CN201466749U - 基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置 - Google Patents

基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其包括光伏阵列、风力发电机、蓄电池组、泄荷器件、控制器、充电侧直流母线、放电侧直流母线、过充保护电路、过载保护电路、泄荷开关、蓄电池组切换电路等。控制器通过检测充电侧直流母线的电压电流变化，依序轮换接入充电蓄电池组；通过检测放电侧直流母线的电压电流变化，关闭或接入负载，依序轮换接入放电蓄电池组。本实用新型可有效提高光伏阵列和风力发电机的发电能力以及蓄电池的利用率，延长蓄电池的使用寿命，提供稳定的直流输出，降低电源装置的成本，特别适合于用作直流负载要求稳定电压的、远离电网的通信基站供电电源。

Description

基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置
技术领域
本实用新型涉及采用可再生能源发电的电源技术领域，具体地说是一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置。
背景技术
太阳能和风能作为一种清洁的可再生能源，将是人类未来最重要的能量来源之一，太阳能光伏发电和风力发电对缓解当今的能源危机和改善生态环境具有非常重要的意义。
移动通信系统已经在世界各国大规模应用，数量庞大的移动通信基站分散分布于需要信号覆盖的地方。随着通信网络逐渐扩展到远离电网或供电不稳定的地区，大量的移动通信基站将要建设在山区、海岛、沙漠、高原等偏远地区，因而采用各种替代能源为移动通信基站提供电力也成为其必然的选择。
由于风力和阳光资源的天然互补性，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。风光互补供电系统各发电单元可以独立控制也能协调工作，供电安全性和可靠性大大提高。移动通信基站一般建在较高的建筑物或者山坡上，接受太阳能辐射量和风能相对较高，风光互补发电系统将是今后通信基站离网型电源发展的主流方向。
一般风光互补发电系统主要由光伏阵列、风力发电机及AC/DC变换器、泄荷器件、储能装置、控制器组成，需要交流输出时还会有DC/AC逆变器。储能装置一般为可以充放电的蓄电池组。其中光伏阵列、风力发电机的AC/DC变换器、蓄电池组和负载一般都直接连接到公共直流母线，或通过控制开关连接到公共直流母线。由于蓄电池组的钳位作用，系统充电端和放电端的电压会平衡到同一电压值，导致负载的工作电压、储能装置的充放电范围、光伏阵列和风力发电机的发电能力相互影响。
首先，光伏发电和风力发电分别受日照强度和风速变化的影响，其发出的电力极不稳定，所以风光互补系统通常需要配备一定容量的蓄电池组进行补偿，以保持电能输出稳定。由于风光互补系统受自然环境的影响很大，发电功率具有间断性和不可预测性等特点，蓄电池组需要不断地吸收或者释放能量，可能经常反复进行深度充放电，导致蓄电池的使用寿命缩短，增加了系统的维护成本。
其次，负载在工作时的功率需求大多具有脉动性质，即瞬时功率高平均功率较低，为防止极端恶劣天气时，系统储备电力不足，一般需要配置远大于正常使用容量的蓄电池组，以保证系统的正常工作。这样不仅会提高系统的购置成本，还会在发电低谷期，造成全部蓄电池长时间处于亏电状态运行，导致蓄电池的使用寿命缩短，也增加了系统的维护成本。
再次，光伏阵列和风力发电机发电功率的大幅波动会造成公共直流母线电压的波动，为了保证系统的正常运行，光伏阵列和风力发电机可能会被频繁切出，光伏发电和风力发电的利用率大大降低.系统的发电能力低于设计预期，可能导致系统的运行状况进一步恶化.
