CN106992552A - 海岛特种电源供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海岛特种电源供电系统。该系统包括：能量源、监控管理模块、电源转换模块、储能模块、电流控制单元和电能转换器；能量源的输出端与电源转换模块的输入端相连接，电源转换模块的输出端分别与所述储能模块的正极、电流控制单元的输入端相连接，储能模块的正极还与电流控制单元的输入端相连接，电流控制单元的输出端与电能转换器的正极相连接，电能转换器的正极与负载的正极输入端相连接；能量源包括柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，柴油发电机组的输出端与电能转换器的PWM整流单元的输入端相连接。本发明提供的供电系统能够提供高质量、耐高冲击的电能的同时，减小了柴油消耗、延长了蓄电池的使用寿命。

Description

海岛特种电源供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术及其应用领域，特别是涉及一种海岛特种电源供电系统。
背景技术
在海岛建设中，海岛上的一些特种设备需要提供高可靠、高质量和高抗冲击性的三相交流电源。由于海岛远离大陆，架设对接大陆的电网难以实现，因此通常都是建设海岛微网来解决。海岛微网通常都是由风、光、柴、储等构成的带储能系统的电源装备。但是柴油发电机组爬坡跟踪能力较差，出现负荷的瞬时突增时能量供应不上，同时有源功率因数校正整流模块的输入端有较大的电感，也抑制了电能的瞬时输出能力，所提供的电能存在不稳定、质量不能满足要求等缺点；另外海岛地理位置特殊，大量使用柴油对环境和生态存在破环作用，也增加了运输成本和难度；风、光等再生能源是比较理想的清洁能源，但是存在时效性，不能稳定提供。
发明内容
本发明的目的是提供一种海岛特种电源供电系统，能够提供高质量、耐高冲击的电能的同时，减小了柴油消耗、延长了蓄电池的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种海岛特种电源供电系统，所述系统包括：能量源、监控管理模块、电源转换模块、储能模块、电流控制单元和电能转换器；所述能量源的输出端与所述电源转换模块的输入端相连接，所述电源转换模块的输出端分别与所述储能模块的正极、所述电流控制单元的输入端相连接，所述储能模块的正极还与所述电流控制单元的输入端相连接，所述电流控制单元的输出端与所述电能转换器的正极相连接，所述电能转换器的正极与负载的正极输入端相连接，所述电源转换模块、储能模块和电能转换器共地；
所述电能转换器包括PWM整流单元，所述能量源包括柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，所述柴油发电机组的输出端与所述电能转换器的PWM整流单元的输入端相连接；
所述电流控制单元用于控制是否将所述储能模块存储的电能向所述电能转换器供给；所述监控管理模块用于监测所述储能模块的储能状态，并根据储能状态控制所述能量源是否向所述储能模块充电。
可选的，所述电源转换模块包括第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器，所述柴油发电机组的输出端与所述第一AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述风力发电系统的输出端与所述第二AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述光伏发电系统的输出端与所述DC/DC电源转换器的输入端相连接。
可选的，所述第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器并联，并联后的输出端为所述电源转换模块的输出端。
可选的，所述电能转换器还包括大容量母排滤波储能单元和逆变器，所述PWM整流单元的正极输出端分别与所述大容量母排滤波储能单元的正极、所述逆变器的正极相连接，所述大容量母排滤波储能单元的正极与所述逆变器的正极相连接，所述PWM整流单元的负极输出端、所述大容量母排滤波储能单元的负极、所述逆变器的负极共地，所述PWM整流单元的中间电位点与所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点相连接，所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点与所述逆变单元的中间点位点相连接，所述逆变单元与所述负载相连接。
可选的，所述储能模块包括能量型储能系统和功率型储能系统，所述能量型储能系统和功率型储能系统并联。
可选的，所述电流控制单元包括第一开关、第二开关和二极管，所述第二开关和二极管并联后与所述第一开关串联。
可选的，大容量母排滤波储能单元由两个大电容串联构成。
可选的，所述储能单元采用斜顶恒流脉冲方式充电。
可选的，所述逆变单元采用多模块并联运行的冗余设计。
