一种风光柴综合发电系统及控制方法与流程

本发明涉及电力领域，特别涉及一种综合发电系统，还涉及一种综合发电系统的控制方法。

背景技术：

由于工业的发展，人类赖以生存的自然环境遭到了极大的破坏，由此引发了许多不良的后果。目前环境保护已越发成为全世界关注的焦点，而解决能源污染问题是其中的关键。

目前，海岛电力用户主要以柴油发电为主，首先柴油发电对会对环境产生极大的污染，其次轮船等运输工具对海岛不定期提供柴油也会产生较大费用。

近几十年来清洁能源产业应势而生，其中以风能、光伏能源为主要代表。由于风光发电的实效性受天气影响较大，以及储能设备本身的容量限制等问题，对海岛电力用户的生活质量产生一定影响。

如何将风能、光伏能源以及柴油发电有效结合，为海岛用户提供稳定、清洁能源，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提出一种风光柴综合发电系统及控制方法，解决了目前海岛或者偏远地区电力用户柴油发电机供电费用大、新能源供电不稳定的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种风光柴综合发电系统，包括：一次系统和二次系统两部分；其中，一次系统包含风力发电机组、太阳能发电机组、整流模块、汇流模块、直流降压稳压模块、蓄电池、柴油机发电机组、逆变输出模块；

二次系统包括控制系统和监控系统，其中监控系统包括就地监控和远程监控；

风力发电机组经过整流模块变为直流电，太阳能发电机组直接输出直流电，风力发电机组与太阳能发电机组输出的直流电通过汇流模块在汇流处进行汇流；

风力发电机组与太阳能发电机组汇流后的直流电经过直流降压稳压模块进行降压以及稳压，为蓄电池进行充电蓄能以及为逆变输出模块提供输入电压；

蓄电池用来对风力发电机组与太阳能发电机组多余的能量进行储存，当电力不足时作为补充；

柴油机发电机组输出的单相220V交流电直接接入逆变输出模块的交流输入端，在风光发电不足时启动；

逆变输出模块将风力发电机组与太阳能发电机组或蓄电池储能的直流电进行逆变，以提供交流电用户负载使用；同时，逆变输出模块的输入端支持交流AC220V以及直流双输入；

逆变输出模块输出经二次系统的PLC控制器判断后对三级负载进行单独供电；当蓄电池电压U_Battery>U1时，一级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U2时，二级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U3时，三级负载输出；当蓄电池电压U_Battery<U1时，逆变器无输出；其中，U_Battery为蓄电池实时直流电压，U1为一级负载启动电压，U2为二级负载启动电压，U3为三级负载启动电压，U3>U2>U1；

一级负载具有最高用电优先级，若出现电力供应不足，首先断开三级负载，然后是二级负载，最后断开一级负载。

可选地，所述控制系统以PLC控制器为中央处理器，PLC控制器通过电压采集模块和电流采集模块对风力发电机组的实时发电电压和电流进行监控，同时显示瞬时发电功率和发电总功率；PLC控制器通过电压采集模块和电流采集模块对太阳能发电机组的实时发电电压和电流进行监控，同时可显示瞬时发电功率和发电总功率。

可选地，所述PLC控制器以PWM方式和交流卸载方式对超电压状态下的风力发电机组进行卸载；

PWM卸载方式针对于风力发电机整流后的直流电进行卸载，是基于IGBT的PWM分流技术；

交流卸载方式则直接对风力发电机的交流输出端进行卸载，卸载方式为制动电阻能耗制动。

可选地，当系统检测到风力发电机组整流后直流母线电压达到PWM卸载电压上限U_H1后，系统进行PWM卸载；当电压降为PWM卸载电压下限U_L1后，PWM卸载停止；

若进行PWM卸载后，直流母线电压还是继续上升，则当直流电压达到交流卸载上限电压U_H2后进行交流卸载，其中U_H2>U_H1，交流卸载通过对风力发电机交流输出端切入制动电阻的方式对风力发电进行卸载保护，其卸载指令由PLC控制器发出，卸载时间为定时模式，卸载时间达到设定时间后并且直流母线电压低于交流卸载下限电压U_L2时交流卸载失能。

