CN104242790A - 一种风光互补发电系统 - Google Patents

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吴秋轩
郭建宇
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Abstract

本发明公开了一种风光互补发电系统，风力发电机产生交流电，经整流器和第一DC/DC功率变换器有效输出固定电压；光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，并经第二DC/DC功率变换器有效输出固定电压。经DC/DC功率变换器产生的直流电向直流负载供电，经DC/DC功率变换器产生的直流电经逆变器转换成交流电后向交流负载供电。当风力发电机和光伏阵列输出的电能除供给直流负载和交流负载外还有剩余时，蓄电池将这些电能储存；当风力发电机和光伏阵列输出的电能不足以满足直流负载和交流负载要求时，则由蓄电池向其供电。利用太阳能风能的互补特性，可以产生比较稳定的总输出，增加了系统的稳定性和可靠性。

Description

一种风光互补发电系统
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，具体而言，涉及一种风光互补发电系统。
背景技术
当前可利用的几种可再生能源中，风能和太阳能由于具有分布广泛，取之不尽、用之不竭，就地取材，无污染等优点被广泛利用。但受其能量密度低，能量稳定性差等缺点的影响，二者的利用也受到一定的制约。太阳能和风能都是相对不稳定、不连续的能源，用于无电网地区，需配备大量的储能设备，使得系统的耗费大大增加。
发明内容
本发明所解决的技术问题：风能和太阳能提供能量具有随机性和间歇性的缺点。
本发明提供如下技术方案：一种风光互补发电系统，包括风力发电机、整流器、光伏阵列、第一DC/DC功率变换器、第二DC/DC功率变换器、蓄电池、逆变器、控制器、交流负载、直流负载，所述风力发电机与整流器连接，所述整流器与第一DC/DC功率变换器连接，所述光伏阵列与第二DC/DC功率变换器连接。所述第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器通过直流母线与蓄电池连接，所述第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器与直流负载连接，所述逆变器与第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器连接，所述交流负载与逆变器连接，所述直流负载与蓄电池连接，所述逆变器与蓄电池连接，所述第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器分别与控制器连接，所述蓄电池与控制器连接。
按上述技术方案，风轮将风能通过空气动力学原理转换成机械能，驱动永磁异步发电机发出与风速成一定关系的交流电，经整流器整流变成直流电，并经第一DC/DC功率变换器有效输出固定电压；光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，并经第二DC/DC功率变换器有效输出固定电压。经第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器产生的直流电向直流负载供电，经第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器产生的直流电经逆变器转换成交流电后向交流负载供电。当风力发电机和光伏阵列输出的电能除供给直流负载和交流负载外还有剩余时，蓄电池将这些电能储存；当风力发电机和光伏阵列输出的电能不足以满足直流负载和交流负载要求时，则由蓄电池向其供电。控制器与第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器连接，以实现最大功率跟踪，控制器与蓄电池连接，以控制蓄电池的充放电。
风光互补发电系统与单独的风电系统和光电系统相比有着明显的优势。首先，利用太阳能风能的互补特性，可以产生比较稳定的总输出，增加了系统的稳定性和可靠性。在风、光资源丰富并且互补性较好的地区，合理匹配设计的风光互补发电系统可以满足用户较大的用电需求，并能达到一年四季均衡供电。这是采用单一风力或太阳能发电无法达到的；其次，在保证同样供电的情况下，风光互补发电系统所需的蓄电池容量远远小于单一风力或太阳能发电系统，且通过系统匹配的优化设计，太阳能电池板容量降低，避免了因昂贵太阳能电池带来的系统的高成本。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理；再次，充分利用了自然资源，大大增加了对蓄电池的有效充电时间，改善了蓄电池的工作条件，通过选择合理的蓄电池充放电控制策略，更能延长了蓄电池的使用寿命，减少系统的维护。
综上所述，风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。
作为本发明的进一步说明，所述第一DC/DC功率变换器和第二DC/DC功率变换器均包括DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路包括储能电容、MOSFET管、电感、电容、二极管、电阻，所述储能电容与DC/DC变换电路输入端并联，所述MOSFET管与DC/DC变换电路输入端连接，所述电感与MOSFET管串接，所述电感与电容串接，所述电容与蓄电池并联，所述二极管的负极连接在MOSFET管和电感之间，所述二极管的正极与电阻连接，所述电容、电阻、二极管、电感构成一回路。此处的DC/DC变换电路即为Buck电路。
作为本发明的进一步说明，所述控制器包括电压采样模块、电流采样模块、单片机，所述电压采样模块与蓄电池连接，所述电流采样模块与电阻的一端连接，所述电阻的一端与电容连接，所述单片机与电压采样模块和电流采样模块连接，所述单片机与MOSFET管连接。如此，电压采样模块、电流采样模块、单片机与上述的Buck电路构成最大功率跟踪装置。具体控制过程如下：单片机通过电压采样模块和电流采样模块采样蓄电池的电压(Buck的输出电压)和充电电流(Buck的输出电流)，给占空比一个扰动，观察蓄电池上功率的变化，如果功率增加则对占空比维持原方向的扰动，如果功率减少则对占空比反方向扰动，如此反复进行下去，单片机对电压扰动进行计算后，向MOSFET管输出开关信号。通过最大功率跟踪装置，当外部环境或者蓄电池变化时，风力发电机和光伏阵列能够工作在最大功率点附近，以提高风力发电机和光伏阵列的利用效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明一种风光互补发电系统的结构框图；
