專利名稱：一種基于電容混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于電容混合蓄能的風力發(fā)電、光伏發(fā)電、市電互補的供電系統(tǒng)，特別涉及優(yōu)先高效利用超寬范圍風速和光照條件下的風能和光能的不間斷供電裝置。
背景技術：
隨著能源危機的日益突出，風力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電技術應用越來越廣泛，由于風光資源的天然互補性，風力發(fā)電、光伏發(fā)電互補可以提供更多的電力資源。風光、市電互補供電系統(tǒng)各發(fā)電單元可以獨立控制也能協(xié)調(diào)工作，供電安全性和可靠性比較 高，可以為通信設施和居民生活提供不間斷電力，節(jié)約電力資源，減少環(huán)境污染。當前一般系統(tǒng)構成是太陽能或風力發(fā)電機發(fā)出的電力通過充電控制器向蓄電池或超級電容器充電，負載的供電是由蓄電池或超級電容器儲存的能量經(jīng)逆變器逆變成交流供給。由于自然界的太陽光和風速變化是不可預測的，所以風光互補系統(tǒng)的電力輸出不穩(wěn)定，當風光互補發(fā)電裝置所出的電壓低于蓄電池或超級電容器的電壓時就不能向蓄電池或超級電容器充電，此時風光互補發(fā)電裝置所出的電力利用率非常低，這樣的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的能量實際利用率很低，且蓄電池或超級電容器的儲能裝置成本高，體積大。中國專利CN2723723Y公開了一種風光互補系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用可充電蓄電池作為儲能裝置。太陽能電池產(chǎn)生的電力通過最大功率跟蹤后，經(jīng)過蓄電池充電控制回路給蓄電池充電，風力發(fā)電機產(chǎn)生的電力通過整流以后經(jīng)過蓄電池充電控制回路給蓄電池充電，蓄電池充電控制回路根據(jù)預設的電池溫度不斷調(diào)整充電的截止電壓。蓄電池和直流母線連接，蓄電池通過逆變器給負載提供交流電力。中國專利CN101286655A公開了一種基于超級電容器儲能的風力發(fā)電、光伏發(fā)電互補供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超級電容器組作為儲能裝置。太陽能電池產(chǎn)生的電力通過最大功率跟蹤后，經(jīng)過超級電容器組充電控制回路給超級電容器組充電，風力發(fā)電機或市電產(chǎn)生的電力通過整流以后經(jīng)過超級電容器組充電控制回路給超級電容器組充電。超級電容器組和直流母線連接，超級電容器組通過逆變器給負載提供交流電力。以上專利均采用儲能系統(tǒng)給負載供電，但如果風速較低時風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速非常低，因此發(fā)出的電壓經(jīng)過整流后達不到蓄電池或超級電容器組的電壓，無法給蓄電池或超級電容器組充電，這時風能就無法被利用。同樣，當光照較低時，太陽能電池所發(fā)出的電壓也比較低，這時也無法將太陽能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池或超級電容器組充電。也就是說只有風光發(fā)出的電壓高于蓄電池或超級電容器組的母線電壓時才能夠?qū)︼L光的能量進行利用。當風光發(fā)出的電壓低于蓄電池或超級電容器組的母線電壓時，風光互補發(fā)電系統(tǒng)就無法繼續(xù)給蓄電池或超級電容器組充電。導致這些能源被白白浪費掉。中國專利CN101540568A公開了一種高效率風光互補發(fā)電控制裝置，該專利中為了能夠擴大風力發(fā)電機的可利用風速的范圍，及擴大太陽能發(fā)電的可利用光照范圍，利用互補發(fā)電的兩個升/降壓DC/DC變換器通過全數(shù)字化風光互補發(fā)電控制器進行控制并實現(xiàn)交錯并聯(lián)向蓄電池充電，并向負載供電。該專利在負載較輕且風力最大時，如遇到強風等大風情況下，負荷不能被及時的消耗，風力發(fā)電機處于輕載或微載狀態(tài)時，發(fā)出的電壓會急劇升高，遠遠高于額定電壓，導致升降壓DC/DC變換器中的電容33兩端相關電路處于很高的電壓，對相關電路的電子元器件耐壓要求相應增加，使電子元器件成本增加；并且風力發(fā)電機葉片會因此而高速旋轉(zhuǎn)，使風力發(fā)電機的磨損加劇，嚴重時甚至會產(chǎn)生飛車現(xiàn)象，發(fā)生安全隱患。綜上所述，目前的風光互補供電系統(tǒng)均采用容量較大的儲能裝置，成本較高，體積大，維護不便，采用蓄電池儲能的裝置，污染嚴重，使用壽命短；采用超級電容儲能的裝置，其維護系統(tǒng)及保障系統(tǒng)復雜，成本非常大