因此，优化蓄电池的充放电过程，减少蓄电池的充放电循环次数，延长蓄电池的使用寿命，提高系统的发电能力，稳定系统的放电输出，是风光互补发电系统中亟待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置。本实用新型可优化蓄电池的充放电过程、减少蓄电池的充放电循环次数、延长蓄电池的使用寿命、提高电源装置的发电能力、稳定电源装置的放电输出，并可以在极端恶劣天气或光伏和风力发电量不足等情况下提供更长时间的电力支撑，以保障系统的正常工作。
为了达到上述目的，本实用新型包括光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、泄荷器件、储能装置、控制器，充电侧直流母线、放电侧直流母线、过充保护电路、蓄电池组切换电路；充电侧直流母线和放电侧直流母线，可以是正极相连且接地而负极相互隔离，也可以是负极相连且接地而正极相互隔离；储能装置含有多个蓄电池组；光伏阵列通过过充保护电路与充电侧直流母线连接，风力发电机通过AC/DC变换器与充电侧直流母线连接；蓄电池组切换电路的充电端连接到充电侧直流母线，蓄电池组切换电路的放电端连接到放电侧直流母线；每个蓄电池组独立的与蓄电池组切换电路的分配端连接。
本发明的原理是：储能装置划分成多个蓄电池组，各个蓄电池组通过蓄电池组切换电路，或与充电侧直流母线连接进入充电回路，或与放电侧直流母线连接进入放电回路，每个蓄电池组通过一定的方式依序轮换充电放电；光伏阵列、风力发电机连接到充电侧直流母线，为轮换到充电回路的蓄电池组充电，直至其充满为止，切换另一个蓄电池组充电；负载连接到放电侧直流母线，由轮换到放电回路的蓄电池组供电，直至其放电到指定的程度为止，切换另一个蓄电池组供电。
更进一步的，所述的储能装置至少含有三个容量相近且可相互并联的蓄电池组，至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与充电侧直流母线连接，至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与放电侧直流母线连接。这样，至少还有一个蓄电池组处于静置状态，有利于该蓄电池组在充放电后的电压恢复。
在上述的蓄电池组切换电路中，具有与蓄电池组个数相同数量的分配端和2个输出端，每个分配端对应接入1个蓄电池组，2个输出端为充电端和放电端；控制器发出的信号控制分配端的切换，至少1个分配端切换到只与充电端连接，至少1个分配端切换到只与放电端连接；每个蓄电池组或通过充电端与充电侧直流母线连接，或通过放电端与放电侧直流母线连接，或不被连接。
更进一步的，所述的蓄电池组切换电路可采用MOSFET、IGBT、双稳态继电器或固态继电器等电子开关元件来实现。在满足切换电路负荷的前提下，尽可能选择脉冲控制方式、维持电流低的控制方式、以及通态压降较低的控制方式，尽可能降低切换电路的功耗。
该电源装置中所述的控制器还包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元.中央控制单元通过充电检测单元检测充电侧直流母线的电压Vc的变化，根据设定的过充保护电压V1及回差ΔV1，发出信号控制过充保护电路关闭或接入光伏阵列，或发出信号控制泄荷开关关闭或接入泄荷器件；根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出信号控制蓄电池组切换电路依序轮换接入充电蓄电池组.中央控制单元通过放电检测单元检测放电侧直流母线的电压Vd变化，根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出信号控制蓄电池组切换电路依序轮换接入放电蓄电池组.
