專利名稱：基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用可再生能源發(fā)電的電源技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于兩重直流母線控 制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能和風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，將是人類未來最重要的能量來源之一，風(fēng)力 發(fā)電和光伏發(fā)電對緩解當(dāng)今的能源危機(jī)和改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。
GSM和CDMA等移動通信系統(tǒng)已經(jīng)在世界各國大規(guī)模應(yīng)用， 一般MSS作為移動交換中心集 中于系統(tǒng)主機(jī)房，而數(shù)量龐大的移動通信基站分散分布于需要信號覆蓋的地方。僅中國目前 已經(jīng)分布了超過50萬座的各類基站，3G通信還將建成基站近35萬座，而移動通信系統(tǒng)中基 站耗電占網(wǎng)絡(luò)總耗電的70%以上，開展基站節(jié)能降耗已成為通訊行業(yè)一個迫切需要解決的問 題。另外，隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)展到遠(yuǎn)離電網(wǎng)或供電不穩(wěn)定的地區(qū)，大量的移動通信基站將 要建設(shè)在山區(qū)、海島、沙漠、髙原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，因而采用各種替代能源為移動通信基站提供 電力也成為其必然的選擇。
由于風(fēng)力和陽光資源的天然互補性，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立 系統(tǒng)在資源上的缺陷。風(fēng)光互補供電系統(tǒng)各發(fā)電單元既可以獨立控制也能協(xié)調(diào)工作，供電安 全性和可靠性大大提高。移動通信基站一般建在較高的建筑物或者山坡上，接受太陽能輻射 量和風(fēng)能相對較高，具有采用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的有利條件。因此，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)將是 今后通信基站離網(wǎng)型電源發(fā)展的主流方向。
一般風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及AC/DC變換器、泄荷器件、儲能 裝置、控制器組成，需要交流輸出時還會有DC/AC逆變器。儲能裝置一般為可以反復(fù)充放電 的蓄電池組。此外，為防止極端惡劣天氣時，系統(tǒng)儲備電力不足， 一些風(fēng)光互補系統(tǒng)還配置 了后備的蓄電池組、應(yīng)急的柴油發(fā)電機(jī)，以保證通信系統(tǒng)的正常工作。
如中國專利CN2723723Y公開的一種風(fēng)光互補發(fā)電系統(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。
在曰本專利2005-051955公開的風(fēng)力和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)中，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。
在上述專利和現(xiàn)有的公知技術(shù)中，其風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的AC/DC變換器、蓄電池組和負(fù)載一般都直接連接到公共直流母線，或通過控制開關(guān)連接到公共直流母線。由于蓄電池組的鉗位作用，系統(tǒng)充電端和放電端的電壓會平衡到同一電壓值，導(dǎo)致負(fù)載的工作電壓、儲能裝置的充放電范圍、光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力相互影響。
首先，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，其發(fā)出的電力極不穩(wěn)定，公共直流母線上瞬間的過電壓會造成通信基站直流主機(jī)設(shè)備的損壞。所以風(fēng)光互補系統(tǒng)通常需要配備過大容量的蓄電池組進(jìn)行補償，以保持電能輸出穩(wěn)定。雖然也可通過升降壓變換器穩(wěn)定輸出電壓，但會額外增加很大的變換功率消耗。這些方案都會加大系統(tǒng)的配置，增加系統(tǒng)的造價。
其次，由于風(fēng)光互補系統(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，蓄電池組需要不斷地吸收或者釋放能量，可能經(jīng)常反復(fù)進(jìn)行深度充放電，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命縮短，增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。
再次，通信基站直流主機(jī)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，為防止極端惡劣天氣時，系統(tǒng)儲備電力不足， 一般需要配置遠(yuǎn)大于正常使用容量的蓄電池組，以保證系統(tǒng)的正常工作。這樣不僅會提高系統(tǒng)的購置成本，還會在發(fā)電低谷期，造成全部蓄電池長時間處于虧電狀態(tài)運行，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命縮短，也增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。
