一种风光互补电能供应装置

1.本发明属于新能源技术领域，特别是涉及一种风光互补电能供应装置。


背景技术：

2.独立的风力发电装置在无风天气下无法提供电能的连续供应，而太阳能发电装置在夜晚以及阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应。风能、太阳能在时间和季节上都有很强的互补性：白天太阳光照好、风小，而晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风/光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。这一特性可以使独立的太阳能和风能结合起来组成风光互补发电系统，提高供电系统的稳定性以及可靠性。但是现有技术中的风光互补供电装置无法为负载提供智能安全供电。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种风光互补电能供应装置，以解决上述现有技术无法为负载提供智能安全供电的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种风光互补电能供应装置，包括发电模块、控制器、能量存储模块，所述控制器用于将不稳定的初始电压转换为稳定的输出电压，所述初始电压为发电模块输出的电压；
6.所述控制器分别与负载、能量存储模块连接，用于分别对负载、能量存储模块进行充电，所述能量存储模块与所述负载连接，用于对负载进行供电；发电模块包括风力发电机和太阳能电池板。
7.可选的，所述控制器包括：风机充电模块，用于将风力发电机输出的三相交流电转换为直流电，实现对能量存储模块的充电；太阳能充电模块，将太阳能板输出不稳定的的直流转换为稳定的直流电，实现对能量存储模块的充电；充放电控制模块，根据日照强弱、风力大小和负荷变化，调整能量存储模块的工作状态；负载控制模块，用于完成对负载工作状态的智能控制。
8.可选的，所述风机充电模块包括：
9.整流滤波模块，用于将三相交流电转换为平滑的直流电；
10.直流变换模块，用于将平滑的直流电转换为所需的直流电；
11.反馈模块，用于将直流变换模块输出的电压与预设的基准电压进行比较，根据比较结果改变pwm信号的占空比，实现对输出电压的调节。
12.可选的，还包括保护模块，用于对能量存储模块实现过充、过放保护。
13.可选的，所述太阳能充电模块采用扰动观察法实现太阳能电池板最大功率跟踪。
14.可选的，所述能量存储模块连接有电压检测模块，用于对所述能量存储模块的充电过程进行监测。
15.可选的，所述负载包括直流负载、交流负载，其中，所述直流变换模块与所述直流负载连接，所述能量存储模块通过逆变器与所述交流负载连接。
16.本发明的技术效果为：本技术提供了一种风光互补电能供应装置，发电模块包括风力发电机和太阳能电池板，分别将风能、太阳能转化为电力能源，能量的存储环节由能量存储模块来承担，它既可以充电又可以放电，有利于消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用。控制器将风力发电机和太阳能电池板输出的间断、不稳定电能转化为稳定的电能送往直流负载或交流负载，同时把多余的能量按能量存储模块的特性曲线对能量存储模块进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把能量存储模块的电能送往负载。本方案实现了风光互补电能供应装置的智能控制，并可以将能量安全输送给负载。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明实施例中的风光互补电能供应装置的结构示意图；
19.图2为本发明实施例中的控制器的结构示意图；
20.图3为本发明实施例中的风机充电模块的结构示意图；
21.图4为本发明实施例中的整流滤波模块的电路原理图；
22.图5为本发明实施例中的直流变换模块的电路原理图；
23.图6为本发明实施例中的太阳能充电模块的电路原理图；
24.图7为本发明实施例中的扰动观察发控制流程示意图；
25.图8为本发明实施例中的负载控制模块的原理图；
26.图9为本发明实施例中的能量存储模块二阶法充电曲线示意图；
27.图10为本发明实施例中的能量存储模块三阶法充电曲线示意图；
28.图11为本发明实施例中的电压检测模块的工作流程示意图。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
30.下面结合图1-11描述本发明的一种风光互补电能供应装置。
