负载或者直流母线为直流负载提供能量，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电；
模式五、所发电量不足以为任何一种负载供电，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态为直流负载供电，双向DC/DC变换器工作在升压模式，蓄电池释放能量为负载供电，电网直接对交流负载供电；
模式六、夜间工作模式，交直流负载不工作，开关闭合，双向逆变器工作在整流状态、双向DC/DC变换器工作在降压模式为蓄电池充电。
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