專利名稱：一種基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，特別涉及基于超級電容器蓄電池混 合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的日益突出，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔可再生能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用越來越 廣泛，由于風(fēng)光資源的天然互補(bǔ)性，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)發(fā)電具有較大的發(fā)展前景。風(fēng) 光互補(bǔ)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 在沙漠、高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)為通信設(shè)施和居民生活提供不間斷電力。
光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電分別受日照強(qiáng)度和風(fēng)速變化的影響，由于自然界的太陽光和風(fēng)速變 化是不可預(yù)測的，所以風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的電力輸出不穩(wěn)定，通常需要配備一定容量的儲能裝置 進(jìn)行電能補(bǔ)償以保持輸出穩(wěn)定。此外，當(dāng)出現(xiàn)極端惡劣天氣、線路故障等意外情況時，系統(tǒng) 可能會停止對用戶的電力供應(yīng)，如果沒有備用能量支撐， 一些重要和敏感的設(shè)備將無法正常 工作。 一般的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)都配置了可充電蓄電池組，可充電蓄電池是一種應(yīng)用非常普遍的 儲能裝置，如鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳氫蓄電池等。將其應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，直接與 直流母線連接，或者通過充放電裝置與直流母線連接，作為系統(tǒng)的應(yīng)急電源或者功率緩沖器， 可以為直流母線提供一定時間的能量支撐。當(dāng)負(fù)荷較輕或者母線電壓升高時，直流母線通過 功率變換器給蓄電池充電；在負(fù)荷較重或者母線電壓發(fā)生短時中斷以及跌落時，蓄電池通過 功率變換器釋放能量以維持直流母線電壓在正常的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)的正常工作。
中國專利CN2723723Y公開了一種風(fēng)光互補(bǔ)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yù)設(shè)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，通過逆變器 給負(fù)載提供交流電力。當(dāng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)啟動柴油機(jī)備用電源，這時的逆 變器處于整流工作模式，柴油機(jī)的一部分電力通過整流以后給蓄電池充電。當(dāng)母線電壓恢復(fù) 至預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)切斷備用電源，逆變器處于逆變工作狀態(tài)，蓄電池向負(fù)載提供電力。系統(tǒng) 的運行情況由中央處理單元進(jìn)行實時檢測和控制。將可充電蓄電池作為儲能裝置，存在著一些問題。首先，蓄龜池在工作過程中電極活性 物質(zhì)會發(fā)生化學(xué)變化從而引起電極結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，使得蓄電池性能衰減。由于風(fēng)光互補(bǔ) 系統(tǒng)受自然環(huán)境的影響很大，發(fā)電功率具有間斷性和不可預(yù)測性等特點，蓄電池需要不斷地 吸收或者釋放能量，可能經(jīng)常進(jìn)行深度充放電，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命減少，間接增加了系 統(tǒng)成本。其次，蓄電池對環(huán)境要求很高，在嚴(yán)寒環(huán)境中出力比較困難，不能保障在嚴(yán)寒氣候 條件下供電的安全性和可靠性。再次，蓄電池的功率密度較低， 一般來說，通信設(shè)備在工作 時的功率需求大多具有脈動性質(zhì)，即瞬時功率高平均功率較低，為了保證系統(tǒng)的正常運行，
