CN103647297B - 一种风光互补发电分散储能控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光互补发电分散储能控制电路，包括风光互补输入单元的最大功率跟踪单元、逆变器单元、蓄电池充放电能量管理单元、工作模式控制电路以及数字控制器单元，可通过手动旋钮或通讯接口设置电路工作于并网发电模式或离网工作模式，当设置电路工作于并网模式中，通过充电电路优先给蓄电池充电，并给电网提供能量，当出现由短时停风或乌云等短时阴影导致太阳能输出变化较大时，由蓄电池通过放电回路继续保持对电网的恒定功率输出，减小对电网输出的瞬时波动，本发明适合于既需工作于并网状态又需工作于离网工作状态的风光互补发电实验或专用***。

Description

一种风光互补发电分散储能控制电路

技术领域

本发明涉及风光互补并网发电领域，特别是涉及一种风光互补发电分散储能控制电路。

背景技术

随着节能减排与低碳经济的发展，大力提倡可再生能源与清洁能源的应用，各种风电、光伏发电装置已经广泛应用于各种工程实践。如：地面风力电站、屋顶光伏发电、光伏建筑一体化发电、户用光伏发电装置等。随着可再生能源的应用越来越广泛，光伏发电应用在其他各种电气设备中的范围也越来越广。

光伏与风电并网逆变器则是直接将输入的直流电，逆变为交流电送到电网。并网型逆变器没有蓄电池单元，风电与光伏发电具有一定的不稳定性，它取决于风力与太阳辐射量的大小。当风力与日光照射发生变化时，并网逆变器的并网电流发生变化，这干扰了电网的稳定运行。特别是在天气中有短时停风、短时乌云等暂态日光辐射变化比较大的情况下，风光互补并网逆变器的输出能量在短时内产生从正常输出到为零再到正常输出，严重影响了电网的稳定运行。研究带储能环节的可再生能源并网技术成为解决这一问题的手段。

目前对可再生能源的并网储能主要是集中式的储能研究，如大容量的锂电池或钠硫电池储能。这种集中式的储能因为电池组的串联、并联单元比较多，很难保持各电池单体的一致性，各种储能电池组由于各单元工作状态差别较大，引起的过温及电池***问题很难完全避免。因此，实有必要提出一种技术手段来解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种风光互补发电分散储能控制电路，其可以在供电电网稳定时，供给储能电池的同时还可以把多余的能量并网发电，在风力与光照强度短时间内变化较大时，能对并网能量削峰填谷，利于调节并网的稳定性。

为达上述及其它目的，本发明提出一种风光互补发电分散储能控制电路，包括：

分散配置的蓄电池；

风光互补输入的最大功率跟踪单元，其输入端接风光互补输入，通过测试风光互补输入输出的电流电压，在数字控制器单元的控制下，使得风光互补输入输出的功率最大；

蓄电池充放电能量管理单元，连接该蓄电池，以完成蓄电池电能与电网电能与风光互补发电电能三者之间的转换；

逆变器单元，将该蓄电池充放电能量管理单元的输出直流转换为并网发电或离网工作所需的交流电；

模式选择信号设定模块，产生模式设定控制信号；

输出电路切换控制模块，选择将逆变器单元所产生的交流电接至电网还是离网负载；

数字控制器单元，产生该风光互补输入的最大功率跟踪单元、该蓄电池充放电能量管理单元和该逆变器单元所需的控制信号，在该模式选择信号设定模块的模式设定控制信号控制下控制该输出电路切换控制模块投切。

进一步地，该风光互补输入的最大功率跟踪单元包括由高频铁粉芯电感器、晶体管（S1）、二极管（D1）组成的升压电路以及电流互感器（CS1）和电压互感器（VS2）；该电流互感器（CS1）检测风光互补输入的输入电流送至该数字控制器单元，该电压互感器（VS2）检测风光互补输入的输入电压送至该数字控制器单元,通过比较风光互补输入的输出电压与输出电流的乘积得到最大功率点，选择最大功率时的该数字控制器单元的输出作为占空比控制该晶体管（S1）。

