CN112736967A - 一种静态发电机 - Google Patents

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CN112736967A CN202011523650.6A CN202011523650A CN112736967A CN 112736967 A CN112736967 A CN 112736967A CN 202011523650 A CN202011523650 A CN 202011523650A CN 112736967 A CN112736967 A CN 112736967A
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Hebei Electric Cube New Energy Technology Co ltd
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Abstract

本申请涉及一种静态发电机，属于新能源发电储能制造技术领域，本申请中的静态发电机，包括DC‑DC变流模块、储能电池模块，DC‑AC双向变流模块、控制模块以及具有三个连接端组的开关切换模块；DC‑DC变流模块，其输入端连接前端电源，其输出端通过直流母线分别连接DC‑AC双向变流模块的DC端、以及储能电池模块的连接端；DC‑AC双向变流模块，其AC端连接开关切换模块的第一端组；开关切换模块，其第二端组连接本地负载，其第三端组连接电网；控制模块，用于控制所述DC‑DC变流模块、DC‑AC双向变流模块、开关切换模块的工作状态，实现发电机的不同功能模式。本申请可实现发电机多场景下的有效利用。

Description

一种静态发电机
技术领域
本申请属于新能源发电储能制造技术领域，具体涉及一种静态发电机。
背景技术
现有的发电机产品，通常使用传统非可再生能源，发电机噪音大、发电效率低，特别是在空载待机过程中会造成大量的能源浪费。不能灵活满足实际应用中不同应用场景下的使用需求。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种静态发电机，基于电池储能、新能源发电技术进行系统集成，通过智能控制实现发电机多场景下的有效利用。
为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：
本申请提供一种静态发电机，其包括：DC-DC变流模块、储能电池模块，DC-AC双向变流模块、控制模块以及具有三个连接端组的开关切换模块；
所述DC-DC变流模块，其输入端连接前端电源，其输出端通过直流母线分别连接DC-AC双向变流模块的DC端、以及储能电池模块的连接端；
所述DC-AC双向变流模块，其AC端连接开关切换模块的第一端组；
所述开关切换模块，其第二端组连接本地负载，其第三端组连接电网；
所述控制模块，用于控制所述DC-DC变流模块、DC-AC双向变流模块、开关切换模块的工作状态，实现发电机的不同功能模式。
可选地，所述开关切换模块的开关状态包括，
第一-二端组间导通且第二-第三端组间关断的第一状态，
第一-二端组间关断且第二-第三端组间导通的第二状态，
第一-二端组间和第二-第三端组间均导通的第三状态；
所述功能模式包括自用模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在前端电源输入充足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源为本地负载优先供电和对储能电池模块充电，并
在储能电池模块充满电后，控制开关切换模块处于第三状态，实现前端电源为本地负载供电和多余能量并网发电；
在前端电源无输入且储能电池模块有电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现储能电池模块为本地负载供电；
在前端电源无输入且储能电池模块无电时，控制开关切换模块处于第二状态，实现电网为本地负载供电。
可选地，所述功能模式还包括峰谷模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在当前时段为电价谷值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源优先为储能电池模块充电、实现电网为本地负载供电、以及电网为储能电池模块辅助充电；
在当前时段为电价峰值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电、并将多余能量并网发电。
可选地，所述功能模式还包括后备模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在前端电源输入不足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和电网为储能电池模块充电、电网为本地负载供电，并
在电网断电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电。