另外，為了平抑光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的大幅波動造成公共直流母線電壓的波動，影響系統(tǒng)的正常運行，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能會被頻繁切出，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的利用率大大降低。系統(tǒng)的發(fā)電能力低于設(shè)計預(yù)期，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)一步惡化。
因此，優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，延長蓄電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的發(fā)電能力，穩(wěn)定系統(tǒng)的放電輸出，是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明可優(yōu)化蓄電池的充放電過程、減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)、延長蓄電池的使用壽命、提高光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力、穩(wěn)定系統(tǒng)的放電輸出，并可以在極端惡劣天氣或光伏和風(fēng)力發(fā)電量不足等情況下提供更長時間的電力支撐，以保障系統(tǒng)的正常工作。本發(fā)明可為遠(yuǎn)離電網(wǎng)的通信基站提供不間斷的穩(wěn)定供電。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、AC/DC變換器、泄荷器件、儲能裝置、DC/AC逆變器、控制器、兩重直流母線、光伏陣列切換電路、蓄電池組切換電路；所述的兩重直流母線由充電側(cè)直流母線和放電側(cè)直流母線構(gòu)成；所述的充電側(cè)直流母線和放電側(cè)直流母線，可以是正極公共且接地而負(fù)極相互獨立，也可以是負(fù)極公共且接地而正極相互獨立；儲能裝置含有多個蓄電池組；光伏陣列切換電路和蓄電池組切換電路既可以連接到充電側(cè)直流母線，也可以切換到放電側(cè)直流母線；光伏陣列連接到光伏陣列切換電路；風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過AC/DC變換器連接到充電側(cè)直流母線；每個蓄電池組獨立的連接到蓄電池組切換電路。
本發(fā)明的原理是相互獨立的充電側(cè)直流母線和放電側(cè)直流母線，將系統(tǒng)劃分成兩個可以獨立控制的直流回路。充電側(cè)直流母線和與其相連接的光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、AC/DC變換器、待充電蓄電池組形成充電直流回路，放電側(cè)直流母線和與其相連接的光伏陣列、待放電蓄電池組、負(fù)載形成放電直流回路。儲能裝置劃分成多個蓄電池組，各個蓄電池組通過蓄電池組切換電路，或與充電側(cè)直流母線連接，或與放電側(cè)直流母線連接，每個蓄電池組通過一定的方式依序輪換充電放電；光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到充電側(cè)直流母線，為輪換到充電回路的蓄電池組充電，直至其充滿為止，切換另一個蓄電池組充電；負(fù)載連接到放電側(cè)直流母線，由輪換到放電回路的蓄電池組供電，直至其放電到指定的程度為止，切換另一個蓄電池組供電。這樣，每個蓄電池組都按照一定的次序循環(huán)連續(xù)的進(jìn)行充電過程和放電過程。
更進(jìn)一步的，所述的儲能裝置至少含有三個容量相近且可相互并聯(lián)的蓄電池組，至少一個蓄電池組通過蓄電池組切換電路與充電側(cè)直流母線連接，至少一個蓄電池組通過蓄電池組切換電路與放電側(cè)直流母線連接。在所述的蓄電池組切換電路中，具有與蓄電池組個數(shù)相同數(shù)量的分配端和2個輸出端，每個分配端對應(yīng)接入1個蓄電池組，2個輸出端為充電端和放電端；控制器發(fā)出的信號控制分配端的切換，至少1個分配端切換到只與充電端連接，至少1個分配端切換到只與放電端連接；每個蓄電池組或通過充電端與充電側(cè)直流母線連接，或通過放電端與放電側(cè)直流母線連接，或不被連接。這樣，可保證系統(tǒng)的連續(xù)供電和充電，并至少還有一個蓄電池組可處于靜置狀態(tài)，有利于該蓄電池組在充放電之后的電壓恢復(fù)。
所述的光伏陣列可通過光伏陣列切換電路，或與充電側(cè)直流母線連接，或與放電側(cè)直流母線連接，或被短接。在所述的光伏陣列切換電路中，具有1個輸入端和3個輸出端，3個輸出端為充電端、放電端和短路端；控制器發(fā)出的信號控制輸入端切換到只與指定的1個輸出端連接；光伏陣列或通過充電端與充電側(cè)直流母線連接，或通過放電端與放電側(cè)直流母線連接，或通過短路端被短路而關(guān)閉。這樣，相對穩(wěn)定的光伏發(fā)電可以被放電蓄電池組平衡后直接使用。
