CN201577048U - 风光互补独立电源系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种风光互补独立电源系统，其特征在于：包括风能发电系统、光能发电系统、控制系统和逆变系统，风能发电系统的输出端与光能发电系统的输出端与逆变系统的输入端连接，逆变系统的输出端用来连接负载，风能发电系统、光能发电系统和逆变系统的控制信号端均与控制系统的输出控制信号端相连接。本实用新型利用太阳能、风能的互补特性，可以获得比较稳定的总输出，有效解决无风或无阳光电力供应中断问题，提高供电的稳定性和可靠性；对风电和光电进行合理的设计和匹配，可以基本上保障用户电力供应，无需配备其他电源；无污染，无噪音，不产生废弃物，并且可再生，为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。

Description

风光互补独立电源系统
技术领域
本实用新型涉及一种电源系统，尤其涉及一种风力发电和光能发电互补的独立电源系统。
背景技术
进入21世纪，随着全球经济的发展和科学技术的进步，人们对电的依赖越来越多，电力已经成为人们日常生活和生产中必不可少的动力来源。而与此同时，环境污染日益严重，不可再生能源却正被耗尽，资源缺乏的压力不断增加。这样，如何解决人们赖以生存的环境问题，如何解决人们需求增加与资源不断减少之间的矛盾，成为当今国内外学者开始研究与探讨的重大问题。利用绿色可再生资源是一条很好的出路，风能、太阳能就是取之不尽的天然绿色可再生资源。无线通讯网络的覆盖范围取决于通讯基站的网络建设，而通讯基站的供电系统建设则成为提高通讯基站发布范围的最大制约因素。
目前，大多数的电源系统都是风能发电系统或是太阳能发电系统，而单独的太阳能或风能系统，由于受时间和地域的约束，很难全天候利用太阳能或风能资源。风能与太阳能在时间和地域上有着很强的互补性，白天光照强时风小，夜间光照弱时，风能由于地表温差变化大而增强；并且太阳能发电单元供电可靠，运行维护成本低，但造价高，风力发电单元发电量高，造价和运行维护成本低，但可靠性低。总之，单一的风能发电或太阳能发电会造成发电不平衡，不能有效的得到稳定的电源输出；并且不能有效的利用自然资源，造成能源的浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种系统结构简单、低成本可靠性高的风光互补独立电源系统，可以用在电网供电不便的地区，节约能源。
本实用新型采用下述技术方案：一种风光互补独立电源系统，其特征在于：包括风能发电系统、光能发电系统、控制系统和逆变系统，风能发电系统的输出端与光能发电系统的输出端与逆变系统的输入端连接，逆变系统的输出端用来连接负载，风能发电系统、光能发电系统和逆变系统的控制信号端均与控制系统的输出控制信号端相连接。
所述的逆变系统包括逆变驱动电路和逆变电路，逆变驱动电路的信号控制端与控制系统的信号输出端连接，逆变驱动电路的驱动信号输出端与逆变电路的驱动信号输入端连接。
所述的逆变电路包括由四个大功率绝缘栅极晶体管构成的单相桥电路。
所述的逆变电路的输出端还连接有滤波降压器，滤波降压器的输出端连接直流电源。
所述的风能发电系统包括风力发电机和整流电路，整流电路的输入端与控制系统的信号控制端之间还连接有第一最大功率点跟踪器，风力发电机的输出端还连接有卸载电阻。
所述的太阳能发电系统包括太阳能光伏阵列，直流变换器和蓄电池，直流变换器与控制系统之间还连接有第二最大功率点跟踪器。
所述的太阳能发电系统的输出端与逆变电路的输入端之间连接有一LC滤波电路，其中电容的一端通过连接电流接触器与一绝缘栅双极型晶体管的漏极连接，另一端通过连接电流接触器和电感的一端，电感的另一端和绝缘栅双极型晶体管的源极与逆变电路的输入端连接。
所述的风力发电机的输出端连接有第一电压传感器，逆变电路的输入端连接有第二电压传感器，所述的太阳能发电系统的输出端连接有第三电压传感器，所述的逆变电路的输出端连接有第四电压传感器；逆变电路的输入端还连接有第一电流传感器，逆变电路的输出端还连接有第二电流传感器，太阳能发电系统的输出端还连接有第三电流传感器；所述的各个电压传感器与各个电流传感器的测量信号输出端均连接控制系统的信号输入端。
