CN104265593B - 一种免蓄电池的风光互补扬水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免蓄电池的风光互补扬水装置，包括：太阳能光伏电池阵列、风力发电机组、风光互补控制器和直流抽水泵；风光互补控制器的一输入端与太阳能光伏电池阵列的输出端相连，另一输入端与风力发电机组的输出端相连；风光互补控制器输出端与直流抽水泵的输入端相连：直流抽水泵设置在蓄水池单元的下级蓄水池中，且该蓄水池单元还包括上级蓄水池，直流抽水泵用于扬提下级蓄水池的水并将水积蓄于上级蓄水池。本发明摒弃了传统风光互补发电中的蓄电池装置，将太阳能与风能互补后直接用于扬水，变储能为储水，既解决了传统光伏扬水与风力扬水效率低的问题，也解决了传统风光互补技术中储能蓄电池组成本高、寿命短、维护难、污染环境等弊端。

Description

一种免蓄电池的风光互补扬水装置

技术领域

本发明涉及新能源开发利用的技术领域，特别是一种免蓄电池的风光互补扬水装置。

背景技术

风能和太阳能是绿色的可再生能源，被誉为人类生存的“未来能源”，已被广泛进行大规模开发与商业化应用，如风力发电、太阳能发电、太阳能光伏扬水、风力扬水等。但太阳能与风能的能量密度低，具有不稳定性与不连续性的特点，使光伏技术与风力发电技术的工作效率广受诟病。而风能和太阳能具有较好的互补性，有些地区夏半年风力资源贫乏，而冬半年太阳能辐射量降低；有些地区白天日照强而风力弱，晚上无光照但风力强。因此，将太阳能和风能组合利用的风光互补技术是可再生能源开发的新领域。

传统的风光互补扬水技术都是利用风力发电与光伏发电对蓄电池组进行充电蓄能，然后再将蓄电池组的直流电逆变为交流电而驱动抽水泵的扬水技术。如“风光互补扬水-家用电源***”由光伏方阵、风力发电机、变频器、电机-水泵和蓄电池组构成。光伏阵列和风力发电的输出经控制器和逆变器转换为交流电，在白天为电机-水泵负载提供电源；而在阳光欠充足的清晨或傍晚时为蓄电池组充电；在没有阳光的黑夜和蓄水池已充满，具有充足电能的蓄电池组将为家用电器负载提供电源。如实用新型专利“风光柴互补扬水***”（201320115493.4）将太阳发电机组、风力发电机组和柴油发电机组通过逆变器与交流水泵相连而扬水，太阳能发电机组、风力发电机组和柴油发电机组均设有蓄电池。而发明专利“一种混合风光互补抽水蓄能***及其控制方法”（201110300964.4）将传统风光互补***储能装置—蓄电池组用抽水蓄能发电***代替，并在抽水蓄能单元使用可逆式水泵水轮机抽水或发电，通过蓄水发电，而且该专利权利核心要求是“根据风力发电机功率总容量、光伏阵列功率总容量和上水池所蕴含水能的功率总容量来确定***容量的配置”，而非风光互补控制技术。

由此可见，传统的风光互补***中的存储装置多采用蓄电池组。蓄电池组的成本高、寿命短、维护难、污染环境等缺点，严重阻滞了风能与太阳能的开发利用，尤其是风能太阳能在农业生产上的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种免蓄电池的风光互补扬水装置，既节约成本、保护环境，也克服由于太阳能与风能密度低造成单独利用太阳能或风能进行扬水效率低下的缺陷，且该装置具有运行效率高、结构紧凑、成本低、节能环保的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种免蓄电池的风光互补扬水装置，其特征在于，包括：太阳能光伏电池阵列、风力发电机组、风光互补控制器和直流抽水泵；所述太阳能光伏电池阵列的输出端与所述风光互补控制器的一输入端相连；所述风力发电机组的输出端与所述风光互补控制器的另一输入端相连；所述风光互补控制器输出端与所述直流抽水泵的输入端相连：所述直流抽水泵设置在一蓄水池单元的下级蓄水池中，且该蓄水池单元还包括一上级蓄水池，所述直流抽水泵用于扬提下级蓄水池的水并将水积蓄于上级蓄水池。

在本发明一实施例中，所述风光互补控制器包括依次连接的：输入回路、比较回路、中央控制回路和输出回路。

在本发明一实施例中，所述输入回路包括：太阳能光伏电池阵列输入回路和风力发电机组输入回路；所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的一输入端，用于对所述太阳能光伏电池阵列的输出进行DC/DC转换；所述风力发电机组输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的另一输入端；用于对所述风力发电机组的输出进行整流滤波；