可选的，所述监控管理模块监测所述储能模块的荷电量，当所述荷电量大于第一设定值时，表示所述储能模块电荷饱满，停止所述能量源的发电，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第一设定值、大于第二设定值时，表明所述储能模块能量充足，开启所述风力发电系统和光伏发电系统，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第二设定值时，表明所述储能模块处于亏电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关，闭合所述第二开关；当所述储能模块的荷电量小于第三设定值时，表明储能系统将进入深度放电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关和所述第二开关。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的海岛特种电源供电系统采用柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统作为能量源，当储能模块的电量充足时，无需能量源发电或是仅需风力发电系统和光伏发电系统发电，减小了柴油消耗。而且，本发明设置了储能模块，采用储能模块和柴油发电机组功能向负载供电的模式，此外，还设置了大容量母排滤波储能单元，逆变单元采用高冗余设计，保障了供电的稳定性，同时，使供电系统具有耐高冲击的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例海岛特种电源供电系统的结构图；
图2为本发明实施例能量管理状态图；
图3为本发明实施例出现冲击负荷时电压电流的示意图；
图4为本发明实施例变恒流脉冲充电示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种供电系统，能够提供高质量、耐高冲击的电能的同时，减小了柴油消耗、延长了蓄电池的使用寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种海岛特种电源供电系统，所述系统包括：能量源、监控管理模块、电源转换模块、储能模块、电流控制单元和电能转换器；所述能量源的输出端与所述电源转换模块的输入端相连接，所述电源转换模块的输出端分别与所述储能模块的正极、所述电流控制单元的输入端相连接，所述储能模块的正极还与所述电流控制单元的输入端相连接，所述电流控制单元的输出端与所述电能转换器的正极相连接，所述电能转换器的正极与负载的正极输入端相连接，所述电源转换模块、储能模块和电能转换器共地；
所述电能转换器包括PWM整流单元，所述能量源包括柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，所述柴油发电机组的输出端与所述电能转换器的PWM整流单元的输入端相连接；
所述电流控制单元用于控制是否将所述储能模块存储的电能向所述电能转换器供给；所述监控管理模块用于监测所述储能模块的储能状态，并根据储能状态控制所述能量源是否向所述储能模块充电。
所述电源转换模块包括第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器，所述柴油发电机组的输出端与所述第一AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述风力发电系统的输出端与所述第二AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述光伏发电系统的输出端与所述DC/DC电源转换器的输入端相连接。所述第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器并联，并联后的输出端为所述电源转换模块的输出端。所述电能转换器还包括大容量母排滤波储能单元和逆变器，所述PWM整流单元的正极输出端分别与所述大容量母排滤波储能单元的正极、所述逆变器的正极相连接，所述大容量母排滤波储能单元的正极与所述逆变器的正极相连接，所述PWM整流单元的负极输出端、所述大容量母排滤波储能单元的负极、所述逆变器的负极共地，所述PWM整流单元的中间电位点与所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点相连接，所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点与所述逆变单元的中间点位点相连接，所述逆变单元与所述负载相连接。
所述储能模块包括能量型储能系统和功率型储能系统，所述能量型储能系统和功率型储能系统并联。所述电流控制单元包括第一开关、第二开关和二极管，所述第二开关和二极管并联后与所述第一开关串联。大容量母排滤波储能单元由两个大电容串联构成。所述储能单元采用斜顶恒流脉冲方式充电。所述逆变单元采用多模块并联运行的冗余设计。
所述监控管理模块监测所述储能模块的荷电量，当所述荷电量大于第一设定值时，表示所述储能模块电荷饱满，停止所述能量源的发电，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第一设定值、大于第二设定值时，表明所述储能模块能量充足，开启所述风力发电系统和光伏发电系统，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第二设定值时，表明所述储能模块处于亏电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关，闭合所述第二开关；当所述储能模块的荷电量小于第三设定值时，表明储能系统将进入深度放电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关和所述第二开关。