更優(yōu)選的，所述的光伏陣列至少含有兩個可相互并聯(lián)的子陣列，每個子陣列相互獨立，均可通過光伏陣列逐級切換電路獨立的與充電側(cè)直流母線連接，或與放電側(cè)直流母線連接，或被短接。在所述的光伏陣列逐級切換電路中，具有與光伏陣列子陣列個數(shù)相同數(shù)量的輸入端和3個輸出端，3個輸出端為充電端、放電端和短路端；控制器發(fā)出的信號控制每個輸入端切換到只與指定的1個輸出端連接；每個光伏子陣列或通過充電端與充電側(cè)直流母線連接，或通過放電端與放電側(cè)直流母線連接，或通過短路端被短路而關(guān)閉。這樣，相對穩(wěn)定的光伏發(fā)電可以最大限度的被放電蓄電池組平衡后直接使用。本發(fā)明所述的控制器為包含中央控制單元、充電檢測單元、放電檢測單元的智能控制器;其通過監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓電流變化，在充電直流回路中，接入或斷開或短接光伏陣列，接入或斷開泄荷器件，依序輪換接入充電蓄電池組；同時，通過監(jiān)測放電側(cè)直流母線的電壓電流變化，在放電直流回路中，接入或斷開光伏陣列，依序輪換接入放電蓄電池組。
更進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)還可包括泄荷切換電路、過載保護(hù)電路、負(fù)載分配電路。
所述的泄荷器件至少有兩個且可相互并聯(lián)，每一個泄荷器件，均可通過泄荷切換電路并聯(lián)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和AC/DC變換器之間，或者被斷開。這樣，既可保護(hù)充電側(cè)直流母線的安全，又可使不穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電最大限度的用于蓄電池組的充電，而不是白白消耗掉。
所述的負(fù)載分配電路可直接連接到放電側(cè)直流母線，或通過過載保護(hù)電路連接到放電側(cè)直流母線；其既可輸出通信基站主機(jī)設(shè)備常用的直流電，既可經(jīng)過與之相連的DC/AC逆變器輸出常規(guī)的交流電。這樣，當(dāng)系統(tǒng)輸出過載或發(fā)電量不足時，可以關(guān)閉次要負(fù)載，保證主機(jī)設(shè)備的供電。
所述系統(tǒng)的智能控制器，通過監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓電流變化，在充電直流回路中，逐級接入或斷開或短接光伏子陣列，逐級接入或斷開泄荷器件，依序輪換接入充電蓄電池組；通過監(jiān)測放電側(cè)直流母線的電壓電流變化，在充電直流回路中，逐級接入或斷開光伏子陣列，接入或斷開次要負(fù)載，關(guān)閉或開啟DC/AC逆變器，依序輪換接入放電蓄電池組。
本發(fā)明所述的控制器的充電檢測單元和放電檢測單元，實時監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓Vc和電流Ic、放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id。中央控制單元根據(jù)系統(tǒng)控制程序設(shè)定的電壓值、電流值及其回差，進(jìn)行比較和運算，向各控制開關(guān)發(fā)出脈沖指令。
更進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于兩重直流母線控制的程序設(shè)定了 6個電壓控制值和2個電流控制值。6個電壓控制值分別是，過充保護(hù)電壓V1，充滿電壓V2，最高工作電壓V3，低壓預(yù)警電壓V4，欠壓電壓V5，過放保護(hù)電壓V6，且依次遞減；2個電流控制值分別是，充電側(cè)直流母線的過流保護(hù)電流II，放電側(cè)直流母線的過載保護(hù)電流12。
中央控制單元通過檢測充電側(cè)直流母線的電壓Vc和電流Ic的變化，根據(jù)設(shè)定的過充保護(hù)電壓VI及回差A(yù)V1，發(fā)出信號控制光伏陣列切換電路關(guān)閉或接入光伏陣列，或發(fā)出信號控制泄荷開關(guān)關(guān)閉或接入泄荷器件；根據(jù)設(shè)定的充滿電壓V2及回差A(yù)V2，發(fā)出信號控制蓄電池組切換電路依序輪換接入充電蓄電池組。中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id變化，根據(jù)設(shè)定的最高工作電壓V3及回差A(yù)V3，發(fā)出信號控制光伏陣列切換電路關(guān)閉或接入光伏陣列；根據(jù)設(shè)定的欠壓電壓V5及回差A(yù)V5，發(fā)出信號控制蓄電池組切換電路依序輪換接入放電蓄電池組；根據(jù)設(shè)定的過放保護(hù)電壓V6及回差A(yù)V6，發(fā)出信號控制蓄電池組切換電路關(guān)閉放電蓄電池組。
更進(jìn)一步的，所述的控制器還可包含過載保護(hù)電路、負(fù)載分配電路或DC/AC逆變器時，中央控制單元通過檢測充電側(cè)直流母線的電壓Vc和電流Ic變化，根據(jù)設(shè)定的過流保護(hù)電流Il及回差A(yù)Il，發(fā)出信號關(guān)閉充電直流回路中的全部光伏陣列和接入全部泄荷器件；通過檢測放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id變化，根據(jù)設(shè)定的過載保護(hù)電流I2及回差A(yù)I2,發(fā)出信號控制負(fù)載分配電路關(guān)閉次要負(fù)載、DC/AC逆變器，直至關(guān)閉全部負(fù)載；根據(jù)設(shè)定的過放保護(hù)電壓V6及回差A(yù) V6，發(fā)出信號控制負(fù)載分配電路關(guān)閉或接入次要負(fù)載和DC/AC逆變器。