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術所存在的主要問題，提供一種基于電容混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置。主要目的就是最大程度的節(jié)約市電，最大程度的利用風光發(fā)出的能源為負載供電。本發(fā)明可以最大限度的利用微風及弱光發(fā)出的能源，優(yōu)先高效利用風光互補供電，為負載提供不間斷電源。本發(fā)明通過AC (DC) /DC風光控制器對風力發(fā)電機和太陽能發(fā)出的低電壓進行升壓，對風力發(fā)電機和太陽能發(fā)出的高電壓進行(分流)限壓，最后在母線高壓電容上得到相對穩(wěn)定的直流電壓加以利用。另市電通過AC/DC降壓變換器對市電進行穩(wěn)壓處理。風和光所發(fā)出的電壓及AC/DC降壓變換器降壓處理的市電，并入高壓電容組母線上進行混合，再供給DC/AC逆變器，經(jīng)DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換為交流電源為負載供電。利用兩路直流并聯(lián)供電，負載功率將由電壓高的那路電源獲取的原理。通過提高AC(DC)/DC風光控制器輸出電壓和降低進入電容組的市電AC/DC降壓變換器輸出電壓，可以最大程度的利用風光能源及節(jié)約市電。本發(fā)明的實現(xiàn)的本發(fā)明由風力發(fā)電機I、太陽能電池2、市電接口 3、AC (DC)/DC風光控制器4、AC/DC降壓變換器5、電壓混合電容組6、DC/AC逆變器7、負載8組成。風力發(fā)電機功率輸出端與AC(DC)/DC風光控制器的風力發(fā)電接口相連接，太陽能電池輸出端與AC (DC) /DC風光控制器的光伏發(fā)電接口相連接，市電接口與AC/DC降壓變換器輸入接口相連接。另AC(DC)/DC風光控制器的輸出端與電壓混合電容組直流母線相連接，AC/DC降壓變換器輸出端與電壓混合電容組直流母線相連接，電壓混合電容組的直流母線與DC/AC逆變器的輸入端相連接，負載直接連接到DC/AC逆變器的輸出端。AC (DC) /DC風光控制器由控制器對整流后的風光電壓及輸出電壓進行檢測監(jiān)視，控制器的電壓信號分別通過輸入電壓傳感器及輸出電壓傳感器提供，并通過升壓控制電路或卸放控制電路來控制輸出電壓，使輸出電壓達到一個穩(wěn)定值。利用AC (DC)/DC風光控制器中的控制策略完成風光電發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制。電壓混合電容組通過二極管和電容組對輸入電壓進行混合及蓄能，并使風光電發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電通過DC/AC逆變器后直接供應給負載?？墒〉粜铍姵鼗虺夒娙萜鹘M這種儲能裝置，節(jié)約成本。本發(fā)明的一個效果在于，能夠提供不間斷的供應電源，使市電、風光電的轉(zhuǎn)換時間為零。且市電、風光電的轉(zhuǎn)換過程簡單，可靠性高。
本發(fā)明的另外一個效果在于，通過少量高壓電解電容或超級電容蓄能，省掉龐大的蓄電池或超級電容器組儲能系統(tǒng)，使產(chǎn)品體積減小，電路成本降低。采用電解電容或超級電容蓄能，能夠充分發(fā)揮電解電容或超級電容高功率密度、循環(huán)壽命長、維護簡單、無污染等優(yōu)點。本發(fā)明的另外一個效果在于，通過AC(DC)/DC風光控制器把頻率不穩(wěn)定寬范圍的風電轉(zhuǎn)換為直流電壓，并對直流電壓的峰值進行限制。本發(fā)明的另外一個效果在于，通過AC(DC)/DC風光控制器對低于母線的太陽能電壓進行電壓提升利用對高電壓進行峰值限制。本發(fā)明的另外一個效果在于，通過AC/DC降壓變換器對市電的輸出電壓進行限定，將輸入交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵隹勺兊闹绷麟娫础?