更进一步的，所述的控制器还可包含过载保护电路、负载分配电路或逆变电路。中央控制单元通过放电检测单元检测放电侧直流母线的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过载保护电流I2，发出信号控制负载分配电路关闭次要负载、逆变电路，直至关闭全部负载；根据设定的过放保护电压V6及回差ΔV6，发出信号控制负载分配电路关闭或接入次要负载和逆变电路。
本实用新型的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，与现有的公知技术相比具有以下优点：
(1)多个蓄电池组依序轮换充电放电，优化了蓄电池的充放电过程，减少了蓄电池组的充放电循环次数，延长了蓄电池的使用寿命，提高了系统的供电保障能力。
(2)蓄电池组两端的电压波动缩小，能直接为直流负载提供稳定的电力，降低了系统的转换损耗，提高了系统输出的稳定性。
(3)充电过程不受放电过程的限制，光伏阵列和风力发电机可连续接入，光伏发电和风力发电的利用率大大提高，相当于增加了系统的发电能力。
本实用新型特别适合于用作远离电网的、直流负载要求稳定电压的、通信基站的供电电源。
附图说明
图1是表示本实用新型实施例1的系统原理框图；
图2是表示本实用新型实施例2的系统原理框图；
图3是进一步表示采用双稳态继电器的切换电路原理图；
图4是进一步表示采用MOSFET的切换电路原理图；
符号说明
附图中1为光伏阵列，2为风力发电机，3为AC/DC变换器，4为充电侧直流母线，5为放电侧直流母线，6为蓄电池组切换电路，6A为充电端，6B为放电端，601为分配端1，602为分配端2，603为分配端3，7为储能装置，71为蓄电池组1，72为蓄电池组2，73为蓄电池组3，8为泄荷器件，9为泄荷开关，10为中央控制单元，11为充电检测单元，12为放电检测单元，13为过充保护电路，14为过载保护电路，15为负载分配电路，16为直流设备，16A为直流主机设备，16B为直流次要设备，17为逆变电路，18为交流设备，18B为交流辅助设备，20为控制器，21为双稳态继电器，22为MOSFET，P1为脉冲开关1，P2为脉冲开关2，P3为脉冲开关3，P4为脉冲开关4，P5为脉冲开关5，P6为脉冲开关6。
具体实施方式
下面参照附图并通过实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。
实施例1
一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置的基本型，如图1所示.它包括光伏阵列(1)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、泄荷器件(8)、储能装置(7)、控制器(20)，充电侧直流母线(4)、放电侧直流母线(5)、蓄电池组切换电路(6)、过充保护电路(13)、泄荷开关(9)、逆变电路(17)；储能装置(7)由3个蓄电池组(71、72和73)构成，每个蓄电池组的容量相近且可相互并联；光伏阵列(1)通过过充保护电路(13)与充电侧直流母线(4)连接，风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)与充电侧直流母线(4)连接；蓄电池组切换电路(6)的充电端(6A)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组切换电路(6)的放电端(6B)连接到放电侧直流母线(5)；每个蓄电池组(71、72或73)独立的与蓄电池组切换电路(6)的分配端(601、602或603)连接；控制器(20)还包含中央控制单元(10)、充电检测单元(11)、放电检测单元(12).
在本实施例中，充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)的负极相连且接地而正极相互隔离；电源装置可输出DC+24V，并可通过逆变电路(17)输出AC220V；直流设备(16)和逆变电路(17)连接到放电侧直流母线(5)，逆变电路(17)上连接交流设备(18)。
如图3所示，在蓄电池组切换电路(6)中有6个双稳态继电器(21)，包含3对触点；每个双稳态继电器(21)的控制线圈对应连接到中央控制单元的脉冲信号开关(P1、P2、P3、P4、P5、P6)；每对触点的一端并联在一起，形成3个分配端(601、602和603)；每对触点中取一个触点的另一端并联在一起，取另一个触点的另一端并联在一起，形成2个输出端(6A和6B)。每个分配端(601、602或603)对应接入1个蓄电池组(71、72或73)，2个输出端为充电端(6A)和放电端(6B)。所述的蓄电池组切换电路(6)中采用双稳态继电器作为电子开关元件，脉冲控制方式的维持电流很小，通态压降低的控制方式，可有效降低切换电路的功耗。
开机巡检后，中央控制单元(10)发出脉冲信号，控制分配端(601)与充电端(6A)接通，分配端(603)与放电端(6B)接通，分配端(602)空置。这样，蓄电池组(71)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组(73)连接到放电侧直流母线(5)，蓄电池组(72)处于空置状态。
光伏阵列(1)通过过充保护电路(13)、风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)连接到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组(71)充电，直至其充满为止；中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测充电侧直流母线(4)的电压Vc的变化，根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出脉冲信号，控制分配端(602)与充电端(6A)接通，蓄电池组(72)连接到充电侧直流母线(4)继续充电；同时，控制分配端(601)与充电端(6A)断开，蓄电池组(71)处于空置状态，等待放电。
直流设备(16)和逆变电路(17)连接到放电侧直流母线(5)，由连接到放电回路的蓄电池组(73)供电，直至其放电到指定的程度为止；中央控制单元(10)通过放电检测单元(12)检测放电侧直流母线(5)的电压Vd的变化，根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出脉冲信号，控制分配端(601)与放电端(6B)接通，蓄电池组(71)连接到放电侧直流母线(4)继续放电；同时，控制分配端(603)与放电端(6B)断开，蓄电池组(73)处于空置状态，等待充电。
如此循环，每个蓄电池组(71、72或73)依序轮换充电或放电。
另外，当中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过充保护电压V1时，发出信号，控制过充保护电路(13)关闭光伏阵列(1)；如Vc继续大于V1，则进一步发出信号，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8).当中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc低于设定的过充保护电压V1回差ΔV1时，发出信号，控制泄荷开关(9)断开泄荷器件(8)，并进一步控制过充保护电路(13)接入光伏阵列(1).