在實際設(shè)計中需要配置容量較大的蓄電池組，以滿足負(fù)荷的功率需求，這樣會提高系統(tǒng)成 本。除此之外，蓄電池的維護(hù)量較大，而且使用后殘留的金屬材料會造成較嚴(yán)重的環(huán)境污 染。
超級電容器(Supercapacitor, Ultmcapacitor)是近年來出現(xiàn)的一種新型儲能器件，通常 包括雙電層電容器(Electric Double-Layer Capacitor)和電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitor)兩類。其中，雙電層電容器采用活性炭，碳電極與電解液界面上的電荷分離而產(chǎn) 生雙電層電容。電化學(xué)電容器采用金屬氧化物作為電極，在氧化物電極表面發(fā)生氧化還原反 應(yīng)而產(chǎn)生吸附電容，它又稱為法拉第準(zhǔn)電容，根據(jù)電極材料的不同可分為金屬氧化物和導(dǎo)電 性高分子聚合物兩類電化學(xué)電容器。由于法拉第準(zhǔn)電容的產(chǎn)生機(jī)理與電池相似，在相同電極 面積的情況下，它的電容量是雙電層電容器的數(shù)倍；但雙電層電容器瞬間大電流放電的功率 特性比電化學(xué)電容器好。
超級電容器具有很好的功率特性，可以大電流、高效率、快速地充放電。由于充放電過 程始終是物理過程，不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和電極結(jié)構(gòu)的變化，因此其循環(huán)使用壽命長。此外， 超級電容器還具有高低溫性能良好、能量判斷簡單準(zhǔn)確、無需維護(hù)和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點， 正日益發(fā)展成為一種高效、實用的能量儲存器件。
盡管超級電容器具有很多優(yōu)點，但其缺點也較明顯。其能量密度與可充電蓄電池相比較 低，目前雙電層超級電容器的能量密度大約是閥控式鉛酸蓄電池的20%，還不適宜于大容量 的電力儲能。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)如果采用超級電容器作為儲能裝置，需要配置較大容量，這樣會 使系統(tǒng)設(shè)備過于龐大笨重，目前超級電容器的價格較高，大容量配置也會提高系統(tǒng)的成本。
如果將超級電容器與可充電蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度高與超級電容器功率密 度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點相結(jié)合，無疑會提高電力儲能裝置的性能。蓄電池通過一定的方式 與超級電容器同時工作，可以優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內(nèi)部損 耗，增加放電時間，延長使用壽命。采用超級電容器蓄電池混合儲能裝置，是解決風(fēng)光互補(bǔ) 系統(tǒng)中電力儲能問題的一個合適的選擇，可以大幅度提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和技術(shù)性能。在日本專利2002-325368公開的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)電池充電裝置中，為了給蓄電池負(fù)載充 電，該專利提出了利用超級電容器作為儲能裝置的設(shè)計方法。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電裝置工 作時給超級電容器組充電，超級電容器組再通過DC/DC降壓型變換器給蓄電池負(fù)載充電。 該專利中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電裝置通過不控整流電路進(jìn)行電力輸出，它們的輸出能量是 不可控的，不能進(jìn)行最大功率跟蹤輸出。在日本專利2005-051955公開的風(fēng)力和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)利用蓄電池組作為 儲能裝置，太陽能發(fā)電裝置通過直交變換器給負(fù)載供電；風(fēng)力發(fā)電裝置通過升降壓變換器一 方面給蓄電池組充電，另一方面通過直交變換器給負(fù)載供電。