所述的整流电路的输入端与逆变电路的输出端均连接有电流接触器。
所述的逆变电路的输入端还连接有直流保险管，逆变电路的输出端还连接有交流保险管。
本实用新型风光互补独立电源系统综合利用了风能、光能，将达到如下的技术效果：利用太阳能、风能的互补特性，可以获得比较稳定的总输出，有效解决无风或无阳光电力供应中断问题，提高供电的稳定性和可靠性；对风电和光电进行合理的设计和匹配，可以基本上保障用户电力供应，无需配备其他电源，两个单元在能源的采集上互相补充，同时又各具特色；本发电系统无污染，无噪音，不产生废弃物，并且可再生，不仅能为电网供电不便的地区，如边防哨所、通讯的中继站、交通的信号站、勘察考察的工作站以及农牧区提供低成本、高可靠性的电源，而且也为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。
附图说明
图1为本实用新型的电路框图；
图2为本实用新型中的电路原理图；
图3为本实用新型中风能发电系统充电波形图；
图4为本实用新型中光能发电系统充电波形图。
具体实施方式
根据附图对本实用新型风光互补电源系统进行进一步的详细描述。
如图1所示，本实用新型风光互补独立电源系统包括风能发电系统、光能发电系统、逆变系统，控制系统，风能发电系统的输出端和光能发电系统的输出端与逆变电路的输入端连接，控制系统分别与风能发电系统、光能发电系统和逆变系统控制连接。光能发电系统为太阳能电池板，包括光伏阵列、DC/DC变换器、蓄电池；风能发电系统包括风力发电机、整流电路。整个控制系统是基于实时数据采集的全自动智能控制系统，需要每天时刻不间断进行数据采集，选用运算功能强大，运算速度快，片内可产生PWM控制信号的DSP作为微处理器，本系统采用TI公司的TMS320C2000系列；逆变系统设计为PWM触发，单向IGBT(绝缘栅双极型晶体管)逆变器，采用目前成熟的大功率电力电子功率转换器件IGBT，确保逆变器系统正常工作。
风电系统是利用风力发电机组M，将风能转换成电能，然后通过控制器1对逆变器直流端充电的一套系统。风机可采用专门设计的变浆距风力发电机或调叶面风力发电机。这种风力发电机通过风电机组的机械式结构限制风机的转速，可在3～10级风时达到稳定输出。如图2所示，风能发电系统包括风能发电机组M和AC/DC整流电路，风能发电机组M的输出端通过电流接触器K1与整流电路的输入端连接，整流电路为整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的三相整流桥，风力发电机组M的三相输出端A、B、C端分别与整流二极管D1、整流二极管D2、二极管D3的正极连接。整流电路的输入端与控制系统1的信号控制端之间还连接有第一最大功率点跟踪器(MPPT)，此最大功率点跟踪器(MPPT)为CVT(恒定电压跟踪)式的，能实现风力发电机的电压输出稳定，减少风力发电机输出的冲击，对提高风力发电机系统工作的可靠性起到很好的作用。风能发电机组M的三相输出端与整流电路的输入端之间还连接有卸载电阻7，风能发电机组M的B相输出端和C相输出端之间还连接有电压传感器U1，电压传感器U1的测量信号输出端与控制系统1的信号输入端连接。
光电系统是利用光电池板，将太阳能转换成电能，储存在太阳能蓄电池中，再通过控制器对逆变器直流端充电的一套系统。如图2所示，光能发电系统为太阳能电池板2，太阳能电池板2包括光伏阵列、DC/DC变换器、蓄电池。太阳能电池板2的正负极输出端连接一LC滤波电路，电压传感器U3并联在电容C1的两端，电压传感器U3的测量信号输出端与控制系统1的信号输入端连接。电压传感器U3的一端还通过保险管连接有一IGBT(T5)的漏级，此IGBT(T5)的漏级与源级之间连接一续流二极管；此IGBT(T5)的源极与电感L1的一端接入逆变器的直流输入端；栅极通过一电阻与逆变驱动电路的驱动信号输出端连接。逆变驱动电路主要采用CONCEPT公司的驱动模块芯片2SD106AI-17，此模块内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路，有两个驱动输出通道，可以选择两种不同的工作模式，适合两个单管和半桥驱动，由电子接口智能栅极驱动，当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，以驱动外接大功率IGBT。DC/DC变换器与控制系统之间还连接有第二最大功率点跟踪器，此最大功率点跟踪器(MPPT)为CVT(恒定电压跟踪)式的。在光电转换过程中，通过改变DC/DC变换器中的开关管的脉冲宽度，可以控制DC/DC变换器给太阳能蓄电池充电的电流，保证蓄电池电压的稳定，以确保对逆变器直流端的恒压供电。