31.如图1所示，本实施例中提供一种风光互补电能供应装置，包括：控制器、能量存储模块，所述控制器用于将不稳定的初始电压转换为稳定的输出电压，所述初始电压为风力发电机和太阳能电池板输出的电压；所述控制器分别与负载、能量存储模块，用于分别对负载、能量存储模块进行充电，所述能量存储模块与所述负载连接，用于对负载进行供电。
32.具体地，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置，主要由风力机、传动机构和发电机等组成。通过风力机将风能转化为机械能，然后通过传动机构传递机械能，最后通过发电机把机械能转化为电能。
33.太阳能电池板是一种将太阳能转化为电能的发电装置，其能量转换基础是导体p-n结的光伏效应。
34.控制器将风力发电机和太阳能电池板输出的间断、不稳定电能转化为稳定的电能送往直流负载或交流负载，同时把多余的能量按能量存储模块的特性曲线对能量存储模块组进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把能量存储模块的电能送往负载。
35.本实施例中，发电环节中包含风力发电部分和太阳能发电两个部分，分别将风能、太阳能转化为电力能源，能量的存储环节由能量存储模块来承担，既可以充电又可以放电，有利于消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用。太阳能发电稳定可靠，而风力发电随机性很大，供电可靠性差，若将两者结合起来可实现稳定供电。因此风光互补发电系统能提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，已经应用到很多地区。
36.进一步的，能量存储模块的充电方式如图9-10所示，包括：
37.二阶段充电法：首先采用恒定电流充电，当电压达到预定值(浮充电压)时，再采用恒定电压进行充电直到充电完成；
38.三阶段充电法：第一阶段为大电流恒流充电，第三阶段为小电流恒流充电，而第二阶段为恒压充电。
39.能量存储模块的储能作用：由于风能和太阳能是一种不稳定的能源，在其充足的条件下，将通过风力发电机和太阳能电池板采集的多余的能源储存起来，当风能，太阳能不足时，再提供给负载；另外，能量存储模块的稳压作用：风力发电机和太阳能电池板输出电压经过控制器作用，其输出较稳定，但是电压变化仍然较大，通过能量存储模块的调节，使得输出到负载的电压更加稳定。
40.本实施例中，采用阀控式免维护铅酸电池作为能量存储模块，该电池为60％～80％的深度循环放电电池，其极板厚度大，可承受的放电量为其标定容量的80％。电池寿命为5～10年。
41.进一步的，如图8所示，load_control为负载开关控制信号，当其为高电平时，mosfet管q4、q5导通，负载负极load-与蓄电池负极agnd相通，负载开始工作；当load_control为低电平时，mosfet管q4、q5关断，负载负极load与蓄电池负极agnd断开，负载关闭。图中稳压二级管d9、d11作用是保护mosfet管q4、q5，防止负载控制信号由于异常情况突然升高，烧毁开关管。
42.进一步优化方案，如图2所示，所述控制器包括：风机充电模块，用于将风力发电机输出的不稳定的三相交流电转换为稳定的直流电，实现对能量存储模块的充电；
43.如图6所示，太阳能充电模块，将太阳能板输出不稳定的的直流转换为稳定的直流电，实现对能量存储模块的充电；
44.充放电控制模块，根据日照强弱、风力大小和负荷变化，调整能量存储模块的工作状态；负载控制模块，用于完成对负载工作状态的智能控制。具体地，该模块控制电源模块调整后的电路一部分输向直流负荷，剩余的部分送往能量存储模块组储存起来。当发电量不能满足负荷时，控制器又把能量存储模块的电能送往负载。
45.进一步优化方案，如图3所示，所述风机充电模块包括：
46.整流滤波模块，用于将三相交流电转换为平滑的直流电；
47.直流变换模块，用于将平滑的直流电转换为所需的直流电；
48.反馈模块，用于将直流变换模块输出的电压与预设的基准电压进行比较，根据比
较结果改变pwm信号的占空比，实现对输出电压的调节。
49.具体地，如图4所示，整流电路的输出电压虽然实现了将交流电变为直流电，但是输出的直流电脉动较大，含有多大的谐波成分，不能适应大多数电子线路以及设备的需要。因此在整流电路后面均需要利用滤波电路将脉动的直流电变为平滑的直流电。
50.进一步的，如图5所示，直流变换模块的电路包括：串联的第一mos管q1、第二二极管d2，串联的第二mos管q2、第一二极管d1；所述mos管q1的输出端与第一二极管d1的负极连接，第二二极管d2的正极与第二二极管d2的输入端连接，第一电容c1的正极与mos管q1的输出端连接，第一电容c1的负极与第二二极管d2的正极连接。变压器的第一线圈同名端与第一mos管q1的输入端连接，变压器的第一线圈的非同名端与第一二极管d1的正极连接，变压器的第二线圈串联有第三二极管d3、电感l、电阻r形成闭合回路，第二电容与电阻r并联，电阻r与第四二极管d4并联，第三二极管d3的负极与第四二极管d4的负极连接。