进一步地，该蓄电池充放电能量管理单元为双向DC/DC电路，包括一个高频铁粉芯电感器（L2）、工作状态互补的两个晶体管（S2与S3）、直流储能电容（C2）以及电压传感器（VS1），当工作在充电方式时，该高频铁粉芯电感器（L2）与晶体管（S2与S3）组成降压斩波电路，从光伏电池来的能量经该最大功率跟踪单元后，再通过该降压斩波电路，给该蓄电池充电；当工作在放电方式时，该高频铁粉芯电感器与该晶体（S2与S3）组成升压电路，该蓄电池能量经该升压电路，给该直流储能电容和该逆变器单元放电；回路在光伏并网工作时，通过该蓄电池充放电回路，能维持并网发电输出功率的稳定。

进一步地，该逆变器单元包括四个晶体管（S4、S5、S6、S7）及其保护二极管，其受控于该数字控制器单元的脉宽调制信号。

进一步地，该模式选择信号设定模块通过手动旋钮或按键开关来设定装置的工作状态；当该手动旋钮或按键开关接高电平信号时，该控制电路工作于并网状态；当该手动旋钮或按键开关接低电平信号时，该控制电路工作于离网工作状态下。

进一步地，该输出电路切换控制模块通过两组双刀双掷开关（K2与K3）设定负载的连接状态，通过电压传感器（VS3）采集负载电压，进行控制逻辑，当该手动旋钮或按键开关接高电平信号，且该负载电压不为零时，使能控制信号输出为“1”，该控制电路正常工作于并网发电状态，并使双刀双掷开关（K2）切换该控制电路输出至接电网端；当该手动旋钮或按键开关接低电平信号，且该负载电压为零时，使能控制信号S输出为“0”，该控制电路正常工作于离网工作状态，并使双刀双掷开关（K3）切换该控制电路输出至接用电负载端。

进一步地，该数字控制器单元包括两个加法器（406、407）、比较器单元（408）、死区控制电路、两个PWM控制信号驱动电路（401、402）、ADC电路、数字PI_I调节器、数字PI_V调节器、电流互感器（CS2）及电压互感器（VS3），在控制模块选择并网发电模式时，该数字控制器单元产生输出电流参考信号接到该加法器（407）的同相输入端，该电流互感器（CS2）检测该逆变器单元的输出电流，该输出电流输送到该加法器（407）的反相输入端，通过该数字PI_I调节器，产生放大后的电流误差信号，该电流误差信号送到该比较器单元408的同相输入端，与该比较器单元的反相输入端输入的该数字控制器单元产生的三角波信号相比较，经死区控制和相位调整驱动后，该数字控制器单元输出相应的脉冲宽度调制信号按电流调节规律控制该逆变器单元。

进一步地，在控制模块选择离网工作状态时，该数字控制器单元产生参考电压信号接到该数字控制器单元中该加法器（406）的同相输入端，该电压互感器（VS3）检测该逆变器单元的输出电压，该输出电压输送到该加法器（406）的反相输入端，通过该数字控制器单元的该数字PI_V调节器产生放大后的电流误差信号，该电流误差信号送到该比较器单元的同相输入端，与该比较器单元的反相输入端输入的该数字控制器单元产生的三角波信号相比较，经死区控制和相位调整驱动后，该数字控制器单元输出相应的脉冲宽度调制信号按电压调节规律控制该逆变器单元。

进一步地，所有晶体管为绝缘栅双极型晶体管。

与现有技术相比，本发明一种风光互补发电分散储能控制电路，实现了一种具有能量存储环节的风光互补发电分散储能控制电路，其可以在供电电网稳定时，供给储能电池的同时还可以把多余的能量并网发电，在风力与光照强度短时间内变化较大时，能对并网能量削峰填谷，利于调节并网的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种风光互补发电分散储能控制电路的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例中数字控制器单元的电路示意图；

图3为本发明一种风光互补发电分散储能控制电路的功能结构方框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种风光互补发电分散储能控制电路的结构示意图，图2为本发明较佳实施例中数字控制器单元的电路示意图。请一并参照图1及图2，本发明一种风光互补发电分散储能控制电路，包括：风光互补输入的最大功率跟踪单元10、蓄电池充放电能量管理单元20、逆变器单元30、数字控制器单元40、模式选择信号设定模块50、输出电路切换控制模块60以及分散配置的蓄电池70。