蓄電池在需要輸出電能的時 候，通過升降壓變換器與直交變換器連接，向負(fù)載進(jìn)行供電。這種儲能方式下蓄電池需要不 斷地吸收或者釋放電能，可能經(jīng)常進(jìn)行深度充放電，這樣會減少蓄電池的使用壽命。上述相關(guān)專利中有些提出了基于蓄電池儲能的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，有些提出了基于超級電容 器儲能的風(fēng)光互補(bǔ)充電裝置，考慮到蓄電池和超級電容器單獨作為儲能裝置存在的一些缺 陷，本專利提出的超級電容器蓄電池混合儲能的應(yīng)用前景更為廣闊。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的蓄電池作為儲能裝置應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)存在使用壽命低、 系統(tǒng)成本高、嚴(yán)寒環(huán)境下出力困難、容易造成環(huán)境污染等缺點，提供一種用于風(fēng)光互補(bǔ)供電 系統(tǒng)的超級電容器蓄電池混合儲能裝置。本發(fā)明可為因風(fēng)光條件的改變而導(dǎo)致的母線電壓波 動提供功率緩沖，以維持母線電壓穩(wěn)定，并可以在系統(tǒng)發(fā)電不足或出現(xiàn).故障等情況下提供短 時能量支撐，以保障移動油機(jī)或其它外部供電系統(tǒng)順利啟動供電。本發(fā)明可以為配電網(wǎng)不能 到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信系統(tǒng)、邊防哨所、居民生活提供可靠的不間斷供電。本發(fā)明由DC/DC降壓變換器、AC/DC變換器、超級電容器組、蓄電池組、DC/AC逆變 器、蓄電池充電電路、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和油機(jī)/市電接口組成。光伏陣列通過DC/DC 降壓變換器與超級電容器組連接，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過AC/DC變換器與超級電容器組連接，油 機(jī)/市電接口通過AC/DC變換器與超級電容器組連接，超級電容器組通過蓄電池充電電路與 蓄電池組連接，蓄電池組與直流負(fù)載連接，并通過DC/AC逆變器與交流負(fù)載連接。太陽能電池產(chǎn)生的電力通過DC/DC降壓變換器實現(xiàn)最大功率跟蹤后，向負(fù)載供電，同 時給超級電容器組充電，并通過蓄電池充電電路以優(yōu)化的恒流方式給蓄電池組充電；風(fēng)力發(fā) 電機(jī)產(chǎn)生的電力先進(jìn)行整流，再通過直流變換電路進(jìn)行電壓的調(diào)整，其產(chǎn)生的電力向負(fù)載供 電，同時給超級電容器組充電，并通過蓄電池充電電路以優(yōu)化的恒流方式給蓄電池組充電， 蓄電池充電電路采用DC/DC變換電路，根據(jù)預(yù)設(shè)的電池溫度不斷調(diào)整充電過程，直到蓄電 池端電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值。接負(fù)載工作時，如果太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力不足導(dǎo)致母線下降到一定預(yù)設(shè)值時，蓄電池釋放電能進(jìn)行電壓支撐，當(dāng)母線電壓繼續(xù)下條時，超級電容 器通過蓄電池充電電路對負(fù)載進(jìn)行供電，防止蓄電池深度放電，由于超級電容器的能量密度 低，支撐電壓的時間較短，其存儲的能量以優(yōu)化的方式給蓄電池進(jìn)行充電，以保障高能量密 度儲能長時電壓支撐的需要。當(dāng)直流母線電壓下降低于最低預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)連接移動油機(jī)/ 市電接口，外部電力先進(jìn)行整流，再通過DC/DC變換電路進(jìn)行電壓的調(diào)整，.其產(chǎn)生的電力 向負(fù)載供電，同時給超級電容器組充電，并通過蓄電池充電電路給蓄電池組充電。當(dāng)母線電 壓恢復(fù)至預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)切斷油機(jī)/市電接口。