所述输入回路包括：第三二极管（D3）、第一电容（C1）、第一二极管（D1）、第二电容（C2）和第二二极管（D2）；所述比较回路包括：第一IGBT管（VT1）、第二IGBT管（VT2）、电感（L）和电容（C）；所述第三二极管（D3）的阳极作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第一输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的一输出端相连；所述所述第三二极管（D3）的阴极与所述第一电容（C1）的一端相连，并接入所述第一IGBT管（VT1）的集电极；所述第一IGBT管（VT1）的发射极与所述第一二极管（D1）的阴极相连，并接入所述电感（L）的一端；所述第一二极管（D1）的阳极与所述第一电容（C1）的另一端相连，并作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第二输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的另一输出端相连；所述第二IGBT管（VT2）的集电极与所述第二电容（C2）的一端相连，并作为所述风力发电机组输入回路的第一输入端，与所述风力发电机组的一输出端相连；所述第二IGBT管（VT2）的发射极与所述第二二极管（D2）的阴极相连，并接入所述第一二极管（D1）的阳极；所述第二电容（C2）的另一端与所述电感（L）的另一端相连，并接入所述电容（C）的一端；且所述第二电容（C2）的另一端作为所述风力发电机组输入回路的第二输入端，与所述风力发电机组的另一输出端相连；所述第二二极管（D2）的阳极与所述电容（C）的另一端相连。

在本发明一实施例中，所述中央控制回路采用STM32模块作为信息控制中心，且STM32模块控制所述第一IGBT管（VT1）和第二IGBT管（VT2）的通断；所述输出回路包括一IPM模块，该IPM模块内部含有三相IGBT桥且在三相IGBT桥中每个IGBT管反并联一个快速恢复二极管。

在本发明一实施例，对于所述比较回路，将所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电流与预设第一电流阈值进行比较，若大于或等于该第一电流阈值，所述第一IGBT管（VT1）导通，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压全部加到所述电感（L）上，所述电感（L）的电流线性增长并经所述电容（C）滤波，输出供电电压；若低于该第一电流阈值，所述第一IGBT管（VT1）截止，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压无法加到所述电感（L）上而不能输出供电电压；将所述风力发电机组输入回路的输出电流与预设第二电流阈值进行比较，若大于或等于该第二电流阈值，所述第二IGBT管（VT2）导通，所述风力发电机组输入回路的输出电压全部加到所述电感（L）上，所述电感（L）的电流线性增长并经所述电容（C）滤波，输出供电电压；若低于该第二电流阈值，所述第二IGBT管（VT2）截止，所述风力发电机组输入回路的输出电压无法加到所述电感（L）上而不能输出供电电压；当所述太阳能光伏电池阵列输入回路与风力发电机组输入回路的输出电流均分别大于对应的预设阈值时，两者并网输出。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的一种免蓄电池的风光互补扬水装置，摒弃了传统风光互补发电中的蓄电池储能装置，将太阳能与风能互补后直接用于扬水，变储能为储水，既解决了传统光伏扬水与风力扬水效率低的问题，也解决了传统风光互补技术中储能蓄电池组成本高、寿命短、维护难、污染环境等弊端，既节约成本、保护环境，也克服由于太阳能与风能密度低造成单独利用太阳能或风能进行扬水效率低下的缺陷，且该装置具有运行效率高、结构紧凑、成本低、节能环保的特点。同时，还实现了风力发电或光伏发电的单独输出以及两者的并网输出。此外，本发明所提出的一种免蓄电池的风光互补扬水装置可广泛用于农林业灌溉、海边晒盐、水产养殖等场合。

附图说明

图1为本发明中一种免蓄电池的风光互补扬水装置的原理图。

图2为本发明中风光互补控制器中输入回路和比较回路的电路原理图。

图3为本发明中风光互补控制器中央控制回路和输出回路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种免蓄电池的风光互补扬水装置，其特征在于，如图1所示，包括：太阳能光伏电池阵列、风力发电机组、风光互补控制器和直流抽水泵；所述太阳能光伏电池阵列的输出端与所述风光互补控制器的一输入端相连；所述风力发电机组的输出端与所述风光互补控制器的另一输入端相连；所述风光互补控制器输出端与所述直流抽水泵的输入端相连：所述直流抽水泵设置在一蓄水池单元的下级蓄水池中，且该蓄水池单元还包括一上级蓄水池，所述直流抽水泵用于扬提下级蓄水池的水并将水积蓄于上级蓄水池。