风电经外接整流器后与光伏组件风光互补输入，风光互补输入一起接至风光互补输入的最大功率跟踪单元10，风光互补输入的最大功率跟踪单元10通过测试风光互补输入输出的电流电压，在数字控制器单元40的控制下，使得风光互补输入输出的功率最大，其包括一个由高频铁粉芯电感器L1、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）（S1）以及快恢复功率二极管D1组成的升压电路与电压互感器VS2、电流互感器CS1；电流互感器（CS1）检测风光互补输入的输出电流送到数字控制器单元40中，电压互感器（VS2）检测光伏电池的输出电压送到数字控制器单元40中；通过比较风光互补输入的输出电压与输出电流的乘积得到最大功率点，选择最大功率时的数字控制器单元40的输出作为占空比控制IGBT（S1），实现光伏最大功率跟踪的目的。

蓄电池充放电能量管理单元20用于完成蓄电池电能与电网电能与风光互补发电电能三者之间的转换，是一个双向DC/DC电路，其由一个高频铁粉芯电感器（L2）、工作状态互补的两个个IGBT（S2与S3）、直流储能电容（C2）以及电压传感器（VS1）组成，当工作在充电方式时，高频铁粉芯电感器L2，IGBT（S2）与IGBT（S3）组成降压斩波电路，从光伏电池来的能量经最大功率跟踪单元10后，再通过降压斩波电路，给蓄电池70充电；当工作在放电方式时，高频铁粉芯电感器L2，IGBTS2与IGBTS3组成升压电路，蓄电池70能量经升压电路，给直流储能电容C2和逆变器单元30放电；回路在光伏并网工作时，通过蓄电池充放电回路，能维持并网发电输出功率的稳定。

逆变器单元30用于将蓄电池充放电能量管理单元20的输出直流转换为并网发电或离网工作所需交流电，由IGBT管S4-S7及其保护二极管组成，其受控于数字控制器单元40的脉宽调制信号PWM。

数字控制器单元40用于产生风光互补输入的最大功率跟踪单元10、蓄电池充放电能量管理单元20和控制逆变器单元30所需控制信号，在模式选择信号设定模块50的模式设定控制信号控制下控制输出电路切换控制模块60投切。在本发明较佳实施例中，数字控制器单元包括加法器406/407、比较器408、死区控制电路409、PWM控制信号驱动电路401/402、ADC电路403、数字PI_V调节器404、数字PI_I调节器405、电流互感器（CS2）、电压互感器（VS3）以及基准电压电流产生电路。

工作模式选择由模式选择信号设定模块50与输出电路切换控制模块60组成，联合控制该控制电路运行于并网发电模式或离网运行模式。模式选择信号设定模块50用于产生模式设定控制信号，其包括一旋钮开关K1，模式选择信号设定模块50通过手动旋钮K1设定控制电路的工作状态；当K1旋至接高电平5V信号时，装置工作于并网状态；当K1旋至接低电平0V信号时，控制电路工作于离网状态下（UPS工作模式），当然旋钮开关K1也可以为按键开关，本发明不以此为限。

输出电路切换控制模块60用于选择将逆变器单元30所产生的交流电接至电网还是离网负载，其包括两组双刀双掷开关，输出电路切换控制模块60通过双刀双掷开关K2设定负载的连接状态，通过电压传感器（VS3）采集负载电压Uf，进行逻辑控制，只有K1接高电平5V信号，且Uf不为零时，使能控制信号S输出为“1”，装置正常工作于并网发电状态，并使开关K2切换装置输出至接电网端；当K1接低电平0V信号，且Uf为零时，使能控制信号S输出为“0”，装置正常工作于离网工作状态（UPS工作模式），并使开关K3切换装置输出至接用电负载端。

在控制部分选择并网发电模式时，控制器产生输出电流参考信号Iref到数字控制器单元40中加法器407的同相输入端（“＋”端子），电流互感器（CS2）检测逆变器单元的输出电流If，输送到数字控制器单元40中加法器407的反相输入端（“－”端子），通过控制环节的数字PI_I调节器405，产生放大后的电流误差信号⊿I，⊿I送到比较器408的同相输入端（“＋”端子），与比较器408的反相输入端（“－”端子）输入的数字控制器单元产生的三角载波信号相比较，控制器输出信号为一系列幅值为3.3V或0V，宽度呈正弦规律变化的脉冲PWM1与PWM2，PWM1与PWM2为驱动信号，用来按电流调节规律控制逆变器单元30。

