專利名稱：基于z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電系統(tǒng)，特別是涉及一種基于z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國的西北偏遠地區(qū)，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個牧民家庭從經(jīng)濟角度考慮是不合理的。加之我國東南還擁有眾多的島嶼，在這些狹小的島嶼地區(qū)無法統(tǒng)一建設(shè)大面積的電網(wǎng)。因此這些地區(qū)的供電問題就顯得日益突出了。幸運的是這些地區(qū)一般都擁有豐富的太陽能或者風力等可再生能源，在邊遠地區(qū)大規(guī)模推廣這些可再生能源的供電系統(tǒng)，就顯得十分經(jīng)濟。
太陽能和風能有著天然的互補性。夏天， 一般日照強烈，太陽能資源豐富，而此時
風能一般較弱；冬天，風強而太陽光弱。在白天，太陽充足，而風較??；而晚上則風較大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上和經(jīng)濟上都具有最佳的匹配性。
中國專利200710046856 "多風機并聯(lián)型風光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)"中逆變部分采用并網(wǎng)逆變器，該逆變器的升壓電路包括微處理器，升壓電路A和升壓電路B，采用全橋式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，硬件多，效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在逆變部分采用z源結(jié)構(gòu)升壓，全橋拓撲逆變，電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，單相交流輸出，提高
了輸出電壓波形質(zhì)量和系統(tǒng)效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列、風力發(fā)電機、風光互補控制器、蓄電池、逆變器和負載；其連接方式是光伏陣列與風力發(fā)電機分別連接風光互補控制器，風光互補控制器連接逆變器，蓄電池同時連接風光互補控制器和逆變器，逆變器連接負載，其特征在于逆變器釆用了Z源電路構(gòu)成的Z源網(wǎng)絡(luò)升壓。如上所述的基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于Z源網(wǎng)絡(luò)是單級電路，結(jié)
構(gòu)簡單，硬件少，效率高，可靠性高，實用性強。
如上所述的基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于Z源網(wǎng)絡(luò)可以直通，其逆
變器不需要死區(qū)，其SPWM調(diào)制中無需死區(qū)補償，這樣輸出的電壓波形質(zhì)量就較高。
本發(fā)明的有益效果是逆變部分采用Z源結(jié)構(gòu)升壓，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，
從而提高了系統(tǒng)的實用性，為整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣提供了一個良好的基礎(chǔ)；考
慮到方案所處環(huán)境的惡劣性，系統(tǒng)給出了過熱、短路、過載、反接等異常情況下的保護功能。


圖1為本發(fā)明基于Z源的風光互補控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明風光互補充放電控制部分的內(nèi)部示意電路圖；圖3為本發(fā)明風光互補逆變部分的內(nèi)部示意電路圖；圖4為本發(fā)明風光互補最大功率跟蹤技術(shù)流程圖5為本發(fā)明風光互補逆變部分的電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方案
下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明內(nèi)容作進一步的說明。
圖2中標記說明l一光伏陣列，2—風力發(fā)電機，3—蓄電池。圖3中標記說明4一Z源電路，5 —單相逆變橋。
如圖1所示，z源的風光互補控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括光伏陣列、風力發(fā)電機、風
光互補控制器、蓄電池、逆變器和負載，光伏陣列與風力發(fā)電機分別連接風光互補控制器，風光互補控制器連接逆變器，蓄電池同時連接風光互補控制器和逆變器，逆變器連
接負載。實施例中選用北京AAB的1000W水平軸風力發(fā)電機一臺，太陽能電池組件選用無錫尚德生產(chǎn)的STP130-12/Tb，共計8塊，自行開發(fā)研制的風光互補控制器和逆變器各_^臺。
如圖2所示，利用風力發(fā)電機輸出的波動較大的三相交流電，經(jīng)三相整流橋整流濾波后變成脈動較小的直流。在系統(tǒng)發(fā)生故障(例如風機過速等)、蓄電池已經(jīng)充滿或者在對風力發(fā)電機維護的時候，利用控制芯片驅(qū)動K1與卸荷電阻R的連接，將風力發(fā)電機2產(chǎn)生的電能全部消耗在卸荷電阻上。在正常工作的情況下，卸荷電阻R總是處于切除狀態(tài)。此時，風力發(fā)電機2產(chǎn)生的電能經(jīng)過防反二極管D2送入后面的斬波電路。同時，太陽能電池產(chǎn)生的電能同樣經(jīng)防反二極管D1也送入后面的斬波電路?？紤]到風能和太陽能的互補性，在風大的情況下，則風力發(fā)電機產(chǎn)生的電壓要大于太陽能電池的電壓，太陽能電池被二極管D1反向截止。同樣，在太陽充足的情況下，則太陽能電池產(chǎn)生的電壓大于風力發(fā)電機。當二者相近的情況下，則兩者同時通過二極管給后面的蓄電池3充電。
