CN107040188A - 一种光伏励磁的风光互补发电装置 - Google Patents

Abstract

一种光伏励磁的风光互补发电装置，它包括N(N>2)个发电单元，分别为第一发电单元、第二发电单元、第三发电单元……第N发电单元，N个发电单元的输出端与DC‑DC转换器的输入端连接，第一DC‑DC转换器的输出端分别与蓄电池以及励磁控制器的输入端连接，蓄电池的输出端分别与第二DC‑DC转换器的输入端以及励磁控制器的输入端连接，第二DC‑DC转换器的输出端与直流负载连接；励磁控制器的输入端还与测风仪连接，励磁控制器的输出端与N个风力机连接，N个风力机并行连接，每个风力机的输出端与变换器的输入端连接，变换器的输出端与交流负载连接。本发明能解决现有风光互补发电装置风光互补发电的可应用范围受限、资源利用不充分和发电容量小的问题。

Description

一种光伏励磁的风光互补发电装置

技术领域

本发明属于电子设备领域，尤其涉及一种光伏励磁的风光互补发电装置。

背景技术

在“能源”和“环保”倍受关注的21世纪，风能和太阳能的开发利用越来越受到人们的重视。其中，风光互补发电作为新能源利用的一个代表，具有其突出的优点：(1)清洁无污染；(2)能量来源“取之不尽、用之不竭”；(3)由于风能和太阳能具有天然的互补性，所以相对于独立的风力发电或光伏发电而言，风光互补发电可大大提高系统的稳定性；(4)分光互补发电不受地域限制，可解决偏远地区的生产生活供电问题。

但是，现有的风光互补发电装置的结构形式极为单一、应用场合匮乏。从物理结构上来看，通常都是采用将永磁风力发电机和太阳能电池板分别按上下两层安装在一根杆柱之上的形式；从电能转化过程来看，通常都是将太阳能电池板产生的直流电和风力发电机产生的交流电经过一系列电力变换后，经过蓄电池储能以后，由蓄电池向直流负载供电或者经过逆变器向交流负载供电。对于这种依托杆柱而存在的结构，存在以下缺点：(1)受杆柱结构的限制，风光互补发电的可应用范围有限；(2)资源利用不充分，发电容量小；(3)蓄电池和永磁铁的使用，使发电成本升高；(4)逆变器的使用，使得功率损耗大大增加；(5)太阳能电池板发出的直流电和风力发电机发出的交流电同时对负载供电，不便于控制。

发明内容

本发明涉及一种光伏励磁的风光互补发电装置，它能解决现有风光互补发电装置风光互补发电的可应用范围受限、资源利用不充分和发电容量小的问题。

发明的目的是这样实现的：

一种光伏励磁的风光互补发电装置，它包括至少3个发电单元，多个发电单元的输出端与DC-DC转换器的输入端连接，第一DC-DC转换器的输出端分别与蓄电池以及励磁控制器的输入端连接，蓄电池的输出端分别与第二DC-DC转换器的输入端以及励磁控制器的输入端连接，第二DC-DC转换器的输出端与直流负载连接；励磁控制器的输入端还与测风仪连接，励磁控制器的输出端与至少3个风力机连接，多个风力机并行连接，每个风力机的输出端与变换器的输入端连接，变换器的输出端与交流负载连接。

它还包括支架底座，多个发电单元在同一平面上且被均匀地固定在支架底座上，蓄电池、测风仪、励磁控制器均安装在支架底座上。

上述支架底座由内环、外环以及多根连接桥臂组成，多根连接桥臂分别连接内环和外环，多个发电单元的两头分别固定在内环和外环上。

上述蓄电池、测风仪、励磁控制器安装在支架底座正中央位置。

上述发电单元包括外壳，外壳两端设有励磁发电机，外壳内设有轴，轴两端与励磁发电机连接，轴中部设有叶片，外壳外壁包裹有太阳能电池板，外壳上开设有风口。

一种用上述光伏励磁的风光互补发电装置发电的方法，它包括以下步骤：

1)将光伏励磁的风光互补发电装置放置于露天且位置较高处。装置表面的太阳能电池板在阳光照射下，将太阳能转化为直流电；风力发电机在励磁控制器的控制作用下，将风能转化为交流电；