可选地，所述功能模式还包括动态增容模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在有前端电源输入且电网容量充裕时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现电网为本地负载供电、前端电源和电网共同为储能电池模块充电，并
在本地负载突然增大超出预设值时，控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源、电网和储能电池模块同时为本地负载供电。
可选地，所述开关切换模块基于两个可控性电子开关实现。
可选地，所述两个可控性电子开关中至少一个为并联有可控机械开关的可控性电子开关。
可选地，所述DC-DC变流模块采用BOOST拓扑结构。
可选地，所述DC-AC双向变流模块采用三电平拓扑结构。
可选地，所述前端电源的种类包括光伏面板组件及风力发电组件。
本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
本申请的技术方案，通过将储能电池模块及多功能双向变流器进行集成，实现了一种智能化的供电设备，完全可替代传统的发电机，同时通过智能控制实现了发电机在多场景下的有效利用。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请一个实施例提供的静态发电机的原理示意图；
图2为本申请一个实施例中静态发电机的开关切换模块的拓扑结构示意图；
图3a为本申请一个实施例中静态发电机在自用模式的功率流向示意图a；
图3b为本申请一个实施例中静态发电机在自用模式的功率流向示意图b；
图3c为本申请一个实施例中静态发电机在自用模式的功率流向示意图c；
图3d为本申请一个实施例中静态发电机在自用模式的功率流向示意图d；
图4a为本申请一个实施例中静态发电机在峰谷模式的功率流向示意图a；
图4b为本申请一个实施例中静态发电机在峰谷模式的功率流向示意图b；
图5a为本申请一个实施例中静态发电机在后备模式的功率流向示意图a；
图5b为本申请一个实施例中静态发电机在后备模式的功率流向示意图b；
图6a为本申请一个实施例中静态发电机在动态增容模式的功率流向示意图a；
图6b为本申请一个实施例中静态发电机在动态增容模式的功率流向示意图b；
图7为本申请一个实施例中静态发电机的DC-DC变流模块的拓扑结构示意图；
图8为本申请一个实施例中静态发电机的DC-AC双向变流模块的拓扑结构示意图；
图9为本申请一个实施例中静态发电机的储能电池模块的拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
如背景技术中所述，针对传统发电机产品不能满足不同应用场景下使用需求的缺陷，本申请基于电池储能、新能源发电技术进行系统集成，提出一种静态放电机。
图1为本申请一实施例中静态发电机的原理示意图，如图1所示，该实施例中的静态发电机包括：
DC-DC变流模块、储能电池模块，DC-AC双向变流模块、控制模块(图中未示出)以及具有三个连接端组的开关切换模块；
DC-DC变流模块，其输入端连接前端电源，需在说明的是，这里的前端电源指基于新能源技术的电源输入，例如通过光伏面板组件输入，例如通过风力发电组件输入(此时输入为脉动直流)，或者通过其他种类的新能源输入；如图1所示，DC-DC变流模块的输出端通过直流母线分别连接DC-AC双向变流模块的DC端、以及储能电池模块的连接端；
DC-AC双向变流模块，其AC端连接开关切换模块的第一端组1；
开关切换模块，其第二端组2连接本地负载，其第三端组3连接电网；
控制模块，用于控制DC-DC变流模块、DC-AC双向变流模块、开关切换模块的工作状态，实现发电机的不同功能模式。
本申请的技术方案，通过将储能电池模块及多功能双向变流器进行集成，实现了一种智能化的供电设备，完全可替代传统的发电机，同时通过智能控制实现了发电机在多场景下的有效利用。
为便于理解本申请的技术方案，下面以另一实施例对本申请的技术方案进行进一步介绍说明。
基于前文的实施例，在该实施例中，开关切换模块的开关状态包括：
第一-二端组间导通且第二-第三端组间关断的第一状态，第一-二端组间关断且第二-第三端组间导通的第二状态，第一-二端组间和第二-第三端组间均导通的第三状态。
具体的，该实施例中，开关切换模块基于两个可控性电子开关实现，如图2所示，K1、K2均为可控型电子开关(容易理解的是，这里的电子开关均为功率器件)，K2、K1的一端并联作为开关切换模块的第二端组，K2、K1的另一端分别作为开关切换模块的第一端组和第二端组。
作为一种优先，为有效的减小电子开关的损耗问题，同时也能保证电网和静态发电机对负载的连续不间断切换，两个可控性电子开关中至少一个为并联有可控机械开关的可控性电子开关。如图2所示，可控型电子开关K2中并联有可控机械开关。
本申请技术方案中的静态发电机基于智能控制，针对不同场景，可实现多种功能模式。在该实施例中，功能模式包括自用模式、峰谷模式、后备模式、动态增容模式，这里以前端电源为光伏阵列为例，对各种功能模式分别进行介绍：
自用模式
自用模式下，控制模块被配置为：
在前端电源输入充足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源为本地负载优先供电和对储能电池模块充电(此时功率流向如图3a所示)，并