實施例水平軸風力發(fā)電機產(chǎn)生電壓、電流和頻率都是瞬時變化的三相交流電。在通過三相整流橋后變成電壓脈動的直流電流，在系統(tǒng)故障、風機過速等情況下，控制芯片驅(qū)動Kl關(guān)閉，卸荷電阻R (電阻性負載)被接入電路。這樣風力發(fā)電機和太陽能電池輸出的直流波動電壓將一直被控制在DC200V以下。風力發(fā)電機和太陽能電池產(chǎn)生的電流各自通過二極管Dl和D2進入Buck電路，D1和D2具有自主分流的作用。Buck電路在芯片軟件算法的控制下完成最大功率跟蹤。產(chǎn)生的電能一部分被送入蓄電池儲存起來。本實施例選用湖北駱駝生產(chǎn)的6-GFM-100 8個，四個串聯(lián)成一組然后并聯(lián)使用。Buck輸出的另一部分電能則被直接送入后級逆變部分。
如圖3所示，風光互補的逆變部分，風能和太陽能儲存在蓄電池3的能量，通過
防反二極管后，利用Z源電路進行升壓。Z源電路4就是圖3中的電源V、電感L1,L2
和電容C2組成.Z源電路4和單相逆變橋5構(gòu)成Z源網(wǎng)絡(luò)。
實施例蓄電池上的48V直流電能通過Z源拓撲升壓到400V，然后通過全橋逆變拓撲進行逆變，通過LC濾波器濾除高頻干擾后，通過工頻隔離變壓器輸出給用戶。本實施例采用的1000W逆變器樣機，輸出為工頻50Hz，正弦220V。
Z源電路較傳統(tǒng)的推挽升壓電路，有著如下的優(yōu)勢
①由于Z源網(wǎng)絡(luò)是單級電路，結(jié)構(gòu)簡單，硬件少，效率高，可靠性高；② Z源網(wǎng)絡(luò)提高了系統(tǒng)的安全性，直通不再損壞逆變器的開關(guān)管，而且變成其正常的一種工作狀態(tài)；
③ 因為Z源網(wǎng)絡(luò)可以直通，因此其逆變器就不需要死區(qū)，其SP觀調(diào)制中也就無需死區(qū)補償，這樣輸出的電壓波形質(zhì)量就較高。
為了提高整個系統(tǒng)充放電的效率，工程上一般采用定步長擾動觀察法來實現(xiàn)最大功率跟蹤。傳統(tǒng)的跟蹤算法雖然實現(xiàn)簡單，但是存在如下缺點
① 由于跟蹤步長固定，因此其動態(tài)響應(yīng)速度較慢；
② 定步長在最大功率點附近會產(chǎn)生振蕩，損失一部分功率；針對以上缺點，系統(tǒng)采用變步長擾動觀察法跟蹤策略。具體控制算法如圖4所示。
控制芯片通過軟件算法產(chǎn)生的P觀驅(qū)動波形驅(qū)動開關(guān)管Ql，利用Buck電路對蓄電池進行充電。
如圖5所示，Z源逆變器的雙閉環(huán)控制策略的實現(xiàn)。電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)
控制策略的控制過程是外環(huán)電壓以理想的正弦波為參考電壓US，輸出電壓UO與參考
電壓Us進行比較，比較后的結(jié)果在經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)，然后其作為內(nèi)環(huán)電流的參考，該電流的參考值與反饋電流Io比較，再次經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生的信號U1與頻率為IOK附近的三角波進行比較，產(chǎn)生兩路互補的驅(qū)動信號，驅(qū)動開關(guān)管的開通與關(guān)斷。系統(tǒng)輸出的正弦信號經(jīng)過LC低通濾波器后輸出高質(zhì)量的單相交流電，供負載使用。
考慮到系統(tǒng)經(jīng)常處于環(huán)境十分惡劣的場合，解決方案提供了過載保護、過熱保護、短路保護、過流保護和反接保護。其中過熱和過載保護分別采用熱電偶和電流傳感器對溫度信號和電流信號進行采樣，調(diào)理后送入控制芯片的AD 口，在控制芯片內(nèi)部通過軟件與閥值的比較完成異常的保護。過流保護和反接保護都是通過在公共支路上的保險絲過流后的熔斷實現(xiàn)。
本系統(tǒng)較傳統(tǒng)設(shè)計方案簡單，效率高，輸出電壓波形質(zhì)量高等顯著優(yōu)點。該系統(tǒng)的發(fā)明對于解決我國邊遠牧區(qū)和海島哨所等場合的供電問題具有十分現(xiàn)實的意義，更是我國建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的有益嘗試。
權(quán)利要求
1.基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列、風力發(fā)電機、風光互補控制器、蓄電池、逆變器和負載；其連接方式是光伏陣列與風力發(fā)電機分別連接風光互補控制器，風光互補控制器連接逆變器，蓄電池同時連接風光互補控制器和逆變器，逆變器連接負載，其特征在于逆變器采用了Z源電路構(gòu)成的Z源網(wǎng)絡(luò)升壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于Z源 網(wǎng)絡(luò)是單級電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 Z源網(wǎng)絡(luò)直通，其逆變器無死區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于Z源的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，屬于新能源發(fā)電領(lǐng)域，其目的在于利用自然界常見的風能和太陽能為用戶提供一種安全穩(wěn)定的電源，發(fā)明中采用基于Z源電路結(jié)構(gòu)的升壓裝置和基于DSP實現(xiàn)的變步長擾動觀察法的跟蹤控制策略，由充放電控制器、儲能蓄電池、逆變器等三部分組成，風光互補控制器將風力發(fā)電機捕獲的風能利用整流器轉(zhuǎn)化為直流，與太陽能電池板捕獲的太陽能一起為儲能裝置(蓄電池)充電，逆變器是將蓄電池儲存的電能釋放出來，通過一定的電路和控制方法實現(xiàn)交流220V穩(wěn)定輸出，供負載使用，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬件少，有效的提高了工作效率。
文檔編號H02J15/00GK101645615SQ20091006385
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者但小容, 研 何, 飛 劉, 婷 尹, 冰 張, 杰 張, 徐思恩, 輝 李, 李文嵐, 硯 杜, 杜忠東, 柳歡歡, 王曉琪, 召 袁, 晶 許, 許任重, 軍 趙, 進 邱, 陳軒恕 申請人:國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司