图2为图1中控制器中的电压采样模块、电流采样模块、单片机与DC/DC功率变换器中的DC/DC变换电路构成的最大功率跟踪装置的示意图。
图中符号说明：
10－风力发电机；
20－整流器；
30－光伏阵列；
41－DC/DC功率变换器；42－DC/DC功率变换器；400－DC/DC变换电路输入端；
50－蓄电池；
60－逆变器；
70－控制器；
80－交流负载；
90－直流负载；
71－电压采集模块；
72－电流采集模块；
73－单片机；
Cin－储能电容；C－电容；
D－二极管；
L－电感；
Q－MOSFET管；
R－电阻。
具体实施方式
如图1所示，一种风光互补发电系统，包括风力发电机10、整流器20、光伏阵列30、第一DC/DC功率变换器41、第二DC/DC功率变换器42、蓄电池50、逆变器60、控制器70、交流负载80、直流负载90。所述风力发电机10与整流器20连接，所述整流器20与第一DC/DC功率变换器41连接，所述光伏阵列30与第二DC/DC功率变换器42连接，所述第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42通过直流母线与蓄电池50连接，所述第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42与直流负载90连接，所述逆变器60与第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42连接，所述交流负载80与逆变器60连接，所述直流负载90与蓄电池50连接，所述逆变器60与蓄电池50连接，所述第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42分别与控制器70连接，所述蓄电池50与控制器70连接。
所述第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42均包括DC/DC变换电路。所述控制器70包括电压采样模块71、电流采样模块72、单片机73。
如图2所示，所述DC/DC变换电路包括储能电容Cin、MOSFET管Q、电感L、电容C、二极管D、电阻R，所述储能电容Cin与DC/DC变换电路输入端400并联，所述MOSFET管Q与DC/DC变换电路输入端400连接，所述电感L与MOSFET管Q串接，所述电感L与电容C串接，所述电容C与蓄电池20并联，所述二极管D的负极连接在MOSFET管Q和电感L之间，所述二极管D的正极与电阻R连接，所述电容C、电阻R、二极管D、电感L构成一回路。所述电压采样模块71与蓄电池50连接，所述电流采样模块72与电阻R的一端连接，所述电阻R的一端与电容C连接，所述单片机73与电压采样模块71和电流采样模块72连接，所述单片机73与MOSFET管Q连接。
风力发电机10产生交流电，经整流器20整流变成直流电，并经第一DC/DC功率变换器41有效输出固定电压；光伏阵列30将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，并经第二DC/DC功率变换器42有效输出固定电压。经第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42产生的直流电向直流负载90供电，经第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42产生的直流电经逆变器60转换成交流电后向交流负载80供电。当风力发电机10和光伏阵列30输出的电能除供给直流负载90和交流负载80外还有剩余时，蓄电池50将这些电能储存；当风力发电机10和光伏阵列30输出的电能不足以满足直流负载90和交流负载80要求时，则由蓄电池50向其供电。控制器70与第一DC/DC功率变换器41和第二DC/DC功率变换器42连接，以实现最大功率跟踪，控制器70与蓄电池50连接，以控制蓄电池50的充放电。
以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种风光互补发电系统，包括风力发电机(10)、整流器(20)、光伏阵列(30)、第一DC/DC功率变换器(41)、第二DC/DC功率变换器(42)、蓄电池(50)、逆变器(60)、控制器(70)、交流负载(80)、直流负载(90)，所述风力发电机(10)与整流器(20)连接，所述整流器(20)与第一DC/DC功率变换器(41)连接，所述光伏阵列(30)与第二DC/DC功率变换器(42)连接，其特征在于：所述第一DC/DC功率变换器(41)和第二DC/DC功率变换器(42)通过直流母线与蓄电池(50)连接，所述第一DC/DC功率变换器(41)和第二DC/DC功率变换器(42)与直流负载(90)连接，所述逆变器(60)与第一DC/DC功率变换器(41)和第二DC/DC功率变换器(42)连接，所述交流负载(80)与逆变器(60)连接，所述直流负载(90)与蓄电池(50)连接，所述逆变器(60)与蓄电池(50)连接，所述第一DC/DC功率变换器(41)和第二DC/DC功率变换器(42)分别与控制器(70)连接，所述蓄电池(50)与控制器(70)连接。
2.如权利要求1所述的一种风光互补发电系统，其特征在于：所述第一DC/DC功率变换器(41)和第二DC/DC功率变换器(42)均包括DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路包括储能电容(Cin)、MOSFET管(Q)、电感(L)、电容(C)、二极管(D)、电阻(R)，所述储能电容(Cin)与DC/DC变换电路输入端(400)并联，所述MOSFET管(Q)与DC/DC变换电路输入端(400)连接，所述电感(L)与MOSFET管(Q)串接，所述电感(L)与电容(C)串接，所述电容(C)与蓄电池(20)并联，所述二极管(D)的负极连接在MOSFET管(Q)和电感(L)之间，所述二极管(D)的正极与电阻(R)连接，所述电容(C)、电阻(R)、二极管(D)、电感(L)构成一回路。
3.如权利要求2所述的一种风光互补发电系统，其特征在于：所述控制器(70)包括电压采样模块(71)、电流采样模块(72)、单片机(73)，所述电压采样模块(71)与蓄电池(50)连接，所述电流采样模块(72)与电阻(R)的一端连接，所述电阻(R)的一端与电容(C)连接，所述单片机(73)与电压采样模块(71)和电流采样模块(72)连接，所述单片机(73)与MOSFET管(Q)连接。
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