系統(tǒng)工作時實時檢測蓄電池組的端電壓和充電電流。當(dāng)蓄電池組端電壓大于設(shè)定值VI 時，蓄電池充電電路轉(zhuǎn)到恒壓充電狀態(tài)；當(dāng)蓄電池組端電壓小于設(shè)定值V2時(V2〈V1)，退 出恒壓充電狀態(tài)，轉(zhuǎn)至最大功率跟蹤充電狀態(tài)或限流充電狀態(tài)。當(dāng)蓄電池充電電流大于設(shè)定 值II時，蓄電池充電電路從最大功率跟蹤充電狀態(tài)轉(zhuǎn)到限流充電狀態(tài)進(jìn)行大電流充電保 護(hù)；當(dāng)蓄電池充電電流小于設(shè)定值12時(12<11)，蓄電池充電電路切換到最大功率跟蹤充電 狀態(tài)。當(dāng)蓄電池組的端電壓低于設(shè)定值Vlow或者充電電流大于設(shè)定值Ihigh時，切斷負(fù)載 避免蓄電池過放電或者放電電流過大；根據(jù)系統(tǒng)配置的需要可以修改參數(shù)設(shè)定值，使蓄電池 充電電路大部分時間處于最大功率跟蹤充電狀態(tài)，蓄電池組保持在合理的電壓和充放電電流 范圍以內(nèi)。
超級電容器可以使用雙電層電容器，也可以使用電化學(xué)電容器。多個單體超級電容器通 過串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，多個串聯(lián)支路進(jìn)行并聯(lián)構(gòu)成超級電容器組，具體的串并聯(lián)組合方法視 系統(tǒng)的實際需要而定?？紤]到超級電容器組的使用壽命，通常單體電壓不得超過最高工作電 壓。
本發(fā)明的DC/DC降壓變換器采用BUCK變換電路，包括一個功率開關(guān)管， 一個濾波電 容器， 一個電感器和一個功率二極管。當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時，電感器儲存電能，電容器處于 充電狀態(tài)。當(dāng)功率開^l管斷開時，電感器經(jīng)功率二極管給濾波電容器儲能。
本發(fā)明的AC/DC變換器包括不控整流橋和DC/DC兩部分，其中DC/DC部分采用 BUCK變換器，包括一個功率開關(guān)管， 一個濾波電容器， 一個電感器和一個功率二極管。當(dāng) 功率開關(guān)管導(dǎo)通時，電感器儲存電能，電容器處于充電狀態(tài)。當(dāng)功率開關(guān)管斷開時，電感器 經(jīng)功率二極管給濾波電容器儲能。
本發(fā)明的蓄電池充電電路釆用的DC/DC變換電路，可以是降壓型、升壓型或者升降壓 型變換電路，可以是隔離型或者非隔離型變換電路。
本發(fā)明的基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，在實現(xiàn)所述功能的前提 下，力爭高效節(jié)能，減少超級電容器組和蓄電池組的安裝容量，延長蓄電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)性能。系統(tǒng)中光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大功率跟蹤輸出方式 工作；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列的工作狀態(tài)、超級電容器組以及蓄電池組的荷電狀態(tài)、直 流母線電壓大小等信息，預(yù)先判斷出混合儲能需要輸出的功率大小，及時準(zhǔn)確地控制儲能裝 置的工作過程，提高儲能裝置的快速響應(yīng)能力。
本發(fā)明的基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點
(1) 風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電是清潔可再生能源發(fā)電技術(shù)，為能源短缺的地區(qū)和配電網(wǎng)架 設(shè)困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問題提供了行之有效的解決方案，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)了供 電的安全性和穩(wěn)定性。
(2) 采用超級電容器蓄電池混合儲能，能夠充分發(fā)揮蓄電池能量密度高和超級電容器 功率密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快的優(yōu)點，使儲能裝置具有良好的技術(shù)性能。