采用本發(fā)明設(shè)計的基于兩重直流母線控制的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，既能穩(wěn)定輸出通信基站設(shè)備常用的+24V或-48V直流電，也可經(jīng)過DC/AC逆變器輸出常規(guī)的交流電。
在上述的光伏陣列切換電路和蓄電池組切換電路中，可采用MOSFET、 IGBT、雙穩(wěn)態(tài)繼電器或固態(tài)繼電器等電子開關(guān)元件來實現(xiàn)。在滿足切換電路負(fù)荷的前提下，盡可能選擇脈沖工作方式、維持電流小、以及通態(tài)壓降較低的控制方式，盡可能降低切換電路的功耗。
本發(fā)明的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，與現(xiàn)有的公知技術(shù)相比具有以下優(yōu)點-
(1) 風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電是清潔的可再生能源發(fā)電技術(shù)，風(fēng)光互補供電系統(tǒng)為能源短缺的地區(qū)和遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題提供了行之有效的解決方案。
(2) 多個蓄電池組依序輪換充電放電，優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，減少了蓄電池組的充放電循環(huán)次數(shù)，延長了蓄電池的使用壽命，提高了系統(tǒng)的供電保障能力。
(3) 兩個可以獨立控制的直流回路，蓄電池組兩端的電壓波動縮小，能直接為直流負(fù)載提供穩(wěn)定的電力，降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換損耗，提高了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。
(4) 充電過程不受放電過程的限制，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)可連續(xù)接入，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的利用率大大提高，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的發(fā)電能力。
本發(fā)明特別適合于用作遠(yuǎn)離電網(wǎng)的、直流負(fù)載要求穩(wěn)定電壓的、通信基站的供電電源。


圖1是表示本發(fā)明實施例1的系統(tǒng)原理框圖2是進(jìn)一步表示充電側(cè)直流母線和充電直流回路的電路原理圖3是進(jìn)一步表示放電側(cè)直流母線和放電直流回路的電路原理圖4是進(jìn)一步表示兩重直流母線正極公共且接地的系統(tǒng)電路原理圖5是表示本發(fā)明實施例2的系統(tǒng)原理框圖。
圖6是表示本發(fā)明實施例擴(kuò)展的系統(tǒng)原理框圖。
符號說明
附圖中l(wèi)為光伏陣列，101為光伏子陣列1， 102為光伏子陣列2， 103為光伏子陣列3，104為光伏子陣列4， ION為光伏子陣列N， 2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，3為AC/DC變換器，4為充電側(cè)直流母線，5為放電側(cè)直流母線，6為蓄電池組切換電路，6A為充電端，6B為放電端，601為分配端l， 602為分配端2， 603為分配端3， 7為儲能裝置，71為蓄電池組1， 72為蓄電池組2， 73為蓄電池組3， 7N為蓄電池組N， 8為泄荷器件，801為泄荷器件1， 802為泄荷器件2, 80N為泄荷器件N, 9為泄荷開關(guān)，9X為泄荷切換電路，10為中央控制單元，11為充電檢測單元，12為放電檢測單元，14為過載保護(hù)電路，15為負(fù)載分配電路，16為直流設(shè)備，16A為直流主機(jī)設(shè)備，16B為直流次要設(shè)備，17為DC/AC逆變器，18為交流設(shè)備，18B為交流輔助設(shè)備，19為光伏陣列切換電路，19X為光伏陣列逐級切換電路，19A為充電端，19B為放電端，190為接地端，191為輸入端1， 192為輸入端2， 193為輸入端3， 194為輸入端4, 20為控制器。
具體實施例方式
下面參照附圖并通過實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。實施例1
本實施例是一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的基本型，如圖1所示。它包括光伏陣列(l)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2) 、 AC/DC變換器(3)、泄荷器件(8)、儲能裝置(7)、控制器(20)，充電側(cè)直流母線(4)、放電側(cè)直流母線(5)、蓄電池組切換電路(6)、光伏陣列切換電路(19)、過載保護(hù)電路(14)、泄荷開關(guān)(9)、 DC/AC逆變器(17);儲能裝置(7)劃分成3個蓄電池組(71、 72和73),蓄電池組l、 2和3(71、 72和73)的容量相近且可相互并聯(lián)；控制器(20)還包含中央控制單元、充電檢測單元、放電檢測單元。
如圖2、圖3所示，光伏陣列(1)連接到光伏陣列切換電路(19)的輸入端(191)，通過充電端(19A)與充電側(cè)直流母線(4)連接，通過放電端(19B)連接到放電側(cè)直流母線(5)，通過接地端(190)被短接；風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)通過AC/DC變換器(3)與充電側(cè)直流母線(4)連接；蓄電池組切換電路(6)的充電端(6A)連接到充電側(cè)直流母線(4),蓄電池組切換電路(6)的放電端(6B)連接到放電側(cè)直流母線(5);蓄電池組1、 2或3(71、 72或73)獨立的與蓄電池組切換電路(6)的分配端l、 2或3(601、 602或603)連接；直流設(shè)備(16)、 DC/AC逆變器(17)和與之相連的交流設(shè)備(18)通過過載保護(hù)電路(14)連接到放電側(cè)直流母線(5)。
