CN101789618B - 风光互补型太阳能供电*** - Google Patents

风光互补型太阳能供电*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风光互补型太阳能供电***，其包括太阳能电池板、风机***、太阳能控制器、蓄电池，风机***包括风力发电机、将风力发电机输出交流电整理为直流电的风机控制器；太阳能控制器分别与太阳能电池板、蓄电池连接，用于：控制太阳能电池板发电状态、控制蓄电池的充电和放电、控制风光互补型太阳能供电***为负载供电回路的开启和关闭、采集蓄电池电压、电流；风光互补型太阳能供电***还包括连接风机控制器、太阳能控制器的风机输入板；所述风机输入板用于当风机控制器输出电压低于蓄电池电压时自动切断所述风力发电机的电流回路，从而避免蓄电池向风力发电机反灌电流对风光互补型太阳能供电***造成的严重损害。

Description

风光互补型太阳能供电***
【技术领域】
本发明涉及一种混合供电***，具体涉及风光互补型太阳能供电***。
【背景技术】
近几年来，随着各国对自然能源应用的迫切需求，太阳能、风能越来越多的被推广到各个领域，风光互补型太阳能供电***应运而生。风光互补型太阳能供电***由太阳能电池板、风机***、太阳能控制器、蓄电池等组成。风机***包含风力发电机和风机控制器。太阳能控制器是用以控制太阳能电池板、控制对蓄电池的充电和放电、控制***电流输出的开启和关闭。风力发电机输出的电流经风机控制器整流后直接连接在蓄电池母线上，当风力发电机输出电压较低时，风力发电机不能从蓄电池上脱离，以致蓄电池向风力发电机反灌电流，对风光互补型太阳能供电***造成严重损害。
【发明内容】
本发明的目的是解决上述现有技术的风光互补型太阳能供电***中当风力发电机输出电压较低时蓄电池会向风力发电机反灌电流的问题，提供一种能对风机***的输出进行开关控制的风光互补型太阳能供电***。
一种风光互补型太阳能供电***，包括：太阳能电池板、风机***、太阳能控制器、蓄电池，风机***包括风力发电机、将风力发电机输出交流电整理为直流电的风机控制器；太阳能控制器分别与太阳能电池板、蓄电池连接，用于：控制太阳能电池板发电状态、控制蓄电池的充电和放电、控制风光互补型太阳能供电***为负载供电回路的开启和关闭、采集蓄电池电压、电流；风光互补型太阳能供电***还包括连接风机控制器和太阳能控制器的风机输入板；所述风机输入板用于当风机控制器输出电压低于蓄电池电压时自动切断所述风力发电机的电流回路。
采用上述技术方案的有益效果在于：通过设置连接所述风机控制器和太阳能控制器的风机输入板，能在风力发电机输出电压低于蓄电池电压时，将风力发电机与蓄电池断开，从而可以避免蓄电池向风力发电机反灌电流对风光互补型太阳能供电***造成的严重损害。
【附图说明】
图1是本发明的***框图；
图2是本发明一个具体实施方式的结构图；
图3是风机输入板的原理图；
图4是本发明一个具体实施方式的风力发电机发生充电故障时电压保护逻辑判断流程图；
图5是本发明一个具体实施方式的风力发电机发生放电故障时电压保护逻辑判断流程图；
图6是本发明一个具体实施方式的蓄电池电压大于过压告警点、但小于过压保护点时进行电流保护的逻辑判断流程图；
图7是本发明一个具体实施方式的蓄电池电压超过过压保护点时进行电流保护的逻辑判断流程图。
【具体实施方式】
实施例1
一种风光互补型太阳能供电***，如图1所示，包括：太阳能电池板、风机***、风机输入板、太阳能控制器、蓄电池，风机***包括风力发电机、将风力发电机输出交流电整理为直流电的风机控制器；太阳能控制器分别与太阳能电池板、蓄电池连接，用于：控制太阳能电池板发电状态、控制蓄电池的充电和放电、控制风光互补型太阳能供电***为负载供电回路的开启和关闭、采集蓄电池电压、电流；风机控制器输出回路经风机输入板接入太阳能控制器；风机控制器输出电压低于蓄电池电压时，风机输入板自动切断所述风力发电机的电流回路。