可选地，所述PLC控制器根据蓄电池的电压状态决定是否启用柴油机组。

可选地，监控系统包括触摸屏监控和GPRS远程监控；触摸屏监控通过触摸屏对设备参数进行设定修改并监控设备的运行状态；GPRS远程监控通过GRRS远程模块提供手机和PC端Web监控，用户通过远程监控模块对设备的运行状态进行访问，并且通过配备相应的GPRS模块实现设备生产商对设备的远程维护；对于设备异常状况通过触摸屏以及远程监控模块预警通知。

可选地，本发明的风光柴综合发电系统还包括手动刹车模块和防雷装置。

本发明还提出了一种风光柴综合发电控制方法，系统开机后，PLC控制器进行参数初始化操作，判断系统是否正常，不正常则判断故障，直至故障消失，系统正常，则启动风力发电机组和太阳能发电机组；

判断风力发电机组输出电压是否超压，如果超压则进行PWM卸载或交流卸载，不超压则与太阳能发电组件汇流，进行风光互补发电；

风力发电机组或太阳能发电机组输出的直流电经过直流降压稳压模块的降压及稳压操作，传输到蓄电池储能和逆变输出模块，逆变输出模块同时接收柴油发电机组输出的交流电，当判断蓄电池电压过低时，启动柴油发电机组，实现风光柴综合供电；

逆变输出模块为三级负载供电，当蓄电池电压U_Battery>U1时，一级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U2时，二级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U3时，三级负载输出；当蓄电池电压U_Battery<U1时，逆变器无输出；其中，U_Battery为蓄电池实时直流电压，U1为一级负载启动电压，U2为二级负载启动电压，U3为三级负载启动电压，U3>U2>U1。

可选地，PLC控制器以PWM方式和交流卸载方式对超电压状态下的风力发电机组进行卸载；

PWM卸载方式针对于风力发电机整流后的直流电进行卸载，是基于IGBT的PWM分流技术；

交流卸载方式则直接对风力发电机的交流输出端进行卸载，卸载方式为制动电阻能耗制动。

可选地，当系统检测到风力发电机组整流后直流母线电压达到PWM卸载电压上限U_H1后，系统自动进行PWM卸载；当电压降为PWM卸载电压下限U_L1后，PWM卸载停止；若进行PWM卸载后，直流母线电压还是继续上升，则当直流电压达到交流卸载上限电压U_H2后进行交流卸载，其中U_H2>U_H1，交流卸载通过对风力发电机交流输出端切入制动电阻的方式对风力发电进行卸载保护，其卸载指令由PLC控制器发出，卸载时间为定时模式，卸载时间达到设定时间后并且直流母线电压低于交流卸载下限电压U_L2时，交流卸载失能。

本发明的有益效果是：

(1)以风光能源互补发电为主，柴油发电为辅，为海岛或偏远地区用户提供高效的一站式综合能源供应；

(2)还提供了负载分级供电的新理念，最大限度地降低了柴油发电机的使用频率，同时也可降低蓄电池的存储容量。

(3)远程监控可帮助用户实时了解设备的运行情况，保证设备平稳安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种风光柴综合发电系统的整体原理图；

图2为本发明一种风光柴综合发电系统的一次系统原理图；

图3为本发明一种风光柴综合发电系统的二次系统原理图；

图4a和图4b为本发明一种风光柴综合发电控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种风光柴综合发电系统，以风光能源互补发电为主，柴油发电为辅，为海岛或偏远地区用户提供高效的一站式综合能源供应。

如图1所示，本发明的风光柴综合发电系统包括一次系统和二次系统两部分。

其中，一次系统包含风力发电机组、太阳能发电机组、风力发电整流模块风力、太阳能汇流模块、直流降压稳压模块、蓄电池、柴油机发电机组、逆变输出模块。

二次系统包括控制系统和监控系统，其中监控系统包括就地监控和远程监控。

下面分别就一次系统和二次系统进行描述。

如图2所示，风力发电机组经过单独的整流模块变为直流电，太阳能发电机组直接输出直流电，风力发电机组与太阳能发电机组输出的直流电通过汇流模块在汇流处进行汇流。

本发明的风力发电机组可以包含一台风力发电机，也可以包含多台风力发电机，图2所示实施例中包括2台风力发电机(分别为风力发电机11、风力发电机12)，每台风力发电机对应一个单独的整流模块(分别为整流模块31、整流模块32)，多台风力发电机可以共用一个汇流模块41。