作为本发明的又一实施例，图1为本发明实施例海岛特种电源供电系统的结构图，如图1所示，海岛特种电源供电系统包括能量源1、荷电状态(SOC)监控及能量管理2和高性能高抗冲击电能转换器3构成，负载4为该装备的负荷，具有瞬时冲击大的特点；所述能量源1包括柴油发电机组1_1、风力发电机系统1_2和光伏发电系统1_3三个能量来源，光伏发电系统可以为光伏阵列，其中，以柴油发电机组1_1为主能量来源，风力发电系统1_2和光伏发电系统1_3为辅助能量来源；所述荷电状态(SOC)监控及能量管理2包括两个AC/DC充电模块2_1、2_2和带最大功率跟踪(MPPT)功能的DC/DC充电模块2_3、能量型储能系统2_4、功率型储能系统2_5、监控管理模块2_6；包括电流控制单元2_7；所述高性能高抗冲击电能转换器3包括多电平PWM整流单元3_1、大容量母排滤波储能单元3_2、多电平高性能高抗冲击逆变单元3_3；所述柴油发电机组1_1输出的三相交流电能可同时作为做为高性能高抗冲击电能转换器3和AC/DC充电模块2_1的能量输入源；所述风力发电系统1_2输出的交流电能做为AC/DC充电模块2_2的能量输入源；所述光伏发电系统1_3输出的直流电能做为DC/DC充电模块2_2的能量输入源；所述能量型储能系统2_4为大容量铅酸蓄电池；所述功率型储能系统2_5为大容量超级电容器；所述能量型储能系统2_4和功率型储能系统2_5为并联结构；所述AC/DC充电模块2_1、2_2和DC/DC充电模块2_2输出端直接并联，为两个储能系统进行充电；所述并联的两个储能系统正极经过一个电流控制单元2_7与大容量母排滤波储能单元3_2的正端相连，所述并联的两个储能系统负极直接和容量母排滤波储能单元3_2的负端相连；所述多电平高性能高抗冲击逆变单元3_3采用高冗余设计，可输出为高质量三相交流电能，供负荷使用，并可承受三倍以上的负荷冲击。
能量源1由光伏能量、风能能量和柴油能量构成，这些能量做为荷电状态(SOC)监控及能量管理2的输入，考虑到海岛环境压力以及运输成本，控制系统在保证负荷具备可靠电能的前提下，尽可能多利用可再生能源。图2为本发明实施例能量管理状态图，如图2所示，储能模块的电荷量SOC大于第一设定值SOCH，表明储能系统电荷饱满，不需再充电(继续再充可能出现过充电，影响电池寿命)，柴油发电机和新能源发电都处于停止状态，第一开关S1和第二开关S2闭合，由储能模块为高性能高抗冲击电能转换器3的中间大容量母排滤波储能单元3_2提供能量，此时的状态定义为Q1态；当储能模块的荷电状态处于：第一设定值SOCH>荷电量SOC≥第二设定值SOCL2，表明储能系统能量充足，但是可以继续接受充电，此时新能源发电产生的能量在为储能系统充电，柴油发电机处于停止状态，第一开关S1和第二开关S2闭合，由储能模块为高性能高抗冲击电能转换器3的中间大容量母排滤波储能单元3_2提供能量，此时的状态定义为Q2态；当储能模块的荷电量SOC<第二设定值SOCL2，表明储能系统处于亏电状态，可能会无法满足负荷需求，此时柴油发电和新能源发电处于共同工作状态，第一开关S1断开，第二S2闭合，正常负荷下，由于二极管的反向阻断作用，储能模块不向高性能高抗冲击电能转换器3提供能量，但是在出现冲击负荷时，大容量母排滤波储能单元3_2的电压出现跌落，此时所需的冲击电流会由储能系统经过二极管向高性能高抗冲击电能转换器3提供，此时的状态定义为Q3态；Q3状态下出现冲击负荷的电压电流示意图如图3所示；当储能系统的荷电量SOC<第三设定值SOCmin，表明储能系统将进入深度放电，继续放电可能影响储能系统的寿命，这时柴油发电和新能源发电处于共同工作状态，第一开关S1和第二开关S2都断开，正常负荷下，高性能高抗冲击电能转换器3所需能量由柴油发电机组经过多电平PWM整流单元3_1供给，但是出现冲瞬时冲击负荷时，可能出现无法满足负荷要求的情况，因此该状态要尽量避免。为避免柴油发电机频繁启动停止，在充电时的储能系统荷电量回升超过SOCL2时，状态仍为Q3状态，直到储能系统荷电状态回升超过SOCL1，储能系统才进入Q2状态。
出现冲击负荷时，系统所需的电流会突增，由于蓄电池的内阻较大，过大的放电电流会影响电池的使用寿命，因此，储能模块包括能量型储能系统2_4和功率型储能系统2_5，能量型储能系统采用铅酸蓄电池，具有容量大，性价比高的优点，功率型储能系统采用大容量超级电容，具有充放电电流大的优点，两者实现性能互补。
储能系统的充电采用两个AC/DC充电模块2_1、2_2、带最大功率跟踪(MPPT)功能的DC/DC充电模块2_3实现，充电方式采用恒流脉冲充电方式，所述的恒流在脉冲的持续期间采用缓降的方式，使得充电电流符合最佳充电的马斯曲线。可有效提高充电速度的同时延长蓄电池的使用寿命。充电曲线如图4所示。
本发明提供的海岛特种电源供电系统，能够为负载提供高质量电能，即使出现高冲击负荷时也能稳定工作。能量来源为柴油和可再生能源(包括太阳能和风能)，SOC监控及能量管理模块对储能系统的状态进行监控并依据储能系统的不同荷电状态执行不同的管理措施，通过对电流控制单元2_7的开关控制出现过冲击负荷出现时对大容量母排滤波储能单元3_2进行能量无延时补充。在柴油发电机组工作期间且无过冲负荷时，电流控制单元2_7的二极管可以实现与大容量母排滤波储能单元3_2的隔离。储能系统依据优先使用可再生能源，柴油发电作为系统能源的可靠保障的原则，尽量减小对柴油的消耗，降低运行成本和环境压力；传统脉冲充电过程中去极化是采用电阻负载短时大电流放电实现，不但增加成本、降低效率而且损失大量能量，本发明充电方式采用变恒流脉冲充电，并在脉冲电流间歇期利用负荷电流实现对蓄电池的去极化，加大蓄电池充电时的电流接受能力，提高充电速度；负载所需的电能由装备中的逆变器提供，具备良好的响应速度和较高的电能质量。