实施例2
一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置的扩展型，如图2所示。它包括光伏阵列(1)、风力发电机(2)、AC/DC变换器(3)、泄荷器件(8)、储能装置(7)、控制器(20)，充电侧直流母线(4)、放电侧直流母线(5)、蓄电池组切换电路(6)、过充保护电路(13)、泄荷开关(9)、逆变电路(17)、过载保护电路(14)、负载分配电路(15)；储能装置(7)由3个蓄电池组(71、72和73)构成，每个蓄电池组的容量相近且可相互并联；光伏阵列(1)通过过充保护电路(13)与充电侧直流母线(4)连接，风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)与充电侧直流母线(4)连接；蓄电池组切换电路(6)的充电端(6A)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组切换电路(6)的放电端(6B)连接到放电侧直流母线(5)；每个蓄电池组(71、72或73)独立的与蓄电池组切换电路(6)的分配端(601、602或603)连接；控制器(20)还包含中央控制单元(10)、充电检测单元(11)、放电检测单元(12)。
在本实施例中，充电侧直流母线(4)和放电侧直流母线(5)的正极相连且接地而负极相互隔离；负载分配电路(15)通过过载保护电路(14)连接到放电侧直流母线(5)，直流主机设备(16A)、直流次要设备(16B)和逆变电路(17)连接到负载分配电路(15)上，逆变电路(17)上连接交流辅助设备(18B)；电源装置可输出DC-48V，并可通过逆变电路(17)输出AC220V。
如图4所示的蓄电池组切换电路(6)中采用6个MOSFET(22)作为电子开关元件，每两个MOSFET(22)为一对；每个MOSFET(22)的栅极，对应连接到中央控制单元的脉冲信号开关(P1、P2、P3、P4、P5、P6)；每对MOSFET(22)中，一个MOSFET(22)的源极和另一个MOSFET(22)的漏极并联在一起，形成3个分配端(601、602和603)；每对MOSFET(22)中的另一漏极并联在一起，另一个源极并联在一起，形成2个输出端(6A和6B)。每个分配端(601、602或603)对应接入1个蓄电池组(71、72或73)，2个输出端为充电端(6A)和放电端(6B)。所述的蓄电池组切换电路(6)中采用MOSFET作为电子开关元件，脉冲控制方式的维持电流很小，通态压降低，可有效降低切换电路的功耗。
开机巡检后，中央控制单元(10)发出脉冲信号，控制分配端(601)与充电端(6A)接通，分配端(603)与放电端(6B)接通，分配端(602)空置。这样，蓄电池组(71)连接到充电侧直流母线(4)，蓄电池组(73)连接到放电侧直流母线(5)，蓄电池组(72)处于空置状态。
光伏阵列(1)通过过充保护电路(13)、风力发电机(2)通过AC/DC变换器(3)连接到充电侧直流母线(4)，为连接到充电回路的蓄电池组(71)充电，直至其充满为止；中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测充电侧直流母线(4)的电压Vc的变化，根据设定的充满电压V2及回差ΔV2，发出脉冲信号，控制分配端(602)与充电端(6A)接通，蓄电池组(72)连接到充电侧直流母线(4)继续充电；同时，控制分配端(601)与充电端(6A)断开，蓄电池组(71)处于空置状态，等待放电。
负载连接到放电侧直流母线(5)，由连接到放电回路的蓄电池组(73)供电，直至其放电到指定的程度为止；中央控制单元(10)通过放电检测单元(12)检测放电侧直流母线(5)的电压Vd的变化，根据设定的欠压电压V5及回差ΔV5，发出脉冲信号，控制分配端(601)与放电端(6B)接通，蓄电池组(71)连接到放电侧直流母线(4)继续放电；同时，控制分配端(603)与放电端(6B)断开，蓄电池组(73)处于空置状态，等待充电.
