CN107394778A - 一种改进型离网斯特林供电系统结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型离网斯特林供电系统结构及控制方法，所述系统结构包括斯特林发动机系统；连接斯特林发动机系统的双向PWM逆变器；连接双向PWM逆变器和蓄电池的用户侧逆变器；直流母线电压检测单元；用于根据直流母线电压检测单元采集到的直流母线电压控制双向PWM逆变器和用户侧逆变器工作状态的控制器；本发明能够实现斯特林发动机的自启动，同时为三相异步电机的运行提供无功通道，能够实现异步电机、用户和蓄电池三者电能的平衡，从而实现斯特林发动机的离网运行，该系统供电稳定，改善了系统工作不稳定的情况，进一步提高了斯特林发电机系统的可推广性。

Description

一种改进型离网斯特林供电系统结构及控制方法

技术领域

本发明涉及斯特林供电系统，具体说涉及一种改进型离网斯特林供电系统结构及控制方法。

背景技术

太阳能和风能由于具有资源充足、清洁、分布广泛的特点，使得其应用越来越广泛，而清洁能源供电系统的研究和应用，将成为未来能源行业发展的前沿。

现有的离网式风力供电系统，由于不牵扯到发电机的电动启动问题，一般采用永磁同步发电机或者无刷励磁同步发电机。系统的常规结构包括风力发电机、整流器、逆变器、蓄电池、卸荷器等，风力发电机通过整流器连接逆变器和蓄电池，逆变器连接用户，同时蓄电池也通过逆变器连接用户。也有一些风力供电系统采用异步发电机，其会通过电容器来补偿异步发电机励磁需要的无功。上述风力供电系统中采用的发电机都均工作在发电状态，所以与之相连接的为将发电机所输出的交变电流整流成直流的整流器，而对于负载和风况的变化，则需通过变桨和调节蓄电池充放电电流以达到该系统的稳定。

现有的离网式太阳能供电系统，系统常规结构包括太阳能电池组件、蓄电池和逆变器，太阳能电池组件通过蓄电池连接逆变器，逆变器连接用户。

上述两种系统均在各自的应用领域内与斯特林发电系统相结合产生，但却解决不了斯特林发动机的自启动问题，同时也存在清洁能源使用过程中的资源利用不充分、直流母线电压不稳定，发电效率不高的问题。

申请号为CN 103166220 A的发明专利公开了一种离网式斯特林供电系统结构及控制方法，能够实现斯特林发动机的自启动，同时为三相异步电机的运行提供无功通道。但在该系统实际运行过程中，双向DC/DC变换器处于降压状态时，不有效补充发电机所需的无功，当系统由升压状态转为降压状态时，系统出现骤停。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种能够持续补充异步发电机无功，且运行稳定的供电系统结构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案实现：

一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于包括：

斯特林发动机系统；

连接斯特林发动机系统，用以在斯特林发动机启动时对由斯特林发动机系统输出的交流电能进行直流逆变且在斯特林发动系统启动前接收蓄电池输出的直流电能的双向PWM逆变器；

经直流母线连接双向PWM逆变器，用以在斯特林发动机启动状态时存储双向PWM逆变器输出的直流电能且斯特林发动启动前向所述双向PWM逆变器提供直流电能的蓄电池；

连接直流母线，用以检测直流电压的直流母线电压检测单元；

通过直流母线连接双向PWM逆变器和控制器，用于对双向PWM逆变器整流后或蓄电池输出的直流电能进行逆变后供给用户的用户侧逆变器；

分别连接直流母线及卸荷电阻，用以调节卸荷电阻的卸荷控制器；

分别连接双向PWM逆变器、用户侧逆变器及直流母线电压检测单元，用于根据直流母线电压控制双向PWM逆变器、用户侧逆变器工作状态的控制器。

进一步的，还包括分别连接蓄电池以及控制器，用以实时监测蓄电池状态、保证蓄电池工作安全的蓄电池在线监测系统。

进一步的，所述蓄电池在线监测系统实时监测蓄电池的状态至少包括蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度。