(3) 蓄電池組兩端的電壓波動小，能為直流負(fù)載提供穩(wěn)定的電力，同時系統(tǒng)可以優(yōu)化
蓄電池的充放電過程，減少蓄電池的充放電小循環(huán)次數(shù)或者降低發(fā)生充放電小循環(huán)時的放電 深度，延長使用壽命。
(4) 由于超級電容器的功率變換電路及其控制能力，超級電容器組的端電壓與負(fù)載電
壓可以有較大不同，在滿足功率需求的基礎(chǔ)上，超級電容器的能量利用率得到了提高，同時 可以減少超級電容器組的安裝容量，降低系統(tǒng)成本。蓄電池組的端電壓與超級電容器組的端 電壓可以有很大的不同，超級電容器組和蓄電池組的結(jié)構(gòu)配置更為靈活。
(5) 預(yù)留油機(jī)/市電接口,，更大程度地保障了系統(tǒng)供鬼的安全性和可靠性。 本發(fā)明將超級電容器與可充電蓄電池混合使用，結(jié)合了蓄電池與超級電容器各自的優(yōu)
點，提高了電力儲能裝置的性能。蓄電池通過一定的方式與超級電容器并聯(lián)工作，可以優(yōu)化 蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內(nèi)部損耗，增加放電時間，延長使用壽 命。采用超級電容器蓄電池混合儲能裝置，提高了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)性能，是解決 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中電力儲能問題的一個合適的選擇，具有明顯的優(yōu)勢。


圖l是本發(fā)明工作原理方框圖2是本發(fā)明DC/DC降壓變換器原理圖3是本發(fā)明AC/DC變換器原理圖4是日照強(qiáng)度變化時本發(fā)明互補(bǔ)供電系統(tǒng)混合儲能響應(yīng)實驗波形圖；
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)'電互補(bǔ)供電系統(tǒng) 實施例。該實施例包括直流母線11， DC/DC降壓變換器20， AC/DC變換器30,超級電容 器組40， DC/AC逆變器50，蓄電池組60，蓄電池充電電路700，光伏陣列70，風(fēng)力發(fā)電機(jī) 80，油機(jī)/市電接口 90，光伏發(fā)電輸出端300，風(fēng)力發(fā)電輸出端400，交流負(fù)載端口 500，直 流負(fù)載端口 600，.交流負(fù)載100和直流負(fù)載200。其中直流母線11與超級電容器組40連 接，光伏陣列70通過DC/DC降壓變換器20與超級電容器組40連接，光伏發(fā)電輸出端300 連接光伏陣列70和DC/DC降壓變換器20;風(fēng)力發(fā)電機(jī)80通過AC/DC變換器30與超級電 容器組40連接，風(fēng)力發(fā)電輸出端400連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)80和AC/DC變換器30;油機(jī)/市電接 口 90通過AC/DC變換器30與超級電容器組40連接，風(fēng)力發(fā)電輸出端400連接油機(jī)/市電接 口 90和AC/DC變換器30;超級電容器組40通過蓄電池充電電路700與蓄電池組60連接； 蓄電池組60與直流負(fù)載200連接；蓄電池組60通過DC/AC逆變器50與交流負(fù)載100連 接，交流負(fù)載端口 500連接DC/AC逆變器50和交流負(fù)載100;直流負(fù)載端口 600連接蓄電 池充電電路700,并與直流負(fù)載200和蓄電池組60連接。蓄電池充電電路700采用DC/DC 變換器，包括降壓型、升壓型和升降壓型變換電路，也可以是隔離型和非隔離型變換電路。 DC/AC逆變器50可以為三相逆變器，也可以是單相逆變器。
超級電容器組40可以使用雙電層電容器，也可以使用電化學(xué)電容器，多個單體超級電 容器通過串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，多個串聯(lián)支路并聯(lián)構(gòu)成超級電容器組40，具體的串并聯(lián)組合 方法視系統(tǒng)的實際需要而定。超級電容器組40的電極正端40a與直流母線11的正端lla連 接，超級電容器組40的電極負(fù)端40b與直流母線11的負(fù)端llb連接?？紤]到超級電容器組
的使用壽命，通常單體電壓不得超過最高工作電壓。