通过增设的风机输入板，能在风力发电机输出电压低于蓄电池电压时，将风力发电机与蓄电池断开，从而可以避免蓄电池向风力发电机反灌电流对风光互补型太阳能供电***造成的严重损害。
实施例2
风光互补型太阳能供电***，如图1、图2，包括：4个太阳能电池板(U1、U2、U3、U4)、两个风机***、太阳能控制器、两个蓄电池B1、B2，风机***包括风力发电机、将风力发电机输出交流电整理为直流电的风机控制器；太阳能控制器分别与太阳能电池板的功率输入板、蓄电池B1、B2连接，太阳能控制器作用为：控制阳能电池板发电状态、控制蓄电池B1、B2的充电和放电、控制风光互补型太阳能供电***为重要负载设备、次要负载设备供电回路的开启和关闭、采集蓄电池电压、电流B1、B2；风光互补型太阳能供电***还包括连接风机控制器和太阳能控制器的风机输入板；风机输入板是一具有电压采集单元和电流采集单元的开关电路，当风机控制器输出电压低于蓄电池B1、B2电压时，风机输入板自动切断风力发电机的电流回路。
风机输入板的原理图如图3所示，该风机输入板接入风机控制器负极与电池负极之间的回路上，该风机输入板由两个N沟道增强型MOS管源极对接串联构成的，经MOS两漏极串入风机控制器负极回路；三极管是NPN型三极管，三极管基极经限流电阻R2后接风机控制器负极，三极管发射极接MOS管源极，三极管集电极接两MOS栅极；其中限流电阻R2阻值为数千欧；三极管作用为钳位保护电路；风机控制器输出电压高于蓄电池电压时，三极管截止、电流经MOS管对蓄电池充电，风机控制器输出电压低于蓄电池电压时，风机控制器负极相对蓄电池为正压，该正压通过三极管及临近蓄电池的MOS管Q2的体二极管，三极管的导通导致集电极电位被拉低，也就是MOS管栅极控制电位Dr+被拉低，从而切断两MOS管的导通，即风力发电机回路切断，避免蓄电池向风力发电机反灌电流。
电压采样单元是连接在风机控制器负极上的电压采样电阻R1，电压采样电阻将WindVolt-传输至太阳能控制器。
电流采样单元是设置在为设置在风机控制器回路上的分流器RD1，分流器RD1将采集的发电机电流信号传输至太阳能控制器。
太阳能控制器包括能对电压或电流异常做逻辑判断的逻辑判断模块、对电压或电流异常告警的告警装置。
太阳能控制器对采集的风力发电机对蓄电池的风力发电机电流逻辑判断：风机控制器处于开路时，理论电流应该为0A，考虑到采样误差的存在，本***误差为+/-1A，因此本***中该预设短路电流阈值点设为2A，该预设短路电流阈值点可根据自身***误差进行调节；当风机控制器开路电流大于预设短路电流阈值点2A且持续数秒(本实施例为10秒)时，太阳能控制器将风力发电机断开并告警；此告警是电路故障，无恢复条件，需要手动清除。
当风力发电机出现充电过流故障时，太阳能控制器对采集的风力发电机对蓄电池的风力发电机电流进行如图4所示的逻辑判断：当风力发电机充电电流大于预设保护点电流、并持续数秒(本实施例为5秒)时，断开风力发电机，并发出发电机大电流报警信号，延迟3～48小时(本实施例为12小时)后重新开启风力发电机。然后重新恢复该逻辑判断。风力发电机出现放电故障时，太阳能控制器对采集的风力发电机对蓄电池的风力发电机电流进行如图5所示的逻辑判断：当风力发电机电流反向小于预设电流(本实施例为-5安)并持续预设时间数秒(本实施例为3秒)后，断开风力发电机，并输出电流反向警报；该故障属于硬件故障，不可通过软件逻辑自动恢复，只能人工清除故障、警报，清除之后，若无其它异常情况，则重新开启风力发电机。
本风光互补型太阳能供电***还具有蓄电池电压保护与告警功能，该功能分A、B、C、D共4种逻辑判断模式：
A、太阳能控制器对采集到的风机控制器开路电压进行逻辑判断，对异常故障进行保护和告警。当风机控制器开路电压超过预设卸载电压上限(本实施例为58V)并持续数秒(本实施例为5秒)后，则不可恢复地将风力发电机回路断开并告警；预设卸载电压上限是风力发电机输出的最大直流电电压。此告警是电路故障，无恢复条件，需要手动清除。