在储能电池模块充满电后，控制开关切换模块处于第三状态，实现前端电源为本地负载供电和多余能量并网发电(此时功率流向如图3b所示)；
在前端电源无输入且储能电池模块有电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现储能电池模块为本地负载供电(此时功率流向如图3c所示)；
在前端电源无输入且储能电池模块无电时，控制开关切换模块处于第二状态，实现电网为本地负载供电(此时功率流向如图3d所示)。
换言之，自备模式下，将前端太阳能/风能优先为本地负载提供电力支持，多余电量进行电池存储，电池存满后，上网发电；太阳能不足时，通过电池放电保障负载供电；太阳能和电池均无能量后，才由电网提供能量。主要解决用户本地负载使用新能源和电池供电问题，尽量不使用电网能源。
这里需要说明的是，为实现在直流母线上的不同的功率流向，采用主动控制DC-DC变流模块的输出参数(主要为电流、电压)，基于该输出参数与储能电池模块的输入需求的对比情况，来实现不同功率流向，举例而言，储能电池模块满电电压为V1，控制DC-DC变流模块的输出电压大于V1，则可实现多余的功率流向DC-AC双向变流模块的DC端。其他模式下，不同支路下的功率流向控制实现方式类似，这里及后文就不再详述了。
峰谷模式
峰谷模式下，控制模块被配置为：
在当前时段为电价谷值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源优先为储能电池模块充电、实现电网为本地负载供电、以及电网为储能电池模块辅助充电(此时功率流向如图4a所示)；
在当前时段为电价峰值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电、并将多余能量并网发电(此时功率流向如图4b所示)。
换言之，峰谷模式下，是利用用户当地电价的峰谷差值，在电价谷值时，将电网能量存储于电池，到电价峰值时，将电池能量放回到电网；在电池充电期间，优先使用太阳能进行充电。主要解决用户期望利用峰谷电价售卖电量产生经济效益的问题。
后备模式
后备模式下，控制模块被配置为：
在前端电源输入不足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和电网为储能电池模块充电、电网为本地负载供电(此时功率流向如图5a所示)，并
在电网断电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电(此时功率流向如图5b所示)。
换言之，后备模式下，是利用太阳能给电池进行补电，太阳能不足时，使用电网给电池补电，负载由电网直供。当电网断电时，将电池作为后备能量继续为本地负载提供电力支持。
动态增容模式
动态增容模式下，控制模块被配置为：
在有前端电源输入且电网容量充裕时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现电网为本地负载供电、前端电源和电网共同为储能电池模块充电(此时功率流向如图6a所示)，并
在本地负载突然增大超出预设值时(容易理解的是，这里的预设值基于电网的输出变压器的容量值来设置)，控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源、电网和储能电池模块同时为本地负载供电(此时功率流向如图6b所示)。
换言之，后备模式下，是利用太阳能和储能电池对当地电网进行短时间扩容，在电网容量充裕的情况下，优先给负载供电，使用电网剩余容量给电池充电，当本地负载突然增大时并超出电网允许能量时，采用前端电源、电池和电网同时给负载供电的方式，满足负荷需求。
此外，容易理解的，本申请的静态发电机也可以实现常见的售电模式，该模式下，储能电池模块被去除或屏蔽，基于具体的控制实现将太阳能优先为本地负载提供电力支持，多余电量进行上网放电。主要解决用户当地用电价格偏高，同时售电价格也偏高，利用太阳能降低买电电量，同时余电尽量卖回电网的需求。
下面在对该实施例中组成静态发电机的DC-DC变流模块、DC-AC双向变流模块以及储能电池模块的实现形式进行一下介绍。
该实施例中，如图7所示，DC-DC变流模块采用BOOST拓扑结构。图7中：
BAT+、BAT-：用于接光伏电池板；
K1为输入继电器；K2、K3为输出继电器；K4、K5为主功率开关管；
C1、C2为储能电容，L为储能电感；
图7为Boost电路和电压型半桥组合成的组合式半桥电路，光伏电池板通过该电路升压到目标电压值给储能电池充电、及后端供电。
该实施例中，如图8所示，DC-AC双向变流模块采用三电平拓扑结构。图8中：
DC侧：接DC-DC变流模块的输出和储能电池模块；
F1、F2为输入保险；F3、F4、F5为输出保险；
K1、K2为模块直流侧继电器；K3、K4、K5为模块交流侧继电器；
L1～L3为储能电感；C1～C5为储能电容；Q1～Q12为主功率开关管。
图8中的DC-AC双向变流模块，当发电机需要提供交流电时，该模块工作在逆变模式，此时DC侧作为输入端，AC侧作为输出端；当发电机需要电网给储能电池模块补电时，该模块工作在整流模式，此时AC侧作为输入端，DC侧作为输出端。