2)太阳能电池板产生的直流电能经过DC-DC变换以后被存储于蓄电池中，蓄电池兼具直流负载的供电电源和N个风力机的励磁电源两个功能。一方面，蓄电池经过DC-DC变换器为直流负载供电；另一方面，蓄电池在励磁控制器的作用下，向N个风力机的励磁绕组提供励磁电流；

3)N个风力机均采用励磁电机，在励磁控制器的作用下，蓄电池向励磁绕组供电，从而风力机将风能转化为交流电能；

4)N个风力机产生的电能经过N个变换器被调整为相同的电压，然后为交流负载供电；

5)测风仪作为励磁控制器的控制依据，被安装于支架底座正中央，可以感知任意时刻的风速和风向；

6)励磁控制器可以根据测风仪测得的风速、风向以及功率需求，智能调节蓄电池供给风力机励磁绕组的励磁电流大小，实现稳定功率输出。

在步骤6中，智能调节蓄电池供给风力机励磁绕组的励磁电流大小，实现稳定功率输出的程序框图如图5所示，具体调节步骤如下：

1)设定交流负载所需的功率即额定功率为P_N，瞬时输出功率为P；设N个风力机的瞬时励磁电流分别为I₁、I₂、I₃……I_N；设最大励磁电流为I，当风速方向与某一发电单元垂直时，为使该发电单元的风力机能够最大限度地被利用，则该风力机所需励磁电流即I；

2)测风仪在某一时刻监测到的风速方向如图4所示，可测得风速方向与N个发电单元的夹角依次为θ₁、θ₂、θ₃……θ_N；

3)励磁控制器每隔1秒钟就采样一次实时风速方向，并计算新一时刻的θ₁、θ₂、θ₃……θ_N；

4)设测风仪监测到的某一时刻的风力强度为F，则该风力施加在N个发电单元上的等效风力强度依次为：F₁＝F*Sinθ₁、F₂＝F*Sinθ₂、F₃＝F*Sinθ₃……F_N＝F*Sinθ_N；设定最大励磁电流的经验值I，为了使各风力机的有功出力与等效风力强度相适应，则N个风力机的励磁电流分别为：I₁＝I*Sinθ₁、I₂＝I*Sinθ₂、I₃＝I*Sinθ₃……IN＝I*Sinθ_N；

5)反馈瞬时输出功率P，并计算瞬时功率与额定功率之比α＝P/P_N；

6)判断α是否等于1。当判定结果为“是”时，输出瞬时输出功率P；否则，对励磁电流进行修正，方法是调节N个风力机的励磁电流使修正励磁电流I₁′＝I₁/α、I₂′＝I₂/α、I₃′＝I₃/α……I_N′＝I_N/α；

采用上述结构，具有如下有益效果：

(1)此装置是一种全新的风光互补发电设备，采用多个发电单元水平均匀放置，相比于传统的杆柱式固定结构的风光互补发电装置而言，此装置能够全方位接收能量，无疑大大提高了风能的利用效率，从而提高了此装置的带负载能力；

(2)此装置中光伏发电部分的主要作用是作为风力机的励磁电源，而非传统结构中的直流负载的供电电源，光伏发电部分的这一本质功能上的变化，为风力发电机采用励磁电机创造了必要条件。励磁电机相比于永磁电机具有成本低、体积小、重量轻、功率大和可靠性高等诸多优点，唯一的缺点是需要为其设计励磁电源；然而，传统的杆柱式结构的风光互补发电装置由于其应用场合的局限性，比如在较高的杆柱顶端、远离电源的野外等场合，为其设计励磁电源显然不可能，所以传统的风光互补发电装置均采用永磁电机，从而降低了性能。此装置将光伏发电部分设计为励磁电源，无论是在位置较高处，还是在远离电源的野外，均能提供稳定的励磁电流，从而使得风力机能够采用性能突出的励磁电机；

