CN107612320A - 基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统 - Google Patents

基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，三端口直流变换器包括第一输入端口、第二输入端口和输出端口；是由Buck变换器嵌入到正极性输出罗变换器所合成，第二输入端口为正极性输出罗变换器的输入端口，第一输入端口为Buck变换器的输入端口，输出端口连接直流负载、逆变器、或通过直流母线对外供电；通过控制三个开关管的工作状态，控制风电电源和光伏电源既可以同时对外提供电能，也可以单独对外提供电能；本发明减少了器件的使用数目，降低了供电系统成本，提高了供电效率和工作可靠性。

Description

基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统
技术领域
本发明属于风光互补发电供电设备技术领域，具体涉及一种基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统。
背景技术
随着人类社会的迅速发展，人们对能源的需求与日俱增，而随着传统化石能源的大量使用，使得环境污染、能源紧缺的问题越来越严峻，这就使人们越来越向往绿色清洁能源。
绿色清洁能源中常见的有太阳能和风能,光伏发电系统通过把太阳能电池板吸收的不同光照下的光能经过双向DC/DC变换器和逆变器转换为电能；风力发电系统利用风力发电机组把风能转换为电能。但是太阳能和风能这两种可再生绿色清洁能源在转换利用的过程中均会受到气候、季节以及地理位置等因素的影响，具有不确定性和间歇性，因此大规模地单一使用太阳能或风能就会受到限制。
然而，太阳能和风能又具有互补特性，如：白天太阳照射地球，获取大量的太阳光资源，风力相对较弱，晚上太阳光资源较少，由于温度差异使地面空气流动加速，使得风速较大，获取较多的风能；夏天光照时间长且光照强度较大，获取较多的太阳光资源，风力较弱，冬季光照时间短且光照强度较小，获取较少的太阳光资源，风力较强。因此，利用太阳能和风能的互补特性，通过设计光伏与风力联合发电的供电系统，能够提高供电系统输出电压的稳定性，减小功率损耗和资源的不必要浪费。
传统的风光互补发电供电系统通过把各个电源提供的能量经过各自的两端口变换器转换为电能直接接在直流负载R0、逆变器、或通过直流母线对外供电，这种情况下使用变换器个数多，成本较高，而且降低了供电系统的供电效率和工作可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，解决传统风光互补发电供电系统使用两端口变换器存在成本高、影响供电系统的供电效率和工作可靠性的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，包括三端口直流变换器以及与三端口直流变换器的第一输入端口连接的风电电源，还包括与三端口直流变换器的第二输入端口连接的光伏电源；三端口直流变换器的输出端口对外输出直流电；
三端口直流变换器的内部电路连接关系为：第一输入端口正极端连接第三开关管的漏极端，第三开关管的源极端分别连接第三二极管的阴极和输出电感的一端，第三二极管的阳极分别连接第一输入端口负极端和第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接第一二极管的阴极和第一电容的一端，第一二极管的阳极分别连接第一开关管的源极端和第一电感的一端，第一电感的另一端和第一电容的另一端同时连接第二开关管的漏极端，第一开关管的漏极端连接第二输入端口的正极端，输出电感的另一端连接输出端口正极端和输出电容的一端，输出电容的另一端、第二开关管的源极端、第二输入端口负极端以及输出端口负极端并联到一个节点。
本发明的特点还在于:
风电电源，包括有风能发电系统和整流滤波装置，且风能发电系统的输出端口连接整流滤波装置的输入端口；整流滤波装置的输出端口作为风电电源的输出端口连接三端口直流变换器的第一输入端口。
光伏电源，包括有光伏发电系统和二极管D，二极管D的阳极与光伏发电系统的正极端连接；还包括电容C，电容C的两极分别与二极管D的阴极和光伏发电系统的负极端连接形成并联电路；并联电路的两个节点作为光伏电源的输出端口连接三端口直流变换器的第二输入端口。
三端口直流变换器的输出端口连接直流负载、逆变器，或通过直流母线对外供电。
在三端口直流变换器的内部电路中：第二输入端口、第一开关管、第一电感、第一电容、第一二极管、第二开关管、第二二极管、第三二极管、输出电感、输出电容、输出端口组成正极性输出罗变换器，第二输入端口为正极性输出罗变换器的输入端口，输出端口为正极性输出罗变换器的输出端口。