太阳能发电机组可以包含一台太阳能发电组件，也可以包含多台太阳能发电组件，图2所示实施例中包括2台太阳能发电组件(分别为太阳能发电组件21、太阳能发电组件22)，多个太阳能发电组件可以共用一个汇流模块42。由于太阳能发电组件本身为直流发电不需要进行整流，最后也在汇流处与风力发电机组整流后的直流电进行汇流。

风力发电机组与太阳能发电机组汇流后的直流电经过直流降压稳压模块进行降压以及稳压，以方便为蓄电池进行充电蓄能以及为逆变输出模块提供输入电压。直流降压稳压模块可将输入电压幅值较宽的直流电变为幅值较小的直流电。蓄电池作为关键的储能设备用来对风力发电机组与太阳能发电机组多余的能量进行储存，当电力不足时作为补充。

柴油机发电机组输出的单相220V交流电直接接入逆变器的交流输入端，在风光发电不足时启动。

逆变输出模块将风力发电机组与太阳能发电机组或蓄电池储能的直流电进行逆变，以提供交流电用户负载使用。逆变输出模块的输入端支持交流AC220V以及直流双输入，逆变输出模块可离网供电或并网供电，输出端电压可为AC220单相或AC380三相。

由于海岛地区供电的特殊性，本发明的风光柴综合发电系统采用三级负载输出回路，逆变输出模块输出经二次系统的PLC控制器判断后对三级负载进行单独供电。

一级负载输出主要提供海岛用户的照明和电冰箱用电，此负载输出为保证居民最低生活用电标准；二级负载输出主要提供海岛用户的空调/洗衣机/电视机等电器用电；三级负载输出主要提供海岛用户的海水处理等设备用电。

当蓄电池电压U_Battery>U1时，一级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U2时，二级负载输出；当蓄电池电压U_Battery>U3时，三级负载输出；当蓄电池电压U_Battery<U1时，逆变器无输出。其中，U_Battery为蓄电池实时直流电压，U1为一级负载启动电压，U2为二级负载启动电压，U3为三级负载启动电压，U3>U2>U1。

一级负载具有最高用电优先级，若出现电力供应不足，首先断开三级负载，然后是二级负载，最后才可断开一级负载。具体使用优先级别可由用户按实际需求自行设定。

为提高本发明系统的安全系数，本发明的风力发电机组还包括手动刹车模块，图2所示实施例中，2路风力发电机各带一路手动刹车模块，主要用于系统其他安全保护失效的情况下或者发电机长期不用时使用，手动刹车使能时发电机处于短路制动状态。

本发明的风力发电机组还包括防雷装置，当雷电天气时，如果有雷电窜入风力发电机组的一次系统，防雷装置自动对雷电进行卸载保护，例如，当发生雷电等浪涌电流窜入时，浪涌保护装置可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护设备免于受损。

二次系统包括控制系统和监控系统，对一次系统进行自动化调控，并对其进行实施监控。

控制系统以PLC为中央处理器，PLC通过对各传感器信号的采集对一次系统进行调节，PLC系统原理图如图3所示。

本发明的实施例中，风力发电机组包括2台风力发电机，太阳能发电机组包括2台太阳能发电组件。

PLC通过电压采集模块和电流采集模块对风力发电机1的实时发电电压和电流进行监控，同时可显示瞬时发电功率和发电总功率；PLC通过电压采集模块和电流采集模块对风力发电机2的实时发电电压和电流进行监控，同时可显示瞬时发电功率和发电总功率。

PLC通过电压采集模块和电流采集模块对太阳能发电组件1的实时发电电压和电流进行监控，同时可显示瞬时发电功率和发电总功率；PLC通过电压采集模块和电流采集模块对太阳能发电组件2的实时发电电压和电流进行监控，同时可显示瞬时发电功率和发电总功率。