进一步的，所述控制器分别连接蓄电池在线监测单元、直流母线电压检测单元以及卸荷控制器，用于根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元实时传输过来的蓄电池状态信息，通过发送控制信号给卸荷控制器，实现对卸荷电阻的工作状态调节。

进一步的，还包括：

连接用户侧逆变器，用以对用户侧逆变器输出的直流电能进行整流的滤波器；

连接于滤波器与用户之间，用以调整直流电压的变压器。

进一步的，所述斯特林发动机系统包括斯特林发动机和三相异步电机。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述改进型离网斯特林供电系统结构的供电系统控制方法，其特征在于步骤包括：

S1：直流母线电压检测单元实时采集直流母线电压，执行S2；

S2：蓄电池在线监测单元实时检测蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，执行S3；

S3：控制器控制双向PWM逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后输出给三相异步电机用于电能转换以及为三相异步电机持续提供无功功率，同时控制用户侧逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后持续供电给用户，执行S4；

S4：三相异步电机工作在电动状态，将双向PWM逆变器传输过来的交流电能转换为机械能后带动斯特林发动机启动，执行S5；

S5：斯特林发动机启动完成后，三相异步电机工作在发电状态，将斯特林发动机传输过来的机械能转换为电能，执行S6；

S6：双向PWM逆变器对三相异步电机传输过来的交流电进行整流后输出至直流母线，同时控制器根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元传输过来的蓄电池电压，对蓄电池进行充电，并保持直流母线输送的电能等于蓄电池充电电能与供电给用户的电能之和，执行S7；

S7：控制器根据直流电压变送器传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元所传输过来的蓄电池电压，当前蓄电池电压达到蓄电池额定电压，停止对蓄电池充电，同时控制器通过控制卸荷控制单元通过调节卸荷电阻进一步调节蓄电池的充电电流，卸放直流母线多余电能。

进一步的，控制器根据蓄电池在线监测单元采集的蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，当蓄电池电压低于某一阈值电压时，停止蓄电池放电。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种改进型离网式斯特林供电系统结构及控制方法，采用既能工作在电动状态将电能转换为机械能带动斯特林发动机启动又能工作在发电状态将斯特林发动机传输过来的机械能转换为电能的三相异步电机；既能工作在逆变状态将直流母线电压进行DC-AC变换后输出交流电给工作在电动状态的三相异步电机转换为机械能，以及持续为三相异步电机提供无功功率，同时又能工作在整流状态对工作在发电状态的三相异步电机所输出交流电能进行AC-DC变换后传输至直流母线的双向PWM逆变器；既能将直流母线电压进行电压变换后给蓄电池充电。本发明发电效率高，能够实现斯特林发动机的自启动，同时为三相异步电机的运行提供无功通道，无需双向DC/DC变换器参与，仅通过控制器控制卸荷电阻工作状态和输出电压，进而控制蓄电池的充放电电压和电流，保证了直流母线电压的稳定，并能够为异步电机提供无功通道，保证了对用户的供电质量，系统运行时，能够通过调节蓄电池的充放电电流来实现异步电机、用户和蓄电池三者电能的平衡，实现了发电、用电和充放电的平衡，从而实现斯特林发动机的离网运行，该系统供电稳定，改善了双向DC/DC变换器导致系统工作不稳定的情况，进一步提高了斯特林发电机系统的可推广性。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明系统结构示意图；