本发明提供的海岛特种电源供电系统具备高抗冲击的特点，能够满足瞬时输出较大的电流而输出电压基本维持恒定；能够充分利用了可再生能源，降低了柴油消耗了，减少了柴油发电机启动的次数，减轻了海岛的环境压力；具有可有效延长蓄电池使用寿命，同时提高蓄电池充电速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.海岛特种电源供电系统，其特征在于，所述系统包括：能量源、监控管理模块、电源转换模块、储能模块、电流控制单元和电能转换器；所述能量源的输出端与所述电源转换模块的输入端相连接，所述电源转换模块的输出端分别与所述储能模块的正极、所述电流控制单元的输入端相连接，所述储能模块的正极还与所述电流控制单元的输入端相连接，所述电流控制单元的输出端与所述电能转换器的正极相连接，所述电能转换器的正极与负载的正极输入端相连接，所述电源转换模块、储能模块和电能转换器共地；
所述电能转换器包括PWM整流单元，所述能量源包括柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，所述柴油发电机组的输出端与所述电能转换器的PWM整流单元的输入端相连接；
所述电流控制单元用于控制是否将所述储能模块存储的电能向所述电能转换器供给；所述监控管理模块用于监测所述储能模块的储能状态，并根据储能状态控制所述能量源是否向所述储能模块充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源转换模块包括第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器，所述柴油发电机组的输出端与所述第一AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述风力发电系统的输出端与所述第二AC/DC电源转换器的输入端相连接，所述光伏发电系统的输出端与所述DC/DC电源转换器的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一AC/DC电源转换器、第二AC/DC电源转换器和DC/DC电源转换器并联，并联后的输出端为所述电源转换模块的输出端。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电能转换器还包括大容量母排滤波储能单元和逆变器，所述PWM整流单元的正极输出端分别与所述大容量母排滤波储能单元的正极、所述逆变器的正极相连接，所述大容量母排滤波储能单元的正极与所述逆变器的正极相连接，所述PWM整流单元的负极输出端、所述大容量母排滤波储能单元的负极、所述逆变器的负极共地，所述PWM整流单元的中间电位点与所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点相连接，所述大容量母排滤波储能单元的中间点位点与所述逆变单元的中间点位点相连接，所述逆变单元与所述负载相连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能模块包括能量型储能系统和功率型储能系统，所述能量型储能系统和功率型储能系统并联。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电流控制单元包括第一开关、第二开关和二极管，所述第二开关和二极管并联后与所述第一开关串联。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，大容量母排滤波储能单元由两个大电容串联构成。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能单元采用斜顶恒流脉冲方式充电。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述逆变单元采用多模块并联运行的冗余设计。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述监控管理模块监测所述储能模块的荷电量，当所述荷电量大于第一设定值时，表示所述储能模块电荷饱满，停止所述能量源的发电，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第一设定值、大于第二设定值时，表明所述储能模块能量充足，开启所述风力发电系统和光伏发电系统，闭合所述第一开关和所述第二开关；当所述荷电量小于第二设定值时，表明所述储能模块处于亏电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关，闭合所述第二开关；当所述储能模块的荷电量小于第三设定值时，表明储能系统将进入深度放电状态，开启所述柴油发电机组、风力发电系统和光伏发电系统，断开所述第一开关和所述第二开关。
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