为保护设备安全，PLC以PWM方式和交流卸载方式对超电压状态下的风力发电机组进行卸载。PWM卸载方式针对于风力发电机整流后的直流电进行卸载，是基于IGBT的PWM分流技术，可以最大限度的减少过度分流，从而使发电率得到提升。交流卸载方式则直接对风力发电机的交流输出端进行卸载，卸载方式为制动电阻能耗制动。当系统检测到风力发电机组整流后直流母线电压达到PWM卸载电压上限U_H1后系统自动进行PWM卸载，当电压降为PWM卸载电压下限U_L1后PWM卸载停止；若进行PWM卸载后，直流母线电压还是继续上升，则当直流电压达到交流卸载上限电压U_H2后进行交流卸载，其中U_H2>U_H1，交流卸载通过对风力发电机交流输出端切入制动电阻的方式对风力发电进行卸载保护，其卸载指令由PLC控制器发出，卸载时间为定时模式，卸载时间达到设定时间后并且直流母线电压低于交流卸载下限电压U_L2时交流卸载失能。

温度控制：PLC根据温度传感器采集的温度信号决定是否启用冷却风扇对整流区和卸荷区进行降温。

柴油发电机的自动控制：PLC根据蓄电池的电压状态决定是否启用柴油机组。

监控系统包括触摸屏监控和GPRS远程监控。触摸屏监控通过触摸屏可对设备参数进行设定修改并监控设备的运行状态；GPRS远程监控通过GRRS远程模块可提供手机和PC端Web监控，用户可通过远程监控模块随时随地地对设备的运行状态进行访问，并且通过配备相应的GPRS模块也可实现设备生产商对设备的远程维护。对于风光柴综合发电系统中设备异常状况可通过触摸屏以及远程监控模块预警通知。

参数一键恢复：为防止人为误操作造成的参数丢失或错误等问题，本发明的系统设有参数一键恢复功能，以保证设备的正常使用。

本发明的风光柴综合发电系统根据海岛电力用户的实际情况进行了完善的设计，除了风光发电不足时由柴油发电机进行辅助发电外，还提供了负载分级供电的新理念，最大限度地降低了柴油发电机的使用频率，同时也可降低蓄电池的存储容量。

除了负载分级供电外，本发明的系统还有具有风光能源互补、远程监控等实用功能，风光互补实现能量的共同采集，远程监控则可帮助用户实时了解设备的运行情况，保证设备平稳安全运行。

基于上述风光柴综合发电系统，本发明还提出了一种风光柴综合发电控制方法，如图4所示，系统开机后，PLC控制器进行参数初始化操作，判断系统是否正常，不正常则判断故障，直至故障消失，系统正常，则启动风力发电机组和太阳能发电机组；判断风力发电机组输出电压是否超压，如果超压则进行PWM卸载或交流卸载，不超压则与太阳能发电组件汇流，进行风光互补发电；风力发电机组或太阳能发电机组输出的直流电经过直流降压稳压模块的降压及稳压操作，传输到蓄电池储能和逆变输出模块，逆变输出模块同时接收柴油发电机组输出的交流电，当判断蓄电池电压过低时，启动柴油发电机组，实现风光柴综合供电；逆变输出模块为三级负载供电，当蓄电池电压U_Battery>U1时，一级负载输出，当蓄电池电压U_Battery>U2时，二级负载输出，当蓄电池电压U_Battery>U3时，三级负载输出；当蓄电池电压U_Battery<U1时，逆变输出模块无输出。其中，U_Battery为蓄电池实时直流电压，U1为一级负载启动电压，U2为二级负载启动电压，U3为三级负载启动电压，U3>U2>U1。

PLC以PWM方式和交流卸载方式对超电压状态下的风力发电机组进行卸载。PWM卸载方式针对于风力发电机整流后的直流电进行卸载，是基于IGBT的PWM分流技术，可以最大限度的减少过度分流，从而使发电率得到提升。交流卸载方式则直接对风力发电机的交流输出端进行卸载，卸载方式为制动电阻能耗制动。当系统检测到风力发电机组整流后直流母线电压达到PWM卸载电压上限U_H1后系统自动进行PWM卸载，当电压降为PWM卸载电压下限U_L1后PWM卸载停止；若进行PWM卸载后，直流母线电压还是继续上升，则当直流电压达到交流卸载上限电压U_H2后进行交流卸载，其中U_H2>U_H1，交流卸载通过对风力发电机交流输出端切入制动电阻的方式对风力发电进行卸载保护，其卸载指令由PLC控制器发出，卸载时间为定时模式，卸载时间达到设定时间后并且直流母线电压低于交流卸载下限电压U_L2时交流卸载失能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。