這樣，通過充電側(cè)直流母線(4)和放電側(cè)直流母線(5)構(gòu)成了兩個直流回路充電側(cè)直流母線(4)和與其相連接的光伏陣列(1)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)、 AC/DC變換器(3)、待充電蓄電池組1(71)形成充電直流回路；放電側(cè)直流母線(5)和與其相連接的光伏陣列、待放電蓄電池組3(73)、過載保護(hù)電路(14)、直流設(shè)備(16)、 DC/AC逆變器(17)和與之相連的交流設(shè)備(18)形成放電直流回路；且兩個直流回路可以分別獨立控制。
在本實施例中，充電側(cè)直流母線(4)和放電側(cè)直流母線(5)的負(fù)極相連且接地而正極相互隔離；電源裝置可輸出DC+24V，并可通過DC/AC逆變器(17)輸出AC220V;直流設(shè)備(16)和DC/AC逆變器(17)通過過載保護(hù)電路(14)連接到放電側(cè)直流母線(5) ， DC/AC逆變器(17)上連接交流設(shè)備(18)。
圖4則表示了另外一種充電側(cè)直流母線(4)和放電側(cè)直流母線(5)的正極相連且接地而負(fù)極相互隔離的連接方式；電源裝置可輸出DC-48V，并可通過DC/AC逆變器(17)輸出AC220V。
在蓄電池組切換電路(6)和光伏陣列切換電路(19)中采用雙穩(wěn)態(tài)繼電器作為電子開關(guān)元件，脈沖工作方式的維持電流很小，通態(tài)壓降很低，可有效降低切換電路的功耗。
開機(jī)巡檢后，中央控制單元發(fā)出脈沖信號，控制分配端(601)與充電端(6A)接通，分配端(603)與放電端(6B)接通，分配端(602)空置。這樣，蓄電池組1 (71)連接到充電側(cè)直流母線(4)，蓄電池組3(73)連接到放電側(cè)直流母線(5)，蓄電池組2(72)處于空置狀態(tài)。
光伏陣列(1)通過光伏陣列切換電路(19)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)通過AC/DC變換器(3)連接到充
電側(cè)直流母線(4)，為連接到充電回路的蓄電池組1(71)充電，直至其充滿為止；中央控制單
元通過檢測充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc和電流Ic的變化，根據(jù)設(shè)定的充滿電壓V2及回差A(yù)V2,發(fā)出脈沖信號，控制分配端(602)與充電端(6A)接通，蓄電池組2(72)連接到充電側(cè)直
流母線(4)繼續(xù)充電；同時，控制分配端(601)與充電端(6A)斷開，蓄電池組1(71)處于空置
狀態(tài)，等待放電。
直流設(shè)備(16)和DC/AC逆變器(17)通過過載保護(hù)電路(14)連接到放電側(cè)直流母線(5)，由連接到放電回路的蓄電池組3(73)供電。當(dāng)中央控制單元檢測到放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd低于設(shè)定的低壓預(yù)警電壓V4時,發(fā)出信號，控制光伏陣列切換電路(19)將光伏陣列(1)連接到放電側(cè)直流母線(5)，與連接到放電回路的蓄電池組3(73)并行供電；當(dāng)中央控制單元檢測到放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd高于設(shè)定的最高工作電壓V3時，發(fā)出信號，控制光伏陣列切換電路(19)將光伏陣列(1)退出到充電側(cè)直流母線(4)，為連接到充電回路的蓄電池組充電。
直至中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd和電流Id的變化，根據(jù)設(shè)定的欠壓電壓V5及回差A(yù)V5,發(fā)出脈沖信號,控制分配端(601)與放電端(6B)接通，蓄電池組1(71)連接到放電側(cè)直流母線(4)繼續(xù)放電；同時，控制分配端(603)與放電端(6B)斷開，蓄電池組3(73)處于空置狀態(tài)，等待充電。
如此循環(huán)，蓄電池組l、 2或3(71、 72或73)依序輪換充電或放電。
另外，當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc達(dá)到設(shè)定的過充保護(hù)電壓VI時，發(fā)出信號，控制光伏陣列切換電路(19)關(guān)閉光伏陣列(1);如Vc繼續(xù)大于Vl，則進(jìn)一步發(fā)出信號，控制泄荷開關(guān)(9)接入泄荷器件(8)。當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc低于設(shè)定的過充保護(hù)電壓Vl及回差A(yù)Vl時,發(fā)出信號，控制泄荷開關(guān)(9)斷開泄荷器件(8),并進(jìn)一步控制光伏陣列切換電路(19)接入光伏陣列(1)。
當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc達(dá)到設(shè)定的過放保護(hù)電壓V6時,發(fā)出信號，控制蓄電池組切換電路(19)關(guān)閉其放電端(6B)。當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc高于設(shè)定的最高工作電壓V3時，發(fā)出信號，控制蓄電池組切換電路(19)輪換充電蓄電池組到放電側(cè)直流母線(5)，重新開始放電。