在三端口直流变换器的内部电路中：第一输入端口、第三开关管、第三二极管、第二二极管、第一二极管、第一电感、第一电容、第二开关管、输出电感、输出电容、输出端口组成Buck变换器，第一输入端口为Buck变换器的输入端口，输出端口为Buck变换器的输出端口。
本发明的有益效果是：
(1)与两端口直流变换器相比，减少了器件的使用数目，降低了供电系统成本，且其功率密度高，有较高的占空比和转换效率；
(2)两个输入端口可同时向负载供应电能，也可单独向负载供应电能，相互之间不受约束，提高了电能的利用率；
(3)器件利用率较好；
(4)解决了传统风光互补发电供电系统使用两端口变换器存在成本高、影响供电系统的供电效率和工作可靠性的问题。
附图说明
图1是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统的结构示意图；
图2是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中三端口直流变换器的电路拓扑图；
图3是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中风电电源1单独向直流负载R0提供电能的等效电路图；
图4(a)是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中第一开关管S1和第二开关管S2导通，第三开关管S3关断时，光伏电源2单独向直流负载R0提供电能的等效电路图；
图4(b)是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中第一开关管S1导通，第二开关管S2和第三开关管S3关断时，光伏电源2单独向直流负载R0提供电能的等效电路图；
图5(a)是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3都导通时，风电电源1和光伏电源2同时向直流负载R0提供电能的等效电路图；
图5(b)是本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中第一开关管S1和第三开关管S3导通，第二开关管S2关断时，风电电源1和光伏电源2同时向直流负载R0提供电能的等效电路图。
图中，1.风电电源，2.光伏电源，3.三端口直流变化器，4.风能发电系统，5.整流滤波装置，6.光伏发电系统，7.二极管D，8.电容C，S1.第一开关管，S2.第二开关管，S3.第三开关管，D1.第一二极管，D2.第二二极管，D3.第三二极管，L0.输出电感，L1.第一电感，C0.输出电容，C1.第一电容，v0.输出端口，v1.第一输入端口，v2.第二输入端口，R0.直流负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，如图1所示，包括三端口直流变换器3以及与三端口直流变换器3的第一输入端口v1连接的风电电源1，还包括与三端口直流变换器3的第二输入端口v2连接的光伏电源2；三端口直流变换器3的输出端口v0对外输出直流电；
三端口直流变换器3的内部电路具体连接关系如下，如图2所示：
第一输入端口v1正极端连接第三开关管S3的漏极端，第三开关管S3的源极端分别连接第三二极管D3的阴极和输出电感L0的一端，第三二极管D3的阳极分别连接第一输入端口v1负极端和第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极分别连接第一二极管D1的阴极和第一电容C1的一端，第一二极管D1的阳极分别连接第一开关管S1的源极端和第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端和第一电容C1的另一端同时连接第二开关管S2的漏极端，第一开关管S1的漏极端连接第二输入端口v2的正极端，输出电感L0的另一端连接输出端口v0正极端和输出电容C0的一端，输出电容C0的另一端、第二开关管S2的源极端、第二输入端口v2负极端以及输出端口v0负极端并联到一个节点。
本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中，如图1所示：
风电电源1，包括有风能发电系统4和整流滤波装置5，且风能发电系统4的输出端口连接整流滤波装置5的输入端口；整流滤波装置5的输出端口作为风电电源1的输出端口连接三端口直流变换器3的第一输入端口v1。
光伏电源2，包括有光伏发电系统6和二极管D7，二极管D7的阳极与光伏发电系统6的正极端连接；还包括电容C8，电容C8的两极分别与二极管D7的阴极和光伏发电系统6的负极端连接形成并联电路；该并联电路的两个节点作为光伏电源2的输出端口连接三端口直流变换器3的第二输入端口v2。
三端口直流变换器3的输出端口v0连接直流负载R0、逆变器，或通过直流母线对外供电。