图2为本发明系统控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

如图1所示为一种改进型离网斯特林供电系统结构，包括：斯特林发动机系统；连接斯特林发动机系统，用以在斯特林发动机启动时对由斯特林发动机系统输出的交流电能进行直流逆变且在斯特林发动系统启动前接收蓄电池输出的直流电能的双向PWM逆变器；经直流母线连接双向PWM逆变器，用以在斯特林发动机启动状态时存储双向PWM逆变器输出的直流电能且斯特林发动启动前向所述双向PWM逆变器提供直流电能的蓄电池；连接直流母线，用以检测直流电压的直流母线电压检测单元；通过直流母线连接双向PWM逆变器和控制器，用于对双向PWM逆变器整流后或蓄电池输出的直流电能进行逆变后供给用户的用户侧逆变器；分别连接直流母线及卸荷电阻，用以调节卸荷电阻的卸荷控制器；分别连接双向PWM逆变器、用户侧逆变器及直流母线电压检测单元，用于根据直流母线电压控制双向PWM逆变器、用户侧逆变器工作状态的控制器。进一步的，还包括分别连接蓄电池以及控制器，用以实时监测蓄电池状态、保证蓄电池工作安全的蓄电池在线监测系统。进一步的，所述蓄电池在线监测系统实时监测蓄电池的状态至少包括蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度。进一步的，所述控制器分别连接蓄电池在线监测单元、直流母线电压检测单元以及卸荷控制器，用于根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元实时传输过来的蓄电池状态信息，通过发送控制信号给卸荷控制器，实现对卸荷电阻的工作状态调节。进一步的，还包括：连接用户侧逆变器，用以对用户侧逆变器输出的直流电能进行整流的滤波器；连接于滤波器与用户之间，用以调整直流电压的变压器。进一步的，所述斯特林发动机系统包括斯特林发动机和三相异步电机。

如图2所示，本发明还提供了一种基于上述改进型离网斯特林供电系统结构的供电系统控制方法，步骤包括：

S1：直流母线电压检测单元实时采集直流母线电压，执行S2；

S2：蓄电池在线监测单元实时检测蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，执行S3；

S3：控制器控制双向PWM逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后输出给三相异步电机用于电能转换以及为三相异步电机持续提供无功功率，同时控制用户侧逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后持续供电给用户，执行S4；

S4：三相异步电机工作在电动状态，将双向PWM逆变器传输过来的交流电能转换为机械能后带动斯特林发动机启动，执行S5；

S5：斯特林发动机启动完成后，三相异步电机工作在发电状态，将斯特林发动机传输过来的机械能转换为电能，执行S6；

S6：双向PWM逆变器对三相异步电机传输过来的交流电进行整流后输出至直流母线，同时控制器根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元传输过来的蓄电池电压，对蓄电池进行充电，并保持直流母线输送的电能等于蓄电池充电电能与供电给用户的电能之和，执行S7；

S7：控制器根据直流电压变送器传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元所传输过来的蓄电池电压，当前蓄电池电压达到蓄电池额定电压，停止对蓄电池充电，同时控制器通过控制卸荷控制单元通过调节卸荷电阻进一步调节蓄电池的充电电流，卸放直流母线多余电能。

进一步的，还包括S8：控制器根据蓄电池在线监测单元采集的蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，当蓄电池电压低于某一阈值电压时，停止蓄电池放电。