更進(jìn)一步的，中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd和電流Id變化，根據(jù)設(shè)定的過流保護(hù)電流II，發(fā)出信號控制光伏陣列切換電路(19)關(guān)閉光伏陣列(1)，控制泄荷開關(guān)(9)接入泄荷器件(8)。
中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd和電流Id變化，根據(jù)設(shè)定的過載保護(hù)電流12，發(fā)出信號控制蓄電池組切換電路(19)關(guān)閉其放電端(6B),從而關(guān)閉全部負(fù)載。
實施例2本實施例為一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的擴(kuò)展型，如圖 5所示。它包括光伏陣列(l)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2) 、 AC/DC變換器(3)、泄荷器件(8)、儲能裝置(7)、 控制器(20)，充電側(cè)直流母線(4)、放電側(cè)直流母線(5)、蓄電池組切換電路(6)、光伏陣列逐 級切換電路(19X)、泄荷開關(guān)(9)、 DC/AC逆變器(17)、過載保護(hù)電路(14)、負(fù)載分配電路(15); 儲能裝置(7)劃分成3個蓄電池組(71、 72和73),蓄電池組l、 2和3(71、 72和73)的容量 相近且可相互并聯(lián)；光伏陣列(1)劃分成4個光伏子陣列(101、 102、 103和104)，光伏子陣 列l(wèi)、 2、 3和4(101、 102、 103和104)的額定電壓相同且可相互并聯(lián)；控制器(20)還包含中 央控制單元、充電檢測單元、放電檢測單元。
光伏子陣列l(wèi)、 2、 3和4(101、 102、 103和104)分別連接到光伏陣列逐級切換電路(19X) 的輸入端l、 2、 3和4(191、 192、 193和194)，通過充電端(19A)與充電側(cè)直流母線(4)連接， 通過放電端(19B)連接到放電側(cè)直流母線(5),通過接地端(190)被短接；風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)通過 AC/DC變換器(3)與充電側(cè)直流母線(4)連接；蓄電池組切換電路(6)的充電端(6A)連接到充電 側(cè)直流母線(4)，蓄電池組切換電路(6)的放電端(6B)連接到放電側(cè)直流母線(5);每個蓄電池 組(71、 72或73)獨立的與蓄電池組切換電路(6)的分配端1、 2或3(601、 602或603)連接； 控制器(20)還包含中央控制單元、充電檢測單元、放電檢測單元。
這樣，通過充電側(cè)直流母線(4)和放電側(cè)直流母線(5)構(gòu)成了兩個直流回路；充電側(cè)直流 母線(4)和與其相連接的光伏子陣列1、 2、 3或4(101、 102、 103或104)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(2)、 AC/DC變換器(3)、待充電蓄電池組1(71)形成充電直流回路；放電側(cè)直流母線(5)和與其相連 接的光伏陣列、待放電蓄電池組3(73)、過載保護(hù)電路(14)、負(fù)載分配電路(15)、直流主機(jī) 設(shè)備(16A)、直流次要設(shè)備(16B)、 DC/AC逆變器(17)和與之相連的交流輔助設(shè)備(18B)形成放 電直流回路；且兩個直流回路可以分別獨立控制。
在本實施例中，充電側(cè)直流母線(4)和放電側(cè)直流母線(5)的正極相連且接地而負(fù)極相互 隔離；負(fù)載分配電路(15)通過過載保護(hù)電路(14)連接到放電側(cè)直流母線(5),直流主機(jī)設(shè)備 (16A)、直流次要設(shè)備(16B)和DC/AC逆變器(17)連接到負(fù)載分配電路(15)上，DC/AC逆變器 (17)上連接交流輔助設(shè)備(18B);電源裝置可輸出DC-48V,并可通過DC/AC逆變器(17)輸出 AC220V。
在蓄電池組切換電路(6)和光伏陣列逐級切換電路(19X)中采用MOSFET作為電子開關(guān)元 件，脈沖控制方式的維持電流很小，通態(tài)壓降低，可有效降低切換電路的功耗。
開機(jī)巡檢后，中央控制單元發(fā)出脈沖信號，控制分配端(601)與充電端(6A)接通，分配端 (603)與放電端(6B)接通，分配端(602)空置。這樣，蓄電池組1 (71〉連接到充電側(cè)直流母線 (4)，蓄電池組3(73)連接到放電側(cè)直流母線(5)，蓄電池組2(72)處于空置狀態(tài)。
光伏子陣列1、 2、 3和4(101、 102、 103和104)通過光伏陣列逐級切換電路(19X)、風(fēng) 力發(fā)電機(jī)(2)通過AC/DC變換器(3)連接到充電側(cè)直流母線(4)，為連接到充電回路的蓄電池組 1(71)充電，直至其充滿為止；中央控制單元通過檢測充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc和電流