本發(fā)明的另外一個效果在于，通過AC(DC) /DC風光控制器可以對使用風電、光電、市電的比例進行調(diào)配，可最大限度的使用風能或光能，可以捕獲更多的可再生能源，節(jié)約市電。本發(fā)明的另外一個效果在于，通過電壓混合電容組，把風電、光電及市電電源進行混合，并送給電容組，把電容組上的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓穩(wěn)定的電源輸出。


圖I是本發(fā)明工作原理框圖；圖2是本發(fā)明AC (DC) /DC風光控制器原理圖；圖3是本發(fā)明BOOST升壓變換器原理圖；圖4是本發(fā)明AC/DC降壓變換器原理圖；圖5是本發(fā)明電壓混合電容組原理具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。如圖I所示為本發(fā)明一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，該實施包括風力發(fā)電機I、太陽能電池2、市電接口 3、AC (DC) /DC風光控制器4、AC/DC降壓變換器5、電壓混合電容組6、DC/AC逆變器7、負載8、直流母線9。其中風力發(fā)電機I通過AC (DC) /DC風光控制器4與電壓混合電容組6連接，太陽能電池2通過AC (DC) /DC風光控制器4與電壓混合電容組6連接，市電接口 3通過AC/DC降壓變換器5與電壓混合電容組6連接，電壓混合電容組6輸出端與DC/AC逆變器7連接，DC/AC逆變器7輸出端與負載8連接。電壓混合電容組6中電容組可采用大的電解電容或是超級電容。圖2所示為本發(fā)明本發(fā)明AC (DC) /DC風光控制器4，它由風電整流器401、光電整流器402、輸入濾波電感403、輸入濾波電容404、輸入電壓傳感器405、泄荷負載406、可控功率開關407、控制器408、BOOST升壓變換器409、續(xù)流二極管410、輸出濾波電容411、輸出電壓傳感器412、輸出隔離二極管413組成。風電整流器401將風力發(fā)電機發(fā)出的電壓轉(zhuǎn)直流電壓后送入輸入濾波電感403，光電整流器402對太陽能的電源進行極性識別后送入輸入濾波電感403，輸入濾波電容404與輸入濾波電感403對輸入的風電電壓及光電電壓進行濾波，輸入電壓傳感器405的輸入端與輸入濾波電感403的輸出端連接,輸入電壓傳感器405的輸出端與直流母線的負端％連接，對輸入電壓進行檢測并送入控制器408，泄荷負載406用于當Kl點的電壓高于設定電壓時，釋放掉多余電壓，以保持Kl點電壓的穩(wěn)定?？煽毓β书_關407的輸入端與泄荷負載406連接，可控功率開關407的輸出端與直流母線的負端9b連接。BOOST升壓變換器409用于當Kl點的電壓低于設定電壓時，對輸入電壓進行升壓處理，以保持K2點電壓的穩(wěn)定。續(xù)流二極管410用于降壓斬波時對K2點電壓的續(xù)流。輸出濾波電容411于對輸出電壓的濾波。輸出電壓傳感器412對輸出電壓進行檢測并送入控制器408，輸出隔離二極管413防止直流母線9a端的電流倒流，影響AC (DC) /DC風光控制器4的功能。圖3所不為本發(fā)明BOOST升壓變換器409,它由升壓電感4091,可控功率開關4092、功率整流二極管4093組成。升壓電感4091的輸入端與輸入濾波電感403的輸出端連接，可控功率開關4092的輸入端與升壓電感4091的輸出端連接，可控功率開關4092的輸出端與直流母線的負端9b連接，功率整流二極管4093輸入端與輸入濾波電感403的輸 出端連接，功率整流二極管4093輸出端與直流母線正端9a連接。