如此循环，每个蓄电池组(71、72或73)依序轮换充电或放电。
另外，当中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc达到设定的过充保护电压V1时，发出信号，控制过充保护电路(13)关闭光伏阵列(1)；如Vc继续大于V1，则进一步发出信号，控制泄荷开关(9)接入泄荷器件(8)。当中央控制单元(10)通过充电检测单元(11)检测到充电侧直流母线(4)的电压Vc低于设定的过充保护电压V1回差ΔV1时，发出信号，控制泄荷开关(9)断开泄荷器件(8)，并进一步控制过充保护电路(13)接入光伏阵列(1)。
更进一步的，中央控制单元(10)通过放电检测单元(12)检测放电侧直流母线(5)的电压Vd和电流Id变化，根据设定的过载保护电流I2，发出信号控制负载分配电路(15)关闭直流次要设备(16B)和逆变电路(17)，直至关闭全部负载；根据设定的过放保护电压V6及回差ΔV6，发出信号控制负载分配电路(15)关闭或接入直流次要设备(16B)和逆变电路(17)及与其相连接的交流辅助设备(18B)。

Claims (6)

1.一种基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其包括：光伏阵列、风力发电机、AC/DC变换器、泄荷器件、泄荷开关、储能装置和控制器，其特征在于所述的电源装置中还包括充电侧直流母线、放电侧直流母线、蓄电池组切换电路；储能装置含有多个蓄电池组；蓄电池组切换电路的充电端连接到充电侧直流母线，蓄电池组切换电路的放电端连接到放电侧直流母线；每个蓄电池组独立的与蓄电池组切换电路的分配端连接。
2.如权利要求1所述的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其特征在于所述的储能装置由至少三个容量相近且可相互并联的蓄电池组构成，至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与充电侧直流母线连接，同时至少一个蓄电池组通过蓄电池组切换电路与放电侧直流母线连接。
3.如权利要求1所述的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其特征在于所述的蓄电池组切换电路，具有与蓄电池组个数相同数量的分配端和2个输出端，每个分配端对应接入1个蓄电池组，2个输出端为充电端和放电端；控制器发出的信号控制分配端的切换，至少1个分配端切换到只与充电端连接，至少1个分配端切换到只与放电端连接；每个蓄电池组或通过充电端与充电侧直流母线连接，或通过放电端与放电侧直流母线连接，或不被连接。
4.如权利要求1所述的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其特征在于所述的控制器包含中央控制单元、充电检测单元、放电检测单元。
5.如权利要求1或4所述的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其特征在于所述的蓄电池组切换电路可采用双稳态继电器、MOSFET、IGBT或固态继电器作为电子开关元件来实现。
6.如权利要求4所述的基于蓄电池组轮换控制的风光互补发电电源装置，其特征在于所述的控制器还可包含过充保护电路、过载保护电路、负载分配电路或逆变电路。
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WO2017097131A1 (zh) * 2015-12-09 2017-06-15 中国银联股份有限公司 一种为Beacon基站供电的光伏发电系统
CN106939875A (zh) * 2017-04-01 2017-07-11 梁学书 高效发电风机及其多电源切换式风能发电动力装备
CN110445204A (zh) * 2019-07-22 2019-11-12 中国铁道科学研究院集团有限公司 一种基于可再生能源发电的长效、持续供电系统

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