(3)适应能力强，应用范围广。一方面因为此装置各组成部分均被牢靠固定，且太阳能电池板紧贴于装置外表面，因而提高了机械稳定性及其抗大风恶劣天气的能力；另一方面，此装置能够提供较大功率，因而可以应用于很多大功率场合；

(4)测风仪和励磁控制器的协同利用，可以根据风向的改变合理调控多个风力机的励磁电流大小，进而合理分配了多个风力机各自所承担的功率任务，避免了部分风力机过载、而另一部分风力机无法充分利用等问题的出现，即提高了整个系统的稳定性，也大大增强了风力机的使用寿命；

(5)此装置中的多个风力机均无需为其专门设计调向装置，即使工作于风向急剧变化的恶劣环境下，装置也能够通过主动调整励磁策略而实现稳定功率输出。这一优点不仅省去了传统风力机中繁琐的对风装置，简化了生产工序，节约了成本，而且还提升了系统的机械稳定性；

附图说明

下面结合4发电单元结构的附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为图2中发电单元的结构示意图；

图4为本发明中风速方向与发电单元角度关系图；

图5本发明的控制框图。

具体实施方式

如图1至图3所示，一种光伏励磁的风光互补发电装置，它包括四个发电单元，分别为第一发电单元1、第二发电单元2、第三发电单元3以及第四发电单元4，四个发电单元的输出端与DC-DC转换器5的输入端连接，第一DC-DC转换器5的输出端分别与蓄电池6以及励磁控制器7的输入端连接，蓄电池6的输出端分别与第二DC-DC转换器8的输入端以及励磁控制器7的输入端连接，第二DC-DC转换器8的输出端与直流负载9连接；励磁控制器7的输入端还与测风仪10连接，励磁控制器7的输出端与至少2个风力机11连接，多个风力机11并行连接，每个风力机11的输出端与变换器12的输入端连接，变换器12的输出端与交流负载13连接。

它还包括支架14，4个发电单元在同一平面上两两相互垂直固定在支架14上，蓄电池6、测风仪10、励磁控制器7均安装在支架14上。

所述支架14由内环、外环以及四根连接桥臂组成，四根连接桥臂分别连接内环和外环，四个发电单元的两头分别固定在内环和外环上。

所述蓄电池6、测风仪10、励磁控制器7安装在支架14中部。

所述发电单元包括外壳15，外壳15两端设有励磁发电机16，外壳15内设有轴17，轴17两端与励磁发电机16连接，轴17中部设有叶片18，外壳15外壁包裹有太阳能电池板19，外壳15上开设有风口20。

一种用所述光伏励磁的风光互补发电装置发电的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)将此装置放置于露天且位置较高处，即可产生电能，装置表面的太阳能电池板在阳光照射下，将太阳能转化为直流电；风力发电机在励磁控制器的控制作用下，将风能转化为交流电；

2)太阳能电池板产生的直流电能经过DC-DC变换以后被存储于蓄电池中，蓄电池兼具直流负载的供电电源和4个风力机的励磁电源，一方面，蓄电池经过DC-DC变换器为直流负载供电；另一方面，蓄电池在励磁控制器的作用下，向4个风力机的励磁绕组提供励磁电流。

3)4个风力机的安装相对位置如图2所示，呈东南西北四个方向，可以多方位接受风能。四个风力机均采用励磁电机，在励磁控制器的作用下，蓄电池向励磁绕组供电，从而风力机将风能转化为交流电能。