此外，需要的说明的是，作为一种具体的实现方式，基于图2中所示的开关切换模块，在实际中，可将其中可控型电子开关K2集成到DC-AC双向变流模块内，从而便于实现分散逻辑的多机并联控制。
该实施例中，如图9所示，储能电池模块基于锂电池组来实现。锂电池储能具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保的优点，储能系统将大容量单体锂电池组成全串联电池组；储能系统集成BMS系统：采用模块化分成设计，可根据系统的复杂程度进行定制；实时监测电池的状态，保障系统的安全可靠；智能充放电控制，合理电池均衡；实时在线SOC估算；自动报警，分级报警确保故障及时处理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种静态发电机，其特征在于，包括：DC-DC变流模块、储能电池模块，DC-AC双向变流模块、控制模块以及具有三个连接端组的开关切换模块；
所述DC-DC变流模块，其输入端连接前端电源，其输出端通过直流母线分别连接DC-AC双向变流模块的DC端、以及储能电池模块的连接端；
所述DC-AC双向变流模块，其AC端连接开关切换模块的第一端组；
所述开关切换模块，其第二端组连接本地负载，其第三端组连接电网；
所述控制模块，用于控制所述DC-DC变流模块、DC-AC双向变流模块、开关切换模块的工作状态，实现发电机的不同功能模式。
2.根据权利要求1所述的静态发电机，其特征在于，所述开关切换模块的开关状态包括，
第一-二端组间导通且第二-第三端组间关断的第一状态，
第一-二端组间关断且第二-第三端组间导通的第二状态，
第一-二端组间和第二-第三端组间均导通的第三状态；
所述功能模式包括自用模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在前端电源输入充足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源为本地负载优先供电和对储能电池模块充电，并
在储能电池模块充满电后，控制开关切换模块处于第三状态，实现前端电源为本地负载供电和多余能量并网发电；
在前端电源无输入且储能电池模块有电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现储能电池模块为本地负载供电；
在前端电源无输入且储能电池模块无电时，控制开关切换模块处于第二状态，实现电网为本地负载供电。
3.根据权利要求2所述的静态发电机，其特征在于，所述功能模式还包括峰谷模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在当前时段为电价谷值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源优先为储能电池模块充电、实现电网为本地负载供电、以及电网为储能电池模块辅助充电；
在当前时段为电价峰值时段且前端电源有输入时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电、并将多余能量并网发电。
4.根据权利要求2所述的静态发电机，其特征在于，所述功能模式还包括后备模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在前端电源输入不足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和电网为储能电池模块充电、电网为本地负载供电，并
在电网断电时，控制开关切换模块处于第一状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源和储能电池模块为本地负载供电。
5.根据权利要求2所述的静态发电机，其特征在于，所述功能模式还包括动态增容模式，该模式下，所述控制模块被配置为：
在有前端电源输入且电网容量充裕时，控制开关切换模块处于第三状态、控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在交直变换状态且控制其输出参数，实现电网为本地负载供电、前端电源和电网共同为储能电池模块充电，并
在本地负载突然增大超出预设值时，控制DC-DC变流模块的输出参数、控制DC-AC双向变流模块工作在直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源、电网和储能电池模块同时为本地负载供电。
6.根据权利要求1所述的静态发电机，其特征在于，所述开关切换模块基于两个可控性电子开关实现。
7.根据权利要求6所述的静态发电机，其特征在于，所述两个可控性电子开关中至少一个为并联有可控机械开关的可控性电子开关。
8.根据权利要求1所述的静态发电机，其特征在于，所述DC-DC变流模块采用BOOST拓扑结构。
9.根据权利要求1所述的静态发电机，其特征在于，所述DC-AC双向变流模块采用三电平拓扑结构。
10.根据权利要求1所述的静态发电机，其特征在于，所述前端电源的种类包括光伏面板组件及风力发电组件。
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