本发明提供的一种改进型离网式斯特林供电系统结构及控制方法，采用既能工作在电动状态将电能转换为机械能带动斯特林发动机启动又能工作在发电状态将斯特林发动机传输过来的机械能转换为电能的三相异步电机；既能工作在逆变状态将直流母线电压进行DC-AC变换后输出交流电给工作在电动状态的三相异步电机转换为机械能，以及持续为三相异步电机提供无功功率，同时又能工作在整流状态对工作在发电状态的三相异步电机所输出交流电能进行AC-DC变换后传输至直流母线的双向PWM逆变器；既能将直流母线电压进行电压变换后给蓄电池充电。本发明发电效率高，能够实现斯特林发动机的自启动，同时为三相异步电机的运行提供无功通道，无需双向DC/DC变换器参与，仅通过控制器控制卸荷电阻工作状态和输出电压，进而控制蓄电池的充放电电压和电流，保证了直流母线电压的稳定，并能够为异步电机提供无功通道，保证了对用户的供电质量，系统运行时，能够通过调节蓄电池的充放电电流来实现异步电机、用户和蓄电池三者电能的平衡，实现了发电、用电和充放电的平衡，从而实现斯特林发动机的离网运行，该系统供电稳定，改善了双向DC/DC变换器导致系统工作不稳定的情况，进一步提高了斯特林发电机系统的可推广性。本发明在应用时，如果总负载小于发电量，则母线电压会升高，蓄电池的充电电流增大；如果总负载大于发电量，则母线电压降低，相应的蓄电池充电电流减小。作为一种感应电机，当三相异步电机转子的旋转速度高于磁场的旋转速度时，三相异步电机工作在发电状态，作为发电机使用；当其转子的速度低于磁场的旋转速度时，三相异步电机工作在电动状态，作为电动机使用，如选择一个4极的三相异步电机，其同步转速为1500rpm，则当转速低于1500rpm时，其为电动机，当转速高于1500rpm时，其为发电机。在电动状态下，三相异步电机的转速一般由变频器控制，发电状态下，当三相异步电机输出的电能大于实际消耗电能，三相异步电机随着斯特林发动机增速，当三相异步电机输出的电能小于实际消耗电能，相应的随斯特林发动机减速。不论三相异步电机工作在电动状态或发电状态时，控制器均控制双向PWM逆变器持续对直流母线电压进行逆变后输出给三相异步电机提供无功功率，以及控制用户侧逆变器持续将直流母线电压进行逆变后供电给用户，蓄电池在线监测单元实时检测蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度参数，当充放电电流和蓄电池温度异常或者电压低于阈值时，即停止蓄电池放电，以避免由此造成的蓄电池损坏。当系统开始工作时，蓄电池向直流母线放电，此时直流母线电压检测单元监测到的直流母线电压大于初始电压，蓄电池输出的直流电能通过直流母线输出至双向PWM逆变器和用户侧逆变器，直流母线电压检测单元检测到直流母线上具有蓄电池输出的直流电压并将电压信号输出给控制器，控制器控制双向PWM逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后输出给三相异步电机用于电能转换以及为三相异步电机持续提供无功功率，以及控制用户侧逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后持续供电给用户。作为本发明的优选实施方式，所述直流母线电压检测单元优选采用直流电压变送器。另外蓄电池在线监测单元实时监测蓄电池电压、放电电流和温度，当检测到的蓄电池电压低于某一阈值电压时，停止放电进而避免蓄电池过放损坏。双向PWM逆变器输出交流电能给三相异步电机，三相异步电机工作在电动状态将电能转换为机械能，带动斯特林发动机完成自启动，并进一步带动三相异步电机转而工作在发电状态，将机械能转换为电能通过双向PWM逆变器完成整流后将直流电输出至直流母线，控制器根据直流电压变送器检测到的双向PWM逆变器输出至直流母线的直流电和蓄电池在线监测单元传输过来的蓄电池电压变换后输出给蓄电池充电，同时蓄电池在线监测单元实时监测蓄电池的电压、充电电流和温度，当检测的蓄电池电压达到蓄电池额定电压，停止对蓄电池充电进而避免过充，同时控制器通过控制卸荷控制单元完成卸荷电流的调节和卸荷电阻对直流母线多余电能的卸放。

本发明的使用过程如下：

系统启动时，蓄电池向直流母线放电，双向PWM逆变器使用恒压频比控制方式，按照既定的电压曲线启动三相异步电机。三相异步电机接受双向PWM逆变器交流逆变后输出的电能并转化为机械能带动斯特林电动机以实现斯特林电动机的自启动。斯特林机启动完成后，双向PWM逆变器仍工作在逆变状态，向三相异步发电机提供正弦波无功通道，同时由于电压和电流相角差的改变，电流流向以电机向直流母线方向为主。用户侧逆变器为电压型无源逆变，向用户提供工频的三相交流电。与此同时，直流母线电压检测单元持续采集母线电压，通过控制充电电压的高低从而控制充电电流的大小，使发电机发出的电能＝充电电能+用户电能，从而达到系统的平衡。此外蓄电池监测系统实时检测蓄电池状态，防止蓄电池的过充、过放以及充电电流太大等。当负载用电小于发电量时，母线电压会升高，充电电流增大。负载用电大于发电量的话，母线电压降低，蓄电池会放电。当蓄电池满负荷工作后，直流母线电压仍升高的情况下，打开卸荷电路，卸荷电路电流大小可调，电流较小时，可长时间工作，电流太大，则停机。用户侧逆变器实现直流到交流的逆变，是采用开关管的开通和关断形成的，所以其不是标准的正弦波，在带感性负载时，由于有电感的存在，所以不受影响。但在带阻性负载时，波形就形成不了标准的正弦波，需要加装滤波器及变压器才能为用户提供符合电能质量要求的供电。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于包括：