11Ic的變化，根據(jù)設(shè)定的充滿電壓V2及回差A(yù)V2,發(fā)出脈沖信號，控制分配端(602)與充電端 (6A)接通，蓄電池組2(72)連接到充電側(cè)直流母線(4)繼續(xù)充電；同時，控制分配端(601)與 充電端(6A)斷開，蓄電池組1(71)處于空置狀態(tài)，等待放電。直流主機(jī)設(shè)備(16A)、直流次要設(shè)備(16B)和DC/AC逆變器(17)通過過載保護(hù)電路(14)和 負(fù)載分配電路(15)連接到放電側(cè)直流母線(5)，由連接到放電回路的蓄電池組3(73)供電。當(dāng) 中央控制單元檢測到放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd低于設(shè)定的低壓預(yù)警電壓V4時,發(fā)出信號， 控制光伏陣列逐級切換電路(19X)將光伏子陣列1、 2、 3或4(101、 102、 103或104)逐個連 接到放電側(cè)直流母線(5)，與連接到放電回路的蓄電池組3(73)并行供電；當(dāng)中央控制單元檢 測到放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd高于設(shè)定的最髙工作電壓V3時,發(fā)出信號，控制光伏陣列 逐級切換電路(19X)將光伏子陣列1、 2、 3或4(101、 102、 103或104)逐個退出到充電側(cè)直 流母線(4),為連接到充電回路的蓄電池組充電。直至中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd和電流Id的變化，根據(jù)設(shè)定的 欠壓電壓V5及回差A(yù) V5,發(fā)出脈沖信號，控制分配端(601)與放電端(6B)接通，蓄電池組1 (71) 連接到放電側(cè)直流母線(4)繼續(xù)放電；同時，控制分配端(603)與放電端(6B)斷開，蓄電池組 3(73)處于空置狀態(tài)，等待充電。如此循環(huán)，蓄電池組l、 2或3(71、 72或73)依序輪換充電或放電。另外，當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc達(dá)到設(shè)定的過充保護(hù)電壓VI 時,發(fā)出信號，控制光伏陣列逐級切換電路(19X)逐個短接光伏子陣列1、 2、 3或4(101、 102、 103或104);如Vc繼續(xù)大于Vl，則進(jìn)一步發(fā)出信號，控制泄荷開關(guān)(9)接入泄荷器件(8)。 當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc低于設(shè)定的過充保護(hù)電壓VI及回差A(yù) VI 時,發(fā)出信號，控制泄荷開關(guān)(9)斷開泄荷器件(8)，并進(jìn)一步控制光伏陣列逐級切換電路(19X) 逐個接入光伏子陣列l(wèi)、 2、 3或4(101、 102、 103或104)。當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc達(dá)到設(shè)定的過放保護(hù)電壓V6時,發(fā) 出信號，控制蓄電池組切換電路(19)關(guān)閉其放電端(6B)。當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流 母線(4)的電壓Vc高于設(shè)定的最髙工作電壓V3時，發(fā)出信號，控制蓄電池組切換電路(19)輪 換充電蓄電池組到放電側(cè)直流母線(5),重新開始放電。更進(jìn)一歩的，中央控制單元通過檢測充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc和電流Ic變化，根據(jù) 設(shè)定的過流保護(hù)電流II,發(fā)出信號控制光伏陣列逐級切換電路(19X)關(guān)閉全部光伏子陣列，控 制泄荷開關(guān)(9)接入泄荷器件(8)。中央控制單元通過檢測放電側(cè)直流母線(5)的電壓Vd和電流Id變化，根據(jù)設(shè)定的過載保 護(hù)電流12,發(fā)出信號控制負(fù)載分配電路(15)關(guān)閉直流次要設(shè)備(16B)和DC/AC逆變器(17),直 至關(guān)閉全部負(fù)載。另外，如圖6所示的另一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的擴(kuò) 展型，可以將儲能裝置(7)劃分成更多個蓄電池組，也可以將光伏陣列(l)劃分成更多個光伏子陣列。
更進(jìn)一步的，該系統(tǒng)還可以包括多個可相互并聯(lián)的泄荷器件和泄荷切換電路(9X),每一 個泄荷器件，均可通過泄荷切換電路(9X)單個或者全部并聯(lián)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和AC/DC變換器之 間，或者被斷開。當(dāng)中央控制單元檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電壓Vc達(dá)到設(shè)定的過充保護(hù) 電壓VI時,或者檢測到充電側(cè)直流母線(4)的電流Ic超過設(shè)定的過流保護(hù)電流II時，發(fā)出信 號，控制泄荷切換電路(9X)逐個接入泄荷器件(8)。
權(quán)利要求
1、一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其包括光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、AC/DC變換器、泄荷器件、泄荷開關(guān)、儲能裝置、DC/AC逆變器和控制器，其特征在于所述的系統(tǒng)中還包括兩重直流母線、光伏陣列切換電路、蓄電池組切換電路；兩重直流母線由充電側(cè)直流母線和放電側(cè)直流母線構(gòu)成；光伏陣列切換電路和蓄電池組切換電路既可以連接到充電側(cè)直流母線，也可以切換到放電側(cè)直流母線；光伏陣列連接到光伏陣列切換電路；風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過AC/DC變換器連接到充電側(cè)直流母線；儲能裝置含有多個蓄電池組，每個蓄電池組獨立的連接到蓄電池組切換電路；充電側(cè)直流母線和與其相連接的光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、AC/DC變換器、待充電蓄電池組形成充電直流回路，放電側(cè)直流母線和與其相連接的光伏陣列、待放電蓄電池組、負(fù)載形成放電直流回路，且兩個直流回路可以獨立控制。