在三端口直流变换器3的内部电路中：第二输入端口v2、第一开关管S1、第一电感L1、第一电容C1、第一二极管D1、第二开关管S2、第二二极管D2、第三二极管D3、输出电感L0、输出电容C0、输出端口v0组成正极性输出罗变换器，第二输入端口v2为正极性输出罗变换器的输入端口，输出端口v0为正极性输出罗变换器的输出端口。
在三端口直流变换器3的内部电路中：第一输入端口v1、第三开关管S3、第三二极管D3、第二二极管D2、第一二极管D1、第一电感L1、第一电容C1、第二开关管S2、输出电感L0、输出电容C0、输出端口v0组成Buck变换器，第一输入端口v1为Buck变换器的输入端口，输出端口v0为Buck变换器的输出端口。
本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统中，三端口直流变换器3的内部电路由Buck变换器嵌入到正极性输出罗变换器所合成，嵌入点为正极性输出罗变换器电路的第二二极管D2、输出电容C0和输出端口v0之间，第二二极管D2的阴极连接Buck变换器中的第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接输出电感L0的一端，输出电容C0和输出端口v0并联节点的一端连接输出电感L0的另一端。
风能发电系统4产生的交流电经过整流滤波装置5后将交流电转换为直流电对外输出，其输出端口接入三端口直流变换器3的第一输入端口v1；光伏发电系统6产生直流电，电容C8起稳压作用，光伏发电系统6产生的直流电经稳压后对外输出，其输出端口接入三端口直流变换器3的第二输入端口v2；三端口直流变换器3的输出端口v0连接直流负载R0、逆变器、或通过直流母线对外供电。
如图2所示，当第二开关管S2和第一开关管S1两者中有任意一个导通或两者同时导通时，由第三开关管S3的工作状态控制风电电源1向直流负载R0提供电能；第一开关管S1的工作状态控制光伏电源2向直流负载R0提供电能，当第一开关管S1工作时，光伏电源2向直流负载R0提供电能，当第一开关管S1不工作时，光伏电源2不向直流负载R0提供电能；第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3都不工作时，风电电源1和光伏电源2都不向直流负载R0提供电能；这样，通过控制开关管的工作状态就可以控制风电电源1和光伏电源2是否向直流负载R0提供电能，风电电源1和光伏电源2既可以单独向直流负载R0提供电能，又可以同时向直流负载R0提供电能。
当第三开关管S3和第二开关管S2工作，第一开关管S1不工作时，风电电源1单独向直流负载R0提供电能，等效电路图如图3所示；当第三开关管S3处于导通状态时，第三二极管D3承受反方向的电压而处于截止状态，故风电电源1通过续流第一二极管D1和第二二极管D2向输出电感L0、第一电感L1充电储能，同时向直流负载R0提供电能；当断开第三开关管S3时，输出电感L0、第一电感L1通过续流第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3续流，同时向直流负载R0提供电能；从而得知，无论第三开关管S3是否导通，第一二极管D1和第二二极管D2均处于正向导通状态，因此可将其视为导线，这样可将输出电感L0和第一电感L1串联等效为电感L，此时电路等效为风电电源1、第三开关管S3、第三二极管D3、电感L、输出电容C0和直流负载R0连接的Buck变换器。
当第一开关管S1工作，第三开关管S3不工作时，光伏电源2单独向直流负载R0提供电能；这时当第二开关管S2处于导通状态，第一二极管D1承受正向电压处于导通状态，第二二极管D2和第三二极管D3承受反向电压处于截止状态，此时光伏电源2向第一电感L1和第一电容C1进行充电储能，输出电容C0向直流负载R0提供电能，其等效电路如图4(a)所示；当第二开关管S2处于关断状态，第二二极管D2和第三二极管D3承受正向电压处于导通状态，第一二极管D1承受反向电压处于截止状态，此时光伏电源2通过第一电感L1、第一电容C1、输出电感L0向直流负载R0提供电能，同时向输出电容C0进行充电储能，其等效电路如图4(b)所示。
当第一开关管S1和第三开关管S3都工作时，风电电源1和光伏电源2同时向直流负载R0提供电能，这时根据第二开关管S2的导通与关断，有两种不同的电路，分别如下：
第一种电路：当第二开关管S2导通时，第一二极管D1和第二二极管D2承受正向电压处于导通状态，第三二极管D3承受反向电压处于截止状态，此时光伏电源2向第一电感L1和第一电容C1充电储能，同时风电电源1与光伏电源2串联后通过输出电感L0向直流负载R0提供电能，同时向输出电容C0进行充电储能，其等效电路如图5(a)所示；
第二种电路：当第二开关管S2断开时，第一二极管D1和第三二极管D3承受反向电压处于截止状态，第二二极管D2承受正向电压处于导通状态，此时光伏电源2、第一电感L1、第一电容C1、第二二极管D2、风电电源1、输出电感L0和输出电容C0形成一个回路，风电电源1与光伏电源2串联后通过输出电感L0、第一电感L1、第一电容C1向直流负载R0提供电能，同时向输出电容C0进行充电储能，其等效电路如图5(b)所示。