在控制部分选择离网工作模式时，控制器产生输出电压参考信号Uref到数字控制单元中加法器406的同相输入端（“＋”端子），电压互感器（VS3）检测输出电压Uf，输送到数字控制器单元40中加法器406的反相输入端（“－”端子），通过控制环节的数字PI_V调节器404，产生放大后的电流误差信号⊿U，⊿⊿U送到比较器408的同相输入端（“＋”端子），与比较器408的反相输入端（“－”端子）输入的数字控制器单元产生的三角载波信号相比较，控制器输出信号为一系列幅值为3.3V或0V，宽度呈正弦规律变化的脉冲PWM1与PWM2，PWM1与PWM2为驱动信号，用来按电压调节规律控制控制逆变器单元30。

以下将配合图2对本发明之数字控制单元40做进一步描述。以单相电路为例，经过采样，A相电感的电流If从数字控制器单元的AD采样通道ADC6送入数字控制器单元，A相输出电压Uf从数字控制器单元的AD采样通道ADC10送入数字控制器。由电压外环与电流内环PI调节器控制，经过数字控制器的全比较单元输出A相的驱动信号S4与S5。如果应用于单相***，则只需A相驱动信号，如果需要应用于三相***，把控制部分的给定信号sinθ移相120度与240度后，同样可以得到与A相相差120度的B相SPWM驱动信号S6与S7，与A相相差240度的C相SPWM驱动信号S8与S9。

图3为本发明一种风光互补发电分散储能控制电路的功能结构方框图。***供电正常时，控制电路作为并网逆变器使用，把直流电变为交流电输送到电网中去。首先是风光互补输入的最大功率跟踪电路（最大功率输出），这是升压斩波电路。蓄电池通过一个双向直流直流变换器（双向DC/DC变换电路）连接到直流母线，在蓄电池电压过低时，输入的直流电将通过最大功率跟踪单元和双向变换器给电池充电。输出的能量经直流母线后通过逆变器（DC/AC逆变电路）后，变为交流电。此时，控制电路输出与负载均接到电网，控制方式采用图2的电流环控制为主。

当出现由乌云等短时阴影导致太阳能输出变化较大时，由蓄电池通过放电回路继续保持对电网的恒定输出，减小电网的瞬时波动。蓄电池通过一个双向直流直流变换器（双向DC/DC变换电路）连接到直流母线，通过双向变换器给将能量由逆变器（双向DC/DC变换电路）后，变为交流电。此时，装置输出与负载均接到电网，控制方式也采用图3的电流环控制为主。

当***停电时，装置输出切换至负载端，利用风光发电和蓄电池储存的能量，供给供电负载。此时，光伏和蓄电池通过双向直流直流变换器（双向DC/DC变换电路）连接到直流母线，通过逆变器（双向DC/DC变换电路）后，变为交流电。此时，控制电路输出与负载均相连，均与电网脱离，控制方式采用图2的电压环控制。

综上所述，本发明一种风光互补发电分散储能控制电路，实现了一种具有能量存储环节的风光互补发电分散储能控制电路，其可以在供电电网稳定时，供给储能电池的同时还可以把多余的能量并网发电，在风力与光照强度短时间内变化较大时，能对并网能量削峰填谷，利于调节并网的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）在并网逆变器侧采用小容量的蓄电池来消除并网电流短时大的变动，实现风电与光伏并网能量的平缓可调；而现有可再生能源采用集中的储能电池来实现并网能量的平缓（削峰填谷），这不利于***效率优化，而且集中式大容量的电池组串并联数目过多，容易使电池单体工作状态发生差异而导致发热、***。

（2）具有并网检测与开关切换功能。当电压传感器检测到电网供电正常时，K2、K3开关闭合，控制电路输出与负载均接到电网，这时，风光互补发电除满足负载需要，多余的能量可以直接上网；当电压传感器检测到电网供电不正常时，K2开关断开，K3闭合，控制电路输出与负载相连，脱离电网，这时，就是单一的离网供电功能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于，包括：

分散配置的蓄电池；

风光互补输入的最大功率跟踪单元，其输入端接风光互补输入，通过测试风光互补输入输出的电流电压，在数字控制器单元的控制下，使得风光互补输入输出的功率最大；

蓄电池充放电能量管理单元，连接该蓄电池，以完成蓄电池电能与电网电能与风光互补发电电能三者之间的转换；

逆变器单元，将该蓄电池充放电能量管理单元的输出直流转换为并网发电或离网工作所需的交流电；

模式选择信号设定模块，产生模式设定控制信号；

输出电路切换控制模块，选择将逆变器单元所产生的交流电接至电网还是离网负载；

数字控制器单元，产生该风光互补输入的最大功率跟踪单元、该蓄电池充放电能量管理单元和该逆变器单元所需的控制信号，在该模式选择信号设定模块的模式设定控制信号控制下控制该输出电路切换控制模块投切；