斯特林发动机系统；

连接斯特林发动机系统，用以在斯特林发动机启动时对由斯特林发动机系统输出的交流电能进行直流逆变且在斯特林发动系统启动前接收蓄电池输出的直流电能的双向PWM逆变器；

经直流母线连接双向PWM逆变器，用以在斯特林发动机启动状态时存储双向PWM逆变器输出的直流电能且斯特林发动启动前向所述双向PWM逆变器提供直流电能的蓄电池；

连接直流母线，用以检测直流电压的直流母线电压检测单元；

通过直流母线连接双向PWM逆变器和控制器，用于对双向PWM逆变器整流后或蓄电池输出的直流电能进行逆变后供给用户的用户侧逆变器；

分别连接直流母线及卸荷电阻，用以调节卸荷电阻的卸荷控制器；

分别连接双向PWM逆变器、用户侧逆变器及直流母线电压检测单元，用于根据直流母线电压控制双向PWM逆变器、用户侧逆变器工作状态的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于还包括分别连接蓄电池以及控制器，用以实时监测蓄电池状态、保证蓄电池工作安全的蓄电池在线监测系统。

3.根据权利要求2所述的一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于所述蓄电池在线监测系统实时监测蓄电池的状态至少包括蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于所述控制器分别连接蓄电池在线监测单元、直流母线电压检测单元以及卸荷控制器，用于根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元实时传输过来的蓄电池状态信息，通过发送控制信号给卸荷控制器，实现对卸荷电阻的工作状态调节。

5.根据权利要求1所述的一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于还包括：

连接用户侧逆变器，用以对用户侧逆变器输出的直流电能进行整流的滤波器；

连接于滤波器与用户之间，用以调整直流电压的变压器。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种改进型离网斯特林供电系统结构，其特征在于所述斯特林发动机系统包括斯特林发动机和三相异步电机。

7.一种基于权利要求1所述的改进型离网斯特林供电系统结构的供电系统控制方法，其特征在于步骤包括：

S1：直流母线电压检测单元实时采集直流母线电压，执行S2；

S2：蓄电池在线监测单元实时检测蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，执行S3；

S3：控制器控制双向PWM逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后输出给三相异步电机用于电能转换以及为三相异步电机持续提供无功功率，同时控制用户侧逆变器将直流母线传输过来的电压进行逆变后持续供电给用户，执行S4；

S4：三相异步电机工作在电动状态，将双向PWM逆变器传输过来的交流电能转换为机械能后带动斯特林发动机启动，执行S5；

S5：斯特林发动机启动完成后，三相异步电机工作在发电状态，将斯特林发动机传输过来的机械能转换为电能，执行S6；

S6：双向PWM逆变器对三相异步电机传输过来的交流电进行整流后输出至直流母线，同时控制器根据直流母线电压检测单元传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元传输过来的蓄电池电压，对蓄电池进行充电，并保持直流母线输送的电能等于蓄电池充电电能与供电给用户的电能之和，执行S7；

S7：控制器根据直流电压变送器传输过来的直流母线电压以及蓄电池在线监测单元所传输过来的蓄电池电压，当前蓄电池电压达到蓄电池额定电压，停止对蓄电池充电，同时控制器通过控制卸荷控制单元通过调节卸荷电阻进一步调节蓄电池的充电电流，卸放直流母线多余电能。

8.根据权利要求7所述基于改进型离网斯特林供电系统结构的供电系统控制方法，其特征在于还包括步骤S8：控制器根据蓄电池在线监测单元采集的蓄电池电压、充放电电流和蓄电池温度，当蓄电池电压低于某一阈值电压时，停止蓄电池放电。