51.进一步优化方案，本装置还包括保护模块，用于对能量存储模块实现过充、过放保护。例如，风力发电机、太阳能电池板的卸荷控制，以及防雷、太阳能防反充、过电压自动刹车、能量存储模块反接和开路保护等。
52.进一步优化方案，如图7所示，所述太阳能充电模块采用扰动观察法实现太阳能电池板最大功率跟踪。具体地，预先设置一指定的占空比，测量目前功率p0，并加入扰动产生电流电压变化，利用电压电流传感器测得此时的u1，i1，并计算出p1＝u1·
i1。对p0，p1，进行比较，若p1》p0，则说明扰动是让系统向其最大功率输出方向变动，则调节相应的占空比，继续这种扰动。反之，则改变扰动方式，通过mppt控制，送出这时的控制信号，再对比这次扰动前后的功率值，循环进行下去，直至系统功率值在某一点左右变化为止。
53.进一步优化方案，如图11所示，所述能量存储模块连接有电压检测模块，用于对所述能量存储模块的充电过程进行监测。
54.进一步优化方案，为负载提供稳定的电压，负载也可分为直流负载、交流负载，其中，所述直流变换模块与所述直流负载连接，所述能量存储模块通过逆变器与所述交流负载连接。
55.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种风光互补电能供应装置，其特征在于：包括发电模块、控制器、能量存储模块，所述控制器用于将不稳定的初始电压转换为稳定的输出电压，所述初始电压为发电模块输出的电压；所述控制器分别与负载、能量存储模块连接，用于分别对负载、能量存储模块进行充电，所述能量存储模块与所述负载连接，用于对负载进行供电；所述发电模块包括风力发电机和太阳能电池板。2.根据权利要求1所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：所述控制器包括：风机充电模块，用于将风力发电机输出的三相交流电转换为直流电，实现对能量存储模块的充电；太阳能充电模块，用于将太阳能板输出不稳定的的直流转换为稳定的直流电，实现对能量存储模块的充电；充放电控制模块，用于根据日照强弱、风力大小和负荷变化，调整能量存储模块的工作状态；负载控制模块，用于完成对负载工作状态的智能控制。3.根据权利要求2所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：所述风机充电模块包括：整流滤波模块，用于将三相交流电转换为平滑的直流电；直流变换模块，用于将平滑的直流电转换为所需的直流电；反馈模块，用于将直流变换模块输出的电压与预设的基准电压进行比较，根据比较结果改变pwm信号的占空比，实现对输出电压的调节。4.根据权利要求1所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：还包括保护模块，用于对能量存储模块实现过充、过放保护。5.根据权利要求1所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：所述太阳能充电模块采用扰动观察法实现太阳能电池板最大功率跟踪。6.根据权利要求1所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：所述能量存储模块连接有电压检测模块，用于对所述能量存储模块的充电过程进行监测。7.根据权利要求3所述的风光互补电能供应装置，其特征在于：所述负载包括直流负载、交流负载，其中，所述直流变换模块与所述直流负载连接，所述能量存储模块通过逆变器与所述交流负载连接。

技术总结
本发明公开了一种风光互补电能供应装置，包括发电模块、控制器、能量存储模块，发电模块包括风力发电机和太阳能电池板，分别将风能、太阳能转化为电力能源，能量的存储环节由能量存储模块来承担，可以充电又可以放电，有利于消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用。控制器将风力发电机和太阳能电池板输出的间断、不稳定电能转化为稳定的电能送往直流负载或交流负载，同时把多余的能量按能量存储模块的特性曲线对能量存储模块进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把能量存储模块的电能送往负载。本方案实现了风光互补电能供应装置的智能控制，并可以将能量安全输送给负载。送给负载。送给负载。


技术研发人员：姚淞瀚 马竟语
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/23