该输出电路切换控制模块通过两组双刀双掷开关(K2与K3)设定负载的连接状态，通过电压传感器(VS3)采集负载电压，进行控制逻辑，该模式选择信号设定模块通过手动旋钮或按键开关来设定装置的工作状态，当该手动旋钮或按键开关接高电平信号，且该负载电压不为零时，使能控制信号输出为“1”，该风光互补发电分散储能控制电路正常工作于并网发电状态，并使双刀双掷开关(K2)切换该风光互补发电分散储能控制电路输出至接电网端；当该手动旋钮或按键开关接低电平信号，且该负载电压为零时，使能控制信号S输出为“0”，该风光互补发电分散储能控制电路正常工作于离网工作状态，并使双刀双掷开关(K3)切换该风光互补发电分散储能控制电路输出至接用电负载端。

2.如权利要求1所述的一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于：该风光互补输入的最大功率跟踪单元包括由高频铁粉芯电感器、晶体管(S1)、二极管(D1)组成的升压电路以及电流互感器(CS1)和电压互感器(VS2)；该电流互感器(CS1)检测风光互补输入的输入电流送至该数字控制器单元，该电压互感器(VS2)检测风光互补输入的输入电压送至该数字控制器单元,通过比较风光互补输入的输出电压与输出电流的乘积得到最大功率点，选择最大功率时的该数字控制器单元的输出作为占空比控制该晶体管(S1)。

3.如权利要求2所述的一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于：该蓄电池充放电能量管理单元为双向DC/DC电路，包括一个高频铁粉芯电感器(L2)、工作状态互补的两个晶体管(S2与S3)、直流储能电容(C2)以及电压传感器(VS1)，当工作在充电方式时，该高频铁粉芯电感器(L2)与晶体管(S2与S3)组成降压斩波电路，从光伏电池来的能量经该最大功率跟踪单元后，再通过该降压斩波电路，给该蓄电池充电；当工作在放电方式时，该高频铁粉芯电感器与该晶体(S2与S3)组成升压电路，该蓄电池能量经该升压电路，给该直流储能电容和该逆变器单元放电；在光伏并网工作时，通过该蓄电池充放电能量管理单元，能维持并网发电输出功率的稳定。

4.如权利要求3所述的一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于：该逆变器单元包括四个晶体管(S4、S5、S6、S7)及其保护二极管，其受控于该数字控制器单元的脉宽调制信号。

5.如权利要求1所述的一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于：该数字控制器单元包括两个加法器(406、407)、比较器单元(408)、死区控制电路、两个PWM控制信号驱动电路(401、402)、ADC电路、数字PI_I调节器、数字PI_V调节器、电流互感器(CS2)及电压互感器(VS3)，在输出电路切换控制模块选择并网发电模式时，该数字控制器单元产生输出电流参考信号接到该加法器(407)的同相输入端，该电流互感器(CS2)检测该逆变器单元的输出电流，该输出电流输送到该加法器(407)的反相输入端，通过该数字PI_I调节器，产生放大后的电流误差信号，该电流误差信号送到该比较器单元408的同相输入端，与该比较器单元的反相输入端输入的该数字控制器单元产生的三角波信号相比较，经死区控制和相位调整驱动后，该数字控制器单元输出相应的脉冲宽度调制信号按电流调节规律控制该逆变器单元。

6.如权利要求5所述的一种风光互补发电分散储能控制电路，其特征在于：在输出电路切换控制模块选择离网工作状态时，该数字控制器单元产生参考电压信号接到该数字控制器单元中该加法器(406)的同相输入端，该电压互感器(VS3)检测该逆变器单元的输出电压，该输出电压输送到该加法器(406)的反相输入端，通过该数字控制器单元的该数字PI_V调节器产生放大后的电流误差信号，该电流误差信号送到该比较器单元的同相输入端，与该比较器单元的反相输入端输入的该数字控制器单元产生的三角波信号相比较，经死区控制和相位调整驱动后，该数字控制器单元输出相应的脉冲宽度调制信号按电压调节规律控制该逆变器单元。