逆变器由四个大功率IGBT构成的单相桥电路，逆变电路的输入端之间连接有电压传感器U2，第一IGBT(T1)、第二IGBT(T2)、第三IGBT(T3)、第四IGBT(T4)的源级和漏级分别连接一续流二极管，第一IGBT(T1)的源级与第二IGBT(T2)的源级分别与第三IGBT(T3)的漏级、第四IGBT(T4)的漏级连接；第四IGBT(T4)的漏级与第二IGBT(T2)的漏级连接，第三IGBT(T3)的漏级与第四IGBT(T4)的漏级连接，滤波电容C3的两端分别与第四IGBT(T4)的漏级、第三IGBT(T3)的源级连接，滤波电容C4的两端分别与第二IGBT(T2)、第四IGBT(T4)的源级连接。第一IGBT(T1)、第二IGBT(T2)、第三IGBT(T3)、第四IGBT(T4)的栅极与逆变驱动电路的的驱动信号输出端连接。第一IGBT(T1)的源级连接电流传感器I2、保险管V2、交流接触器K3，第四IGBT(T4)的漏级连接电感L2、交流接触器K3。交流接触器K3的输出端连接有电压传感器U4，电压传感器U4的测量信号输出端与控制系统1的信号输入端连接。电压传感器U4的电压即交流电源220V，交流电源220V的输出端还连接有滤波降压器3，滤波降压器3的输出端连接一直流电源4，直流电源4输出+15V、-15V的直流电以供负载使用，还输出+5V的电源供给整个电源系统各个电路使用。控制系统的信号输入/输出端还连接有LCD显示模块、启动按钮开关。
本实用新型的工作原理：如图2所示，由负载输出设定三相风力发电机M线电压峰值U1max、U1min逆变器直流母线端电压峰值U2min、U2max太阳能蓄电池电压U3的最大峰值取值U3max与最小峰值取值U3min等各项参数，这样根据三相风力发电机线电压和太阳能蓄电池电压的双峰值来对风电系统和光电系统进行控制。如图2所示，当风速达到启动风速时，风电系统进入发电状态，电压传感器U1时刻检测三相风能发电机M的线电压U1，把电压数据值传入控制系统1。电压传感器U3时刻检测太阳能蓄电池电压U3，把电压数据值传入控制系统1。风能发电机M将风能转化为电能，电能为三相交流电，然后再经过三相整流桥整流为直流电，来对逆变器直流端进行充电。当风电系统线电压U1不能满足逆变器要求时，启动光伏电池对逆变器充电，太阳能电池板在有日照时吸收光能，然后转化为电能输出直流电，储存在太阳能蓄电池之中，再通过电路中IGBT(T5)的通断控制，实现对逆变器直流母线端的充电，保证逆变器直流端电压的大小。逆变器直流端的电压传感器U2时刻检测母线端电压，如前面所述配合风力发电机线电压和太阳能蓄电池电压的值来决定逆变器充电方式。控制系统1产生的PWM控制信号通过逆变驱动芯片对IGBT单相桥触发实现对逆变器直流端的电压的逆变。逆变器的直流电压输入端加入直流保险管V1进行保护，来防止IGBT单相桥误导通而产生桥臂的电流直通；电流传感器I1时刻检测逆变器电流，防止冲击电流。电压传感器U4时刻检测逆变器输出端电压值，当输出端电压因负载加大而产生电压降低时，可适当增加输出端电压值。电流传感器I2时刻检测逆变器的输出端电流，当检测出过电流或冲击电流时，可控制电流接触器K3进行断路保护。逆变器输出端加入交流保险管V2进行短路保护，防止负载端短路，输出220V的交流电供给负载使用。当进行风-光发电切换时，会有一定的冲击电压，交流电压输出端引入有源滤波降压器3可很好地抑制电压谐波，提高电网电压输出质量。