在本实施例中，如图1所示，所述风光互补控制器包括依次连接的：输入回路、比较回路、中央控制回路和输出回路。

进一步地，如图1~图3所示，所述输入回路包括：太阳能光伏电池阵列输入回路和风力发电机组输入回路；所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的一输入端，用于对所述太阳能光伏电池阵列的输出进行DC/DC转换；所述风力发电机组输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的另一输入端；用于对所述风力发电机组的输出进行整流滤波；

所述输入回路包括：第三二极管D3、第一电容C1、第一二极管D1、第二电容C2和第二二极管D2；所述比较回路包括：第一IGBT管VT1、第二IGBT管VT2、电感L和电容C；所述第三二极管D3的阳极作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第一输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的一输出端相连；所述所述第三二极管D3的阴极与所述第一电容C1的一端相连，并接入所述第一IGBT管VT1的集电极；所述第一IGBT管VT1的发射极与所述第一二极管D1的阴极相连，并接入所述电感L的一端；所述第一二极管D1的阳极与所述第一电容C1的另一端相连，并作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第二输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的另一输出端相连；所述第二IGBT管VT2的集电极与所述第二电容C2的一端相连，并作为所述风力发电机组输入回路的第一输入端，与所述风力发电机组的一输出端相连；所述第二IGBT管VT2的发射极与所述第二二极管D2的阴极相连，并接入所述第一二极管D1的阳极；所述第二电容C2的另一端与所述电感L的另一端相连，并接入所述电容C的一端；且所述第二电容C2的另一端作为所述风力发电机组输入回路的第二输入端，与所述风力发电机组的另一输出端相连；所述第二二极管D2的阳极与所述电容C的另一端相连。

进一步地，所述中央控制回路采用STM32模块作为信息控制中心，且STM32模块控制所述第一IGBT管VT1和第二IGBT管VT2的通断；所述输出回路包括一IPM模块，该IPM模块内部含有三相IGBT桥且在三相IGBT桥中每个IGBT管反并联一个快速恢复二极管。

进一步地，对于所述比较回路，将所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电流与预设第一电流阈值进行比较，若大于或等于该第一电流阈值，所述第一IGBT管VT1导通，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压全部加到所述电感L上，所述电感L的电流线性增长并经所述电容C滤波，输出供电电压；若低于该第一电流阈值，所述第一IGBT管VT1截止，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压无法加到所述电感L上而不能输出供电电压；将所述风力发电机组输入回路的输出电流与预设第二电流阈值进行比较，若大于或等于该第二电流阈值，所述第二IGBT管VT2导通，所述风力发电机组输入回路的输出电压全部加到所述电感L上，所述电感L的电流线性增长并经所述电容C滤波，输出供电电压；若低于该第二电流阈值，所述第二IGBT管VT2截止，所述风力发电机组输入回路的输出电压无法加到所述电感L上而不能输出供电电压；当所述太阳能光伏电池阵列输入回路与风力发电机组输入回路的输出电流均分别大于对应的预设阈值时，两者并网输出。

为了让本领域技术人员更加了解发明所提出的一种免蓄电池的风光互补扬水装置，下面结合本发明的驱动方法对该装置进行说明。

风能发电机组应风力转动产生电能输入到风光互补控制器的中风力发电机组输入回路，太阳能光伏电池阵列吸收太阳能产生电能输入到风光互补控制器中太阳能光伏电池阵列输入回路；风力发电机组输入回路和太阳能光伏电池阵列输入回路的输出信号经过比较回路，在中央控制回路的控制处理下，经输出回路输出控制信号到直流抽水泵，控制直流抽水泵将下级蓄水池的水扬提到上一级蓄水池。

在本实施例中，如图3所示，中央控制回路采用主控制器采用STM32模块作为信息控制中心。输出回路选用三菱公司的35A的IPM（Intelligent Power Module）模块，该模块内部含有三相IGBT桥且在三相IGBT桥中每个IGBT管反并联一个快速恢复二极管，此外，该IPM模块本身具有可以通过外部电阻的大小来配置过电流大小的过流保护、高温保护，并且具有防止同一相上的上、下桥臂同时导通的硬件保护设计。通过控制其内部6个IGBT管通断，实现对3对极电机（6线圈）控制，即通过控制IPM中的IGBT管两两导通方式驱动直流抽水泵中的直流电机。