BOOST升壓變換器409用于對微風或弱光產(chǎn)生的低于直流母線9的電壓進行提升利用。圖4所示為本發(fā)明AC/DC降壓變換器5，它由交流輸入整流器501、輸入濾波電感502、輸入濾波電容503、可控功率開關504、控制器505、功率二極管506、輸出整流電感507、輸出濾波電容508、輸出電壓傳感器509、輸出隔離二極管510組成。交流輸入整流器501用于對交流市電進行整流，輸入濾波電感502及輸入濾波電容503用于對輸入電壓濾波后送入可控功率開關504，控制器505對可控功率開關504進行調(diào)整，以使輸出電壓保持穩(wěn)定。輸出整流電感507對電壓進行數(shù)字化降壓處理，功率二極管506、輸出整流電感507及輸出濾波電容508組成BUCK降壓電路，對輸入的交流市電進行降壓處理。輸出電壓傳感器509對輸出電壓進行取樣，并將輸出取樣電壓送入控制器505。輸出隔離二極管510防止直流母線9a端的電流倒流，影響AC/DC降壓變換器5的功能。在實際應用中，AC/DC降壓變換器5的輸出電壓要求低于AC (DC) /DC風光控制器4輸出的電壓，但要滿足DC/AC逆變器7的最低正常工作電壓要求，以保持AC (DC)/DC風光控制器4輸出的電壓被優(yōu)先使用，以降低市電使用率，節(jié)約市電能源及最大限度的利用風光資源。圖5所示為本發(fā)明電壓混合電容組6，它由大容量的高壓電解電容601組成。高壓電解電容601也可由超級電容組替代。多個高壓電解電容601并聯(lián)后對AC (DC)/DC風光控制器4輸出的電壓及AC/DC降壓變換器5輸出的電壓進行混合，并對輸入電壓蓄能，再供給DC/AC逆變器7?；旌想娙萁M6容量由DC/AC逆變器7的啟動電感性負載所需的最大瞬時能量來決定，因此混合電容組6無需巨大的容量，可以大大節(jié)約成本。
權利要求
1.一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，其特征在于包括風力發(fā)電機I、太陽能電池2、市電接口 3、AC(DC)/DC風光控制器4、AC/DC降壓變換器5、電壓混合電容組6、DC/AC逆變器7、負載8、直流母線9。其中風力發(fā)電機I通過AC (DC)/DC風光控制器4與電壓混合電容組6連接，太陽能電池2通過AC (DC) /DC風光控制器4與電壓混合電容組6連接，市電接口 3通過AC/DC降壓變換器5與電壓混合電容組6連接，電壓混合電容組6輸出端與DC/AC逆變器7連接，DC/AC逆變器7輸出端與負載8連接。電壓混合電容組6中電容組可采用大的電解電容或是超級電容。
2.如權利要求I所述的一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，其特征在于風電整流器401將風力發(fā)電機發(fā)出的電壓轉(zhuǎn)直流電壓后送入輸入濾波電感403，光電整流器402對太陽能的電源進行極性識別后送入輸入濾波電感403，輸入濾波電容404與輸入濾波電感403對輸入的風電電壓及光電電壓進行濾波，輸入電壓傳感器405的輸入端與輸入濾波電感403的輸出端連接,輸入電壓傳感器405的輸出端與直流母線的負端％連接，對輸入電壓進行檢測并送入控制器408，泄荷負載406用于當Kl點的電壓高于設定電壓時，釋放掉多余電壓，以保持Kl點電壓的穩(wěn)定?？煽毓β书_關407的輸入端與泄荷負載406連接，可控功率開關407的輸出端與直流母線的負端9b連接。BOOST升壓變換器409用于當Kl點的電壓低于設定電壓時，對輸入電壓進行升壓處理，以保持K2點電壓的穩(wěn)定。續(xù)流二極管410用于降壓斬波時對K2點電壓的續(xù)流。輸出濾波電容411于對輸出電壓的濾波。輸出電壓傳感器412對輸出電壓進行檢測并送入控制器408，輸出隔離二極管413防止直流母線9a端的電流倒流，影響AC (DC) /DC風光控制器4的功能。