B、太阳能控制器对风力发电机的充电回路进行通路断逻辑判断，对风机控制器充电回路故障进行保护和告警。风力发电机对蓄电池进行充电时，风机口电压与电池电压应基本相等，两者之间的差别是存在MOS管Vds压降及采样误差；VDS压降在额定电流时最大，本***为0.35V，采样误差为+/-0.5V，因此实际可能存在的误差为0.35+0.5+0.5＝1.35V，根据此数值将阈值设定为+/-2V，当太阳能控制器采集的风力发电机电压与蓄电池电压差值大于阈值+/-2V且延迟数数秒(本实施例为10秒)时，太阳能控制器则不可恢复的将风力发电机回路断开并告警。此告警是电路故障，无恢复条件，需要手动清除。
上述判断告警的时候，鉴于风机输入板钳位保护电路的存在，在风机输入板断开一次后，再导通的时候，如果此时无风，则会出现风机控制器短路电压远低于蓄电池电压的“假”导通的情况。此时，在判断风机控制器告警的时候，需要增加额外的判断条件。具体操作方式如下所示，在软件中设置以下变量：
SetWindOff：表明控制风机输入板断开的标志位。
WindEverOffFlag：表明风机输入板曾经受控断开过的标志位。
WindCloseVolt：风机短路电压
VBus：蓄电池电压
Time：满足相应条件的持续时间，用于告警延时用。
实际软件处理流程为：
每当满足某种条件，关闭风机输入板后，即SetWindOff＝＝1为真后，置位标志位WindEverOffFlag＝1。
每当满足条件，风机输入板重新导通后，如果检测到风机输入板短路电压上升到与蓄电池电压相近，且持续一定时间后，清除WindEverOffFlag＝0。该判断的含义为：风机输入板重新导通后，环境有风后，风机输入板输出电压升高到电池电压附近时，风机输入板实现真正导通。表明输入通路已经恢复正常。
风力发电机通路断的判断条件分为两种(两种条件为相或关系)：
当风机控制器短路电压比电池电压大2V且持续超过10秒，此时可直接判断风力发电机通路断告警。
当风机输入板短路电压比电池电压小2V且持续时间超过10秒，此时需要判断WindEverOffFlag的状态，如果WindEverOffFlag＝1，表明风机输入板再经历上一次受控制开，再导通的后，环境一直没有风，输入通路处于“假导通”状态，此时即使满足告警判断的条件，也不告警；如果WindEverOffFlag＝0，则表明风机输入板再经历上一次受控断开，再导通后，环境出现了有风天气，输入通道已经恢复正常导通状态，如果此时满足告警条件，则进行告警。
太阳能控制器根据采集的风机控制器电压信号、蓄电池电压信号，能进行逻辑对比分析，从而对风机控制器电压异常保护与告警。具体判断模式为如下解释的C、D种逻辑判断模式。
C、蓄电池电压(VBus)大于过压告警点，且小于过压保护点时。太阳能控制器对采集的蓄电池电压进行如图6所示的逻辑判断：a、蓄电池电压大于过压告警点但小于过压保护点时，太阳能控制器将太阳能电池板S1、S2、S3、S4逐个关闭，直至蓄电池电压低于过压告警点；当太阳能电池板全部关闭后蓄电池电压仍大于过压告警点，则太阳能控制器将风力发电机关闭；b、当蓄电池电压回落至预设浮充电压范围(本实施例为52V～56V)之间时，重新开启所有太阳能电池板S1、S2、S3、S4和风力发电机；过压告警点小于过压保护点，且均为预设值；太阳能控制器告警可通过告警设备输出，此流程图未示出。
D、蓄电池电压超过过压保护点时，太阳能控制器对采集的蓄电池电压进行如图7所示的逻辑判断：蓄电池电压大于过压保护点时，立即关闭所有太阳能电池板S1、S2、S3、S4和风力发电机；当蓄电池电压回落到预设浮充电压范围(本实施例为52V～56V)之间时，重新开启所有太阳能电池板S1、S2、S3、S4和风力发电机。