圖2所示為本發(fā)明的DC/DC降壓變換器20，它由光伏控制器可控功率開關(guān)管22、光伏 控制器功率二極管21、光伏控制器電感23、光伏控制器濾波電容24、光伏發(fā)電輸出端300 和直流母線'ir組成'。光伏控制器可控功率開關(guān)管22的22a端與光伏發(fā)電輸出端300的正端 300a連接，22b端與光伏控制器功率二極管21的陰極21a端連接，并與光伏控制器電感23 的23a端連接；光伏控制器功率二極管21的陽極21b端與光伏發(fā)電輸出端300的負(fù)端300b 連接，并與直流母線11的負(fù)端llb連接；光伏控制器電感23的23b端與直流母線11的正 端lla連接；光伏控制器濾波電容24與直流母線ll并聯(lián)連接。其中，光伏控制器可控功率 開關(guān)管22包括但不限于MOSFET、 IGBT、 IGCT等，本實施例采用將IGBT功率開關(guān)器件 及其驅(qū)動電路集成的IPM模塊，模塊內(nèi)部具有過流、過熱保護(hù)功能。光伏發(fā)電輸出端300 作為輸入端，直流母線ll作為輸出端，電路為降壓型DC/DC，光伏控制器可控功率開關(guān)管22作為可控開關(guān)，與光伏控制器功率二極管21—起控制電路的工作過程。直流母線ll與超 級電容器組40連接，光伏發(fā)電輸出端300與光伏陣列70連接。
圖3所示為本發(fā)明的AC/DC變換器30，它由不控整流橋35、風(fēng)力控制器可控功率開關(guān) 管32、風(fēng)力控制器功率二極管31、風(fēng)力控制器電感33、風(fēng)力控制器濾波電容34、風(fēng)力發(fā)電 輸出端400和直流母線...11組成；風(fēng)力控制器功率開關(guān)管32的32a端與不控整流橋35的35a 端連接，32b端與風(fēng)力控制器功率二極管31的陰極31a端連接，并與風(fēng)力控制器電感33的 33a端連接；風(fēng)力控制器功率二極管31的陽極31b端與不控整流橋35的35b端連接，并與 直流母線11的負(fù)端llb連接；風(fēng)力控制器電感33的33b端與直流母線11的正端lla連接； 風(fēng)力控制器濾波電容34與直流母線11并聯(lián)連接。其中，風(fēng)力控制器可控功率開關(guān)管32包 括但不限于MOSFET、 IGBT、 IGCT等，本實施例采用將IGBT功率開關(guān)器件及其驅(qū)動電路 集成的IPM模塊，模塊內(nèi)部具有過流、過熱保護(hù)功能。風(fēng)力發(fā)電輸出端400作為輸入端， 直流母線ll作為輸出端，風(fēng)力控制器可控功率開關(guān)管32作為可控開關(guān)，與風(fēng)力控制器功率 二極管31 —起控制電路的工作過程。直流母線11與超級電容器組40連接，風(fēng)力發(fā)電輸出 端400與風(fēng)力發(fā)電機(jī)80和油機(jī)/市電接口 90連接。
當(dāng)光伏陣列70以最大功率跟蹤輸出方式工作時，光伏陣列70給交流負(fù)載IOO和直流負(fù) 載200供電，并給超級電容器組40和蓄電池組60充電；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)80以最大功率跟蹤 輸出方式工作時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)80給交流負(fù)載100和直流負(fù)載200供電，并給超級電容器組 40和蓄電池組60.充電；.當(dāng)負(fù)荷較輕或直流母線11電壓升高時，超級電容器組40通過 DC/DC降壓變換器20和AC/DC變換器30吸收電能，蓄電池組60通過蓄電池充電電路700 吸收電能；當(dāng)由于氣候變化而導(dǎo)致光伏陣列70和風(fēng)力發(fā)電機(jī)80電力供應(yīng)不足，直流母線ll 電壓降低時，超級電容器組40通過蓄電池充電電路700與蓄電池組60共同釋放電能起到功 率緩沖、穩(wěn)定電壓的作用；當(dāng)光伏陣列70、風(fēng)力發(fā)電機(jī)80、超級電容器組40與蓄電池組 60的電力輸出不能滿足負(fù)載供電要求時，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)通過油機(jī)/市電接口 90接入移動油機(jī) 或者其他外部電源對負(fù)載進(jìn)行臨時性的供電， 一部分電力通過AC/DC變換器30給超級電容 器組40和蓄電池組60充電。當(dāng)直流母線11電壓恢復(fù)到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)切斷油機(jī)/市電接口 90。