在本实施例中，如图2所示，第一IGBT管VT1和第二IGBT管VT2由STM32模块控制通断。在第二IGBT管VT2导通期间，风力发电机组的输出电压全部加到开压电感上，即电感L上，电感L电流线性增长经电容C滤波，向负载由供电；在第二IGBT管VT2关断期间，放电感应电压向负载供电。在风力发电机组单独作用下相当于一个电路模式，即Uo1=D2Uwind/(1-D1)，其中D1和D2分别指二极管的稳压定值，Uwind指风力发电机组经整理后的输出值；当太阳能光伏电池阵列单独工作在稳态时两端电压在一个内对时间的积分为零，Uo2=D1Upv/（1-D2^2），其中Upv指光伏电池板经DC/DC转换后的输出值；当风力发电机组输出与太阳能光伏电池阵列发电输出叠加时，Uo=Uo1+Uo2。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种免蓄电池的风光互补扬水装置，其特征在于，包括：太阳能光伏电池阵列、风力发电机组、风光互补控制器和直流抽水泵；所述太阳能光伏电池阵列的输出端与所述风光互补控制器的一输入端相连；所述风力发电机组的输出端与所述风光互补控制器的另一输入端相连；所述风光互补控制器输出端与所述直流抽水泵的输入端相连：所述直流抽水泵设置在一蓄水池单元的下级蓄水池中，且该蓄水池单元还包括一上级蓄水池，所述直流抽水泵用于扬提下级蓄水池的水并将水积蓄于上级蓄水池；

所述风光互补控制器包括依次连接的：输入回路、比较回路、中央控制回路和输出回路；

所述输入回路包括：太阳能光伏电池阵列输入回路和风力发电机组输入回路；所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的一输入端，用于对所述太阳能光伏电池阵列的输出进行DC/DC转换；所述风力发电机组输入回路的输入端作为所述风光互补控制器的另一输入端；用于对所述风力发电机组的输出进行整流滤波；

所述输入回路包括：第三二极管（D3）、第一电容（C1）、第一二极管（D1）、第二电容（C2）和第二二极管（D2）；所述比较回路包括：第一IGBT管（VT1）、第二IGBT管（VT2）、电感（L）和电容（C）；所述第三二极管（D3）的阳极作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第一输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的一输出端相连；所述所述第三二极管（D3）的阴极与所述第一电容（C1）的一端相连，并接入所述第一IGBT管（VT1）的集电极；所述第一IGBT管（VT1）的发射极与所述第一二极管（D1）的阴极相连，并接入所述电感（L）的一端；所述第一二极管（D1）的阳极与所述第一电容（C1）的另一端相连，并作为所述太阳能光伏电池阵列输入回路的第二输入端，与所述太阳能光伏电池阵列的另一输出端相连；所述第二IGBT管（VT2）的集电极与所述第二电容（C2）的一端相连，并作为所述风力发电机组输入回路的第一输入端，与所述风力发电机组的一输出端相连；所述第二IGBT管（VT2）的发射极与所述第二二极管（D2）的阴极相连，并接入所述第一二极管（D1）的阳极；所述第二电容（C2）的另一端与所述电感（L）的另一端相连，并接入所述电容（C）的一端；且所述第二电容（C2）的另一端作为所述风力发电机组输入回路的第二输入端，与所述风力发电机组的另一输出端相连；所述第二二极管（D2）的阳极与所述电容（C）的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种免蓄电池的风光互补扬水装置，其特征在于：所述中央控制回路采用STM32模块作为信息控制中心，且STM32模块控制所述第一IGBT管（VT1）和第二IGBT管（VT2）的通断；所述输出回路包括一IPM模块，该IPM模块内部含有三相IGBT桥且在三相IGBT桥中每个IGBT管反并联一个快速恢复二极管。

3.根据权利要求1或2所述的一种免蓄电池的风光互补扬水装置，其特征在于：对于所述比较回路，将所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电流与预设第一电流阈值进行比较，若大于或等于该第一电流阈值，所述第一IGBT管（VT1）导通，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压全部加到所述电感（L）上，所述电感（L）的电流线性增长并经所述电容（C）滤波，输出供电电压；若低于该第一电流阈值，所述第一IGBT管（VT1）截止，所述太阳能光伏电池阵列输入回路的输出电压无法加到所述电感（L）上而不能输出供电电压；将所述风力发电机组输入回路的输出电流与预设第二电流阈值进行比较，若大于或等于该第二电流阈值，所述第二IGBT管（VT2）导通，所述风力发电机组输入回路的输出电压全部加到所述电感（L）上，所述电感（L）的电流线性增长并经所述电容（C）滤波，输出供电电压；若低于该第二电流阈值，所述第二IGBT管（VT2）截止，所述风力发电机组输入回路的输出电压无法加到所述电感（L）上而不能输出供电电压；当所述太阳能光伏电池阵列输入回路与风力发电机组输入回路的输出电流均分别大于对应的预设阈值时，两者并网输出。