由于自然界的太阳光和风速变化是不可预测的，所以风光互补***的电力输出不稳定，此外，当出现极端恶劣天气、线路故障等意外情况时，***可能会停止电力供应，导致蓄电池亏电、负载将无法正常工作。本风光互补型太阳能供电***预留有油机发电机组和/或通信电源接口，当太阳能和风能输入不足时，太阳能控制器将油机发电机组和/或通信电源接口与蓄电池池接通，进行应急充电。
为了避免***受到雷电破坏，在风里发电机回路、太阳能回路、重要负载设备、次要负载设备上均设置有防雷装置，油机/通信电源接口上设置有防雷板。
本实施例中，多处采用延迟执行(即延迟数秒)的逻辑判断模式，能避免电压采样或电流采样异常跳动给***带来错误动作。
以上内容是结合具体实施实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种风光互补型太阳能供电***，包括：太阳能电池板、风机***、太阳能控制器、蓄电池；所述风机***包括风力发电机、将所述风力发电机输出的交流电整理为直流电的风机控制器；所述太阳能控制器分别与所述太阳能电池板、蓄电池连接，用于控制所述太阳能电池板的发电状态、蓄电池的充电和放电、风光互补型太阳能供电***为负载供电的回路的开启和关闭、采集蓄电池电压、电流；其特征在于:还包括连接所述风机控制器和太阳能控制器的风机输入板；所述风机输入板用于当风机控制器输出电压低于蓄电池电压时自动切断所述风力发电机的电流回路；判断所述风机控制器告警时，按照如下方式进行：当所述风机控制器短路电压比所述蓄电池电压大阈值电压且持续时间超过设定时间，此时直接判断所述风力发电机通路断告警；当所述风机输入板短路电压比所述蓄电池电压小阈值电压且持续时间超过设定时间，此时判断：当所述风机输入板经历上一次受控断开，再导通，环境没有风，所述风力发电机的输入通路处于假导通状态，此时即使满足告警判断的条件，也不告警；当所述风机输入板经历上一次受控断开，再导通，环境出现有风天气，所述风力发电机的输入通道已经恢复正常导通状态，如果此时满足告警条件，则进行告警；其中所述假导通状态为在风机输入板断开一次后，再导通的时候，如果此时无风，出现的所述风机控制器短路电压远低于蓄电池电压的情况。
2.根据权利要求1所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于:所述风机输入板包括由MOS管电路和三极管构成的开关电路。
3.根据权利要求2所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于:所述MOS管电路是由两个N沟道增强型MOS管源极串联构成的，经所述N沟道增强型MOS管两漏极串入风机控制器回路；三极管是NPN型三极管，所述NPN型三极管基极经限流电阻后接风机控制器负极，发射极接所述N沟道增强型MOS管源极，集电极接所述两个N沟道增强型MOS管栅极。
4.根据权利要求3所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于:所述NPN型三极管构成钳位保护电路，用于当所述风机控制器输出电压高于蓄电池电压时，所述NPN型三极管截止、电流经所述N沟道增强型MOS管对蓄电池充电，当所述风机控制器输出电压低于所述蓄电池电压时，所述NPN型三极管导通从而切断所述两个N沟道增强型MOS管的导通，即风力发电机回路切断。
5.根据权利要求3所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述风机输入板还包括电压采样单元，所述电压采样单元将电压信号反馈至所述太阳能控制器，所述太阳能控制器根据电压信号选择性的将所述风力发电机与所述蓄电池断开或接通；和/或将所述风力发电机与负载中的至少一个断开或接通。
6.根据权利要求5所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述电压采样单元为分别连接在所述风机控制器负极、太阳能控制器上的电压采样电阻。