圖4所示為日照強(qiáng)度變化吋本發(fā)明互補(bǔ)供電系統(tǒng)混合儲能響應(yīng)實驗波形，其中上圖為光 伏陣列的輸出電壓和電流值，中圖為超級電容器組的端電壓和充放電電流值，下圖為蓄電池 組的端電壓和充放電電流值，由實驗結(jié)果可以看出光伏系統(tǒng)的輸出功率隨著日照量的變化發(fā) 生較大幅度的波動(主要表現(xiàn)為輸出電流發(fā)生脈動)，由于超級電容器的高功率密度，它對儲 能系統(tǒng)在脈動電流輸入時的響應(yīng)產(chǎn)生了很好的濾波效果，在光伏輸出電力充足的情況下吸收電能，如350秒至420秒期間，光伏輸出對超級電容器組充電，'輸入電流在'1安培至2安培 之間；在光伏輸出電力不足的情況下釋放電能，如230秒至250秒期間，超級電容器組放電 向蓄電池組充電，放電電流在0.5安培左右；這樣使得蓄電池組的充電電流比較平滑。整個 工作期間超級電容器組和蓄電池組的端電壓變化很小，穩(wěn)定在24伏左右，能夠為負(fù)載提供 穩(wěn)定的電力。采用超級電容器蓄電池混合儲能，提高了儲能裝置的功率輸出能力，可以減少 蓄電池單獨儲能時為提高功率能力而必須增加的容量；優(yōu)化了蓄電池的工作過程，減少了充
放電小循環(huán)，可以避免蓄電池的過早失效和容量損失。
權(quán)利要求
1、一種基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括DC/DC降壓變換器(20)、AC/DC變換器(30)、超級電容器組(40)、DC/AC逆變器(50)、蓄電池組(60)、蓄電池充電電路(700)、光伏陣列(70)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(80)、油機(jī)/市電接口(90)；直流母線(11)與超級電容器組(40)連接，光伏陣列(70)通過DC/DC降壓變換器(20)與超級電容器組(40)連接；風(fēng)力發(fā)電機(jī)(80)通過AC/DC變換器(30)與超級電容器組(40)連接；油機(jī)/市電接口(90)通過AC/DC變換器(30)與超級電容器組(40)連接；超級電容器組(40)通過蓄電池充電電路(700)與蓄電池組(60)連接；蓄電池組(60)與直流負(fù)載連接；蓄電池組(60)通過DC/AC逆變器(50)與交流負(fù)載連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供 電系統(tǒng)，其特征在于超級電容器組(40)通過蓄電池充電電路(700)與蓄電池組(60) 組成混合儲能裝置。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，其特征在于超級電容器組(40)由雙電層電容器或電化學(xué)電容器組成；超級電容器組(40)的電極正端40a與直流母線(11)的正端lla連接，超級電容器組(40)的電極 負(fù)端40b與直流母線(11)的負(fù)端llb連接。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電互補(bǔ)供 電系統(tǒng)，其特征在于蓄電池充電電路(700)采用DC/DC變換電路。
全文摘要
一種基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，包括DC/DC降壓變換器(20)、AC/DC變換器(30)、超級電容器組(40)、DC/AC逆變器(50)、蓄電池組(60)、蓄電池充電電路(700)、光伏陣列(70)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(80)、油機(jī)/市電接口(90)。光伏陣列(70)通過DC/DC降壓變換器(20)與超級電容器組(40)連接。風(fēng)力發(fā)電機(jī)(80)與油機(jī)/市電接口(90)通過AC/DC變換器(30)與超級電容器組(40)連接。超級電容器組(40)通過蓄電池充電電路(700)給蓄電池組(60)充電，超級電容器組與蓄電池組為系統(tǒng)提供一定的功率緩沖，以維持供電電壓的穩(wěn)定。本發(fā)明可以為配電網(wǎng)不能到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信系統(tǒng)、居民生活提供不間斷供電。
文檔編號H02J15/00GK101309017SQ20081011655
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者唐西勝, 衛(wèi) 鄧, 齊智平 申請人:中國科學(xué)院電工研究所