4)4个风力机产生的电能经过4个变换器被调整为相同的电压，然后为交流负载供电。

5)测风仪作为励磁控制器的控制依据，被安装于装置正中央，可以感知任意时刻的风速和风向。其中，风速方向与4个发电单元的角度关系如图4所示。

6)励磁控制器可以根据测风仪测得的风速、风向以及功率需求，智能调节蓄电池供给风力机励磁绕组的励磁电流大小，实现稳定功率输出。

其具体调节方法如下：

1)设定交流负载所需的功率即额定功率为P_N，瞬时输出功率为P；设4个风力机的瞬时励磁电流分别为I₁、I₂、I₃、I₄；设最大励磁电流为I，当风速方向与某一发电单元垂直时，为使该发电单元的风力机能够最大限度地被利用，则该风力机所需励磁电流即I；

2)测风仪在某一时刻监测到的风速方向如图4所示，可测得风速方向与N个发电单元的夹角依次为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

3)励磁控制器每隔1秒钟就采样一次实时风速方向，并计算新一时刻的θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

4)设测风仪监测到的某一时刻的风力强度为F，则该风力施加在4个发电单元上的等效风力强度依次为：F₁＝F*Sinθ₁、F2＝F*Sinθ₂、F₃＝F*Sinθ₃、F₄＝F*Sinθ₄；设定最大励磁电流的经验值I，为了使各风力机的有功出力与等效风力强度相适应，则4个风力机的励磁电流分别为：I₁＝I*Sinθ₁、I₂＝I*Sinθ₂、I₃＝I*Sinθ₃、I₄＝I*Sinθ₄；

5)反馈瞬时输出功率P，并计算瞬时功率与额定功率之比α＝P/P_N；

6)判断α是否等于1。当判定结果为“是”时，输出瞬时输出功率P；否则，对励磁电流进行修正，方法是调节4个风力机的励磁电流使修正励磁电流I₁′＝I₁/α、I₂′＝I₂/α、I₃′＝I₃/α、I₄′＝I_N/α；

采用上述结构，使用时，此装置中采用4个发电单元按东南西北方向放置，相比于传统杆柱式结构的风光互补发电装置，大大提高了风能的利用效率、从而增强了带负载能力；减小了风力变化对输出功率大小的影响，从而提高了此装置的带负载能力；此装置中光伏发电部分的主要作用是作为风力机的励磁电源，而非传统结构中的直流负载的供电电源，光伏发电部分的这一本质功能上的变化，为风力发电机能够采用较永磁电机性能更突出励磁电机创造了必要条件；此装置适应能力强，应用范围广。一方面因为此装置各组成部分均被牢靠固定，且太阳能电池板紧贴于装置外表面，因而提高了机械稳定性及其抗大风恶劣天气的能力；另一方面，此装置能够提供较大功率，因而可以应用于很多大功率场合；测风仪和励磁控制器的协同利用，可以根据风向的改变合理调控4个风力机的励磁电流大小，进而合理分配了4个风力机各自所承担的功率任务，避免了部分风力机过载、而另一部分风力机无法充分利用等问题的出现，即提高了整个系统的稳定性，也大大增强了风力机的使用寿命；此装置中的4个风力机均无需为其专门设计调向装置，即使工作于风向急剧变化的恶劣环境下，装置也能够通过主动调整励磁策略而实现稳定功率输出。这一优点不仅省去了传统风力机中繁琐的对风装置，简化了生产工序，节约了成本，而且还提升了系统的机械稳定性。

Claims (7)

1.一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：它包括至少3个发电单元，发电单元上的太阳能电池板(19)输出端与DC-DC转换器(5)的输入端连接，第一DC-DC转换器(5)的输出端分别与蓄电池(6)以及励磁控制器(7)的输入端连接，蓄电池(6)的输出端分别与第二DC-DC转换器(8)的输入端以及励磁控制器(7)的输入端连接，第二DC-DC转换器(8)的输出端与直流负载(9)连接；励磁控制器(7)的输入端还与测风仪(10)连接，励磁控制器(7)的输出端与至少2个风力机(11)连接，多个风力机(11)并行连接，每个风力机(11)的输出端与变换器(12)的输入端连接，变换器(12)的输出端与交流负载(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：它还包括支架底座(14)，多个发电单元在同一平面上且安装在支架底座(14)上，蓄电池(6)、测风仪(10)、励磁控制器(7)均安装在支架底座(14)上。