7.根据权利要求5所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块用于对采集到的风机控制器开路电压进行逻辑判断，当所述风机控制器开路电压超过预设卸载电压上限并持续数秒后，则不可恢复地将所述风力发电机回路断开并通过所述告警装置告警。
8.根据权利要求5所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块用于对风力发电机的充电回路进行故障逻辑判断：当风力发电机电压与蓄电池电压差值大于所述N沟道增强型MOS管Vds压降及采样误差之和且延迟数秒时，所述太阳能控制器则不可恢复的将所述风力发电机回路断开并通过所述告警装置告警。
9.根据权利要求5所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块用于对采集的蓄电池电压进行逻辑判断，如下：
a、蓄电池电压大于过压告警点但小于过压保护点时，所述太阳能控制器按照先逐个关闭所述太阳能电池板，再关闭所述风力发电机的方式进行控制，直至蓄电池电压低于过压告警点；
b、当蓄电池电压回落至预设浮充电压范围内时，重新开启所有太阳能电池板和风力发电机；
所述过压告警点小于所述过压保护点，且均为预设值。
10.根据权利要求5所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块用于对采集的蓄电池电压进行逻辑判断：所述蓄电池电压大于过压保护点时，立即关闭所有太阳能电池板和风力发电机；当所述蓄电池电压回落到预设浮充电压范围内时，重新开启所有太阳能电池板和风力发电机。
11.根据权利要求1所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述风机控制器的回路上设置有电流采样单元。
12.根据权利要求11所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述电流采样单元设置在所述风机输入板上，所述电流采样单元将电流信号反馈至所述太阳能控制器，所述太阳能控制器根据电流信号选择性的将所述风力发电机与所述蓄电池断开或接通。
13.根据权利要求11所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块用于对采集的风力发电机作用于蓄电池的充电电流进行逻辑判断：当短路电流存在且为放电电流，电流值大于预设短路电流阈值点且持续数秒，所述太阳能控制器将所述风力发电机断开并通过所述告警装置告警。
14.根据权利要求11所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块对采集的风力发电机作用于蓄电池的充电电流进行逻辑判断：当所述风力发电机充电电流大于预设保护点电流时，断开所述风力发电机，延迟3～48小时后重新开启所述风力发电机。
15.根据权利要求11所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块对采集的风力发电机作用于蓄电池的充电电流进行逻辑判断：当风力发电机电流反向并持续预设时间段后，断开所述风力发电机，并通过所述告警装置。
16.根据权利要求11所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：所述太阳能控制器包括逻辑判断模块和告警装置，所述逻辑判断模块对采集的风力发电机作用于蓄电池的充电电流进行逻辑判断：当所述风力发电机与蓄电池处于开路时，且开路风力发电机电流值大于预设偏差电流值时，太阳能控制器则不可恢复地将风力发电机回路断开并告警故障。
17.根据权利要求1所述的风光互补型太阳能供电***，其特征在于：还包括油机发电机组/通信电源接口，当在太阳能和风能输入不足时，所述太阳能控制器将所述油机发电机组/通信电源接口与所述蓄电池接通，进行应急充电。
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