2、 如權(quán)利要求l所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的兩重直流母線，即充電側(cè)直流母線和放電側(cè)直流母線，可以是正極公共且接地而負(fù)極相互獨立，也可以是負(fù)極公共且接地而正極相互獨立。
3、 如權(quán)利要求1和2所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的儲能裝置至少含有三個容量相近且可相互并聯(lián)的蓄電池組；至少有一個蓄電池組通過蓄電池組切換電路與充電側(cè)直流母線連接，同時至少有一個蓄電池組通過蓄電池組切換電路與放電側(cè)直流母線連接。
4、 一種如權(quán)利要求1 3所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的光伏陣列至少含有兩個可相互并聯(lián)的子陣列；每個子陣列相互獨立，且均可通過光伏陣列切換電路獨立的與充電側(cè)直流母線連接，或與放電側(cè)直流母線連接，或被短接。
5、 如權(quán)利要求1 4所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器為包含中央控制單元、充電檢測單元、放電檢測單元的智能控制器；充電檢測單元和放電檢測單元，可實時監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓Vc和電流Ic以及放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id;中央控制單元通過監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓VC和電流IC的變化，在充電直流回路中，接入或斷開或短接光伏陣列，接入或斷開泄荷器件，依序輪換接入充電蓄電池組；中央控制單元通過監(jiān)測放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id的變化，在放電直流回路中，接入或斷開光伏陣列，依序輪換接入放電蓄電池組。
6、 一種如權(quán)利要求1 5所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)還可包括泄荷切換電路、過載保護(hù)電路或負(fù)載分配電路的之一或全部。
7、 如權(quán)利要求1和6所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的負(fù)載分配電路可直接連接到放電側(cè)直流母線，或通過過載保護(hù)電路連接到放電側(cè)直流母線；其既可輸出通信基站主機(jī)設(shè)備常用的直流電，也可經(jīng)過與之相連的DC/AC逆變器輸出常規(guī)的交流電。
8、 如權(quán)利要求l、 6和7所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)的智能控制器，通過監(jiān)測充電側(cè)直流母線的電壓Vc和電流Ic變化，在充電直流回路中，逐級接入或斷開或短接光伏陣列，逐級接入或斷開泄荷器件，依序輪換接入充電蓄電池組；通過監(jiān)測放電側(cè)直流母線的電壓Vd和電流Id變化，在放電直流回路中，逐級接入或斷開光伏陣列，接入或斷開次要負(fù)載，關(guān)閉或開啟DC/AC逆變器，依序輪換接入放電蓄電池組。
9、 如權(quán)利要求1所述的基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)的控制程序設(shè)定了6個依次遞減的電壓控制值和2個電流控制值，即，過充保護(hù)電壓V1，充滿電壓V2，最高工作電壓V3，低壓預(yù)警電壓V4，欠壓電壓V5，過放保護(hù)電壓V6，充電側(cè)直流母線的過流保護(hù)電流Il,放電側(cè)直流母線的過載保護(hù)電流I2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于兩重直流母線控制的通信基站用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，它包括光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池組、泄荷器件、智能控制器、充電側(cè)直流母線、放電側(cè)直流母線、蓄電池組切換電路、光伏陣列切換電路、泄荷切換電路、過載保護(hù)電路、負(fù)載分配電路、AC/DC變換器、DC/AC逆變器。智能控制器通過監(jiān)測兩重直流母線的電壓電流變化，依序輪換接入充電蓄電池組和放電蓄電池組，逐級切換光伏陣列和接入泄荷器件，控制次要負(fù)載的接入。本發(fā)明可有效提高光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力以及蓄電池的利用率，延長蓄電池的使用壽命，提供穩(wěn)定的直流輸出，降低系統(tǒng)的成本，可以為遠(yuǎn)離電網(wǎng)的通信基站提供不間斷的穩(wěn)定供電。
文檔編號H02J7/35GK101673963SQ200910046068
公開日2010年3月17日 申請日期2009年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日
發(fā)明者路建鄉(xiāng) 申請人:路建鄉(xiāng)