3.根据权利要求2所述的一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：所述支架底座(14)由内环、外环以及连接桥臂组成，连接桥臂分别连接内环和外环，多个发电单元的两头分别被固定在内环和外环上。

4.根据权利要求2或3所述的一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：所述蓄电池(6)、测风仪(10)、励磁控制器(7)安装在支架底座(14)的正中央位置。

5.根据权利要求2所述的一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：所述发电单元包括外壳(15)，外壳(15)两端设有励磁发电机(16)，外壳(15)内设有轴(17)，轴(17)两端与励磁发电机(16)连接，轴(17)中部设有多个叶片(18)，外壳(15)外壁包裹有太阳能电池板(19)，外壳(15)上开设有风口(20)。

6.一种用所述光伏励磁的风光互补发电装置发电的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)将光伏励磁的风光互补发电装置放置于露天且位置较高处。装置表面的太阳能电池板在阳光照射下，将太阳能转化为直流电；风力发电机在励磁控制器的控制作用下，将风能转化为交流电；

2)太阳能电池板产生的直流电经过第一DC-DC转换器后被存储于蓄电池中，蓄电池兼具直流负载的供电电源和N个风力机的励磁电源。一方面，蓄电池经过第二DC-DC转换器为直流负载供电；另一方面，蓄电池经过励磁控制器为N个风力机的励磁绕组提供励磁电流；

3)N个风力机均采用励磁电机，在励磁控制器的作用下，蓄电池向励磁绕组提供励磁电流，从而风力机将风能转化为交流电；

4)N个风力机产生的电能经过N个变换器被调整为相同等级的电压，然后为交流负载供电；

5)测风仪作为励磁控制器的控制依据，被安装于支架底座正中央位置，可以感知任意时刻的风速和风向；

6)励磁控制器可以根据测风仪测得的风速、风向以及功率需求，智能调节蓄电池供给风力机励磁绕组的励磁电流大小，实现稳定功率输出。

7.根据权利要求6所述的一种光伏励磁的风光互补发电装置，其特征在于：在步骤6中，调节蓄电池供给风力机励磁绕组的励磁电流大小，具体调节步骤如下：

1)设定交流负载所需的功率即额定功率为P_N，瞬时输出功率为P；设N个风力机的瞬时励磁电流分别为I₁、I₂、I₃……I_N；设最大励磁电流为I，当风速方向与某一发电单元垂直时，为使该发电单元的风力机能够最大限度地被利用，则该风力机所需励磁电流即I；

2)根据测风仪在某一时刻监测到的的风速方向与发电单元的角度关系，可测得风速方向与N个发电单元的夹角依次为θ₁、θ₂、θ₃……θ_N；

3)励磁控制器每隔1秒钟就采样一次实时风速方向，并计算新一时刻的θ₁、θ₂、θ₃……θ_N；

4)设测风仪监测到的某一时刻的风力强度为F，则该风力施加在N个发电单元上的等效风力强度依次为：F₁＝F*Sinθ₁、F₂＝F*Sinθ₂、F₃＝F*Sinθ₃……F_N＝F*Sinθ_N；设定最大励磁电流的经验值I，为了使各风力机的有功出力与等效风力强度相适应，则N个风力机的励磁电流分别为：I₁＝I*Sinθ₁、I₂＝I*Sinθ₂、I₃＝I*Sinθ₃……I_N＝I*Sinθ_N；

5)反馈瞬时输出功率P，并计算瞬时功率与额定功率之比α＝P/P_N；

6)判断α是否等于1。当判定结果为“是”时，输出瞬时输出功率P；否则，对励磁电流进行修正，方法是调节N个风力机的励磁电流使修正励磁电流I₁′＝I₁/α、I₂′＝I₂/α、I₃′＝I₃/α……I_N′＝I_N/α。