3.如權利要求I所述的一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，其特征在于升壓電感4091的輸入端與輸入濾波電感403的輸出端連接，可控功率開關4092的輸入端與升壓電感4091的輸出端連接，可控功率開關4092的輸出端與直流母線的負端9b連接，功率整流二極管4093輸入端與輸入濾波電感403的輸出端連接，功率整流二極管4093輸出端與直流母線正端9a連接。BOOST升壓變換器409用于對微風或弱光產(chǎn)生的低于直流母線9的電壓進行提升利用。
4.如權利要求I所述的一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，其特征在于變流輸入整流器501用于對交流市電進行整流，輸入濾波電感502及輸入濾波電容503用于對輸入電壓濾波后送入可控功率開關504,控制器505對可控功率開關504進行調(diào)整，以使輸出電壓保持穩(wěn)定。輸出整流電感507對電壓進行數(shù)字化降壓處理，功率二極管506、輸出整流電感507及輸出濾波電容508組成BUCK降壓電路，對輸入的交流市電進行降壓處理。輸出電壓傳感器509對輸出電壓進行取樣，并將輸出取樣電壓送入控制器505。輸出隔離二極管510防止直流母線9a端的電流倒流，影響AC/DC降壓變換器5的功能。在實際應用中，AC/DC降壓變換器5的輸出電壓要求低于AC (DC) /DC風光控制器4輸出的電壓，但要滿足DC/AC逆變器7的最低正常工作電壓要求，以保持AC (DC) /DC風光控制器4輸出的電壓被優(yōu)先使用，以降低市電使用率，節(jié)約市電能源及最大限度的利用風光資源。
5.如權利要求I所述的一種基于電容器混合蓄能的高效率風光、市電互補供電裝置，其特征在于多個高壓電解電容601并聯(lián)后對AC (DC) /DC風光控制器4輸出的電壓及AC/DC降壓變換器5輸出的電壓進行混合，并對輸入電壓蓄能，再供給DC/AC逆變器7?；旌想娙萁M6容量由DC/AC逆變器7的啟動電感性負載所需的最大瞬時能量來決定，因此混合電容 組6無需巨大的容量，可以大大節(jié)約成本。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于電容混合蓄能的風力發(fā)電、光伏發(fā)電、市電互補的供電系統(tǒng)。它由風力發(fā)電機1、太陽能電池2、市電接口3、AC(DC)/DC風光控制器4、AC/DC降壓變換器5、電壓混合電容組6、DC/AC逆變器7、負載8組成。利用兩路直流并聯(lián)供電，負載功率將由電壓高的那路電源獲取的原理。通過提高AC(DC)/DC風光控制器輸出電壓和降低進入電容組的市電AC/DC降壓變換器輸出電壓，可以最大程度的利用風光能源及節(jié)約市電。
文檔編號H02M3/155GK102882280SQ201110194689
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權日2011年7月12日
發(fā)明者祁延年, 孫金余, 貢軍民 申請人:上海誠控電子科技有限公司, 上海盛東國際集裝箱碼頭有限公司