本发明基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统与基于两端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统相比，减少了器件的使用数目，降低了供电系统成本；同时风电电源1和光伏电源2既可同时向直流负载R0提供电能，也可单独向直流负载R0提供电能，相互之间不受约束，提高了供电效率；因器件数目的减少，也提高了工作的可靠性。

Claims (6)

1.基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，包括三端口直流变换器(3)以及与三端口直流变换器(3)的第一输入端口(v1)连接的风电电源(1)，还包括与三端口直流变换器(3)的第二输入端口(v2)连接的光伏电源(2)；三端口直流变换器(3)的输出端口(v0)对外输出直流电；
所述三端口直流变换器(3)的内部电路连接关系为：所述第一输入端口(v1)正极端连接第三开关管(S3)的漏极端，第三开关管(S3)的源极端分别连接第三二极管(D3)的阴极和输出电感(L0)的一端，所述第三二极管(D3)的阳极分别连接第一输入端口(v1)负极端和第二二极管(D2)的阴极，第二二极管(D2)的阳极分别连接第一二极管(D1)的阴极和第一电容(C1)的一端，第一二极管(D1)的阳极分别连接第一开关管(S1)的源极端和第一电感(L1)的一端，所述第一电感(L1)的另一端和第一电容(C1)的另一端同时连接第二开关管(S2)的漏极端，第一开关管(S1)的漏极端连接第二输入端口(v2)的正极端，输出电感(L0)的另一端连接输出端口(v0)正极端和输出电容(C0)的一端，输出电容(C0)的另一端、第二开关管(S2)的源极端、第二输入端口(v2)负极端以及输出端口(v0)负极端并联到一个节点。
2.根据权利要求1所述的基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，所述风电电源(1)，包括有风能发电系统(4)和整流滤波装置(5)，且所述风能发电系统(4)的输出端口连接整流滤波装置(5)的输入端口；所述整流滤波装置(5)的输出端口作为风电电源(1)的输出端口连接三端口直流变换器(3)的第一输入端口(v1)。
3.根据权利要求1所述的基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，所述光伏电源(2)，包括有光伏发电系统(6)和二极管D(7)，所述二极管D(7)的阳极与光伏发电系统(6)的正极端连接；
还包括电容C(8)，电容C(8)的两极分别与二极管D(7)的阴极和光伏发电系统(6)的负极端连接形成并联电路；所述并联电路的两个节点作为光伏电源(2)的输出端口连接三端口直流变换器(3)的第二输入端口(v2)。
4.根据权利要求1所述的基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，所述三端口直流变换器(3)的输出端口(v0)连接直流负载(R0)、逆变器，或通过直流母线对外供电。
5.根据权利要求1所述的基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，在所述三端口直流变换器(3)的内部电路中：
所述第二输入端口(v2)、第一开关管(S1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第一二极管(D1)、第二开关管(S2)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、输出电感(L0)、输出电容(C0)、输出端口(v0)组成正极性输出罗变换器，所述第二输入端口(v2)为正极性输出罗变换器的输入端口，所述输出端口(v0)为正极性输出罗变换器的输出端口。
6.根据权利要求1所述的基于三端口直流变换器输出的风光互补发电供电系统，其特征在于，在所述三端口直流变换器(3)的内部电路中：
所述第一输入端口(v1)、第三开关管(S3)、第三二极管(D3)、第二二极管(D2)、第一二极管(D1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二开关管(S2)、输出电感(L0)、输出电容(C0)、输出端口(v0)组成Buck变换器，所述第一输入端口(v1)为Buck变换器的输入端口，所述输出端口(v0)为Buck变换器的输出端口。
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