此风光互补独立电源系统主要是针对偏远山区家庭用户和供电紧张城市用户。一般输出端电压的取值为220V/50Hz，考虑到电路中电阻、电感消耗和其他能量消耗，所以整套系统的参数取值可设定为：最大输出功率2KW；逆变器直流母线端电压峰值U2min＝205V，U2max＝210V；三相风力发电机线电压峰值U1min＝155V，U1max＝161V，CVT的MPPT式恒压控制值U1c＝158V；太阳能蓄电池直流电压峰值U3min＝215V，U3max＝221V，CVT的MPPT式恒压控制值U3c＝218V；交流保险丝熔断值9.1A；直流保险丝熔断值10.1A；电流传感器I1报警值Ii＝8A，电流传感器I2报警值Ii＝7.2A，电感值L＝1mH。
利用Matab仿真软件，对风电系统和光电系统在电流闭环控制基础上进行CVT的MPPT仿真，波形如图3和图4所示。由充电波形图可以看出：采用此控制方式后，风电装置的充电电流波动较小，而光电装置的充电电流波动很小，这样风电系统和光电系统输出电压即可稳定在一定范围内，也不会造成大的电流冲击，而波动造成的谐波可利用输出端的滤波稳压器消除。本套系统具有过电流和过电压的完善保护功能，能向家用负载提供不间断供电，可解决边远地区和供电紧张城市用户用电困难的问题。

Claims (10)

1.一种风光互补独立电源系统，其特征征于：包括风能发电系统、光能发电系统、控制系统和逆变系统，风能发电系统的输出端与光能发电系统的输出端与逆变系统的输入端连接，逆变系统的输出端用来连接负载，风能发电系统、光能发电系统和逆变系统的控制信号端均与控制系统的输出控制信号端相连接。
2.根据权利要求1所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的逆变系统包括逆变驱动电路和逆变电路，逆变驱动电路的信号控制端与控制系统的信号输出端连接，逆变驱动电路的驱动信号输出端与逆变电路的驱动信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的逆变电路包括由四个大功率绝缘栅极晶体管构成的单相桥电路。
4.根据权利要求3所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的逆变电路的输出端还连接有滤波降压器，滤波降压器的输出端连接直流电源。
5.根据权利要求1至4任一所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的风能发电系统包括风力发电机和整流电路，整流电路的输入端与控制系统的信号控制端之间还连接有第一最大功率点跟踪器，风力发电机的输出端还连接有卸载电阻。
6.根据权利要求5所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的太阳能发电系统包括太阳能光伏阵列，直流变换器和蓄电池，直流变换器与控制系统之间还连接有第二最大功率点跟踪器。
7.根据权利要求6所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的太阳能发电系统的输出端与逆变电路的输入端之间连接有一LC滤波电路，其中电容的一端通过连接电流接触器与一绝缘栅双极型晶体管的漏极连接，另一端通过连接电流接触器和电感的一端，电感的另一端和绝缘栅双极型晶体管的源极与逆变电路的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的风力发电机的输出端连接有第一电压传感器，逆变电路的输入端连接有第二电压传感器，所述的太阳能发电系统的输出端连接有第三电压传感器，所述的逆变电路的输出端连接有第四电压传感器；逆变电路的输入端还连接有第一电流传感器，逆变电路的输出端还连接有第二电流传感器，太阳能发电系统的输出端还连接有第三电流传感器；所述的各个电压传感器与各个电流传感器的测量信号输出端均连接控制系统的信号输入端。
9.根据权利要求8所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的整流电路的输入端与逆变电路的输出端均连接有电流接触器。
10.根据权利要求9所述的风光互补独立电源系统，其特征在于：所述的逆变电路的输入端还连接有直流保险管，逆变电路的输出端还连接有交流保险管。
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