《海島特種電源供電系統》是溫州大學於2017年6月6日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN106992552A，專利公布日：2017年07月28日，發明人：戴瑜興；趙振興；阮秀凱；蔡啟博；王環；朱志亮。
《海島特種電源供電系統》公開了一種海島特種電源供電系統。該系統包括：能量源、監控管理模組、電源轉換模組、儲能模組、電流控制單元和電能轉換器；能量源的輸出端與電源轉換模組的輸入端相連線，電源轉換模組的輸出端分別與所述儲能模組的正極、電流控制單元的輸入端相連線，儲能模組的正極還與電流控制單元的輸入端相連線，電流控制單元的輸出端與電能轉換器的正極相連線，電能轉換器的正極與負載的正極輸入端相連線；能量源包括柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，柴油發電機組的輸出端與電能轉換器的PWM整流單元的輸入端相連線。該發明提供的供電系統能夠提供高質量、耐高衝擊的電能的同時，減小了柴油消耗、延長了蓄電池的使用壽命。
2020年7月14日，《海島特種電源供電系統》獲得第二十一屆中國專利金獎。
基本介紹
- 中文名：海島特種電源供電系統
- 申請人：溫州大學
- 申請號：2017104192269
- 地址：浙江省溫州市茶山高教園區
- 發明人：戴瑜興；趙振興；阮秀凱；蔡啟博；王環；朱志亮
- Int. Cl.：H02J3/38(2006.01)I; H02J3/28(2006.01)I
- 專利代理機構：北京高沃律師事務所
- 代理人：王戈
- 申請日：2017年6月6日
- 授權日：2017年07月28日
- 類別：發明專利
- 公告號：CN106992552A
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在海島建設中，海島上的一些特種設備需要提供高可靠、高質量和高抗衝擊性的三相交流電源。由於海島遠離大陸，架設對接大陸的電網難以實現，因此通常都是建設海島微網來解決。海島微網通常都是由風、光、柴、儲等構成的帶儲能系統的電源裝備。但是柴油發電機組爬坡跟蹤能力較差，出現負荷的瞬時突增時能量供應不上，同時有源功率因數校正整流模組的輸入端有較大的電感，也抑制了電能的瞬時輸出能力，所提供的電能存在不穩定、質量不能滿足要求等缺點；另外海島地理位置特殊，大量使用柴油對環境和生態存在破環作用，也增加了運輸成本和難度；風、光等再生能源是比較理想的清潔能源，但是存在時效性，不能穩定提供。
發明內容
專利目的
《海島特種電源供電系統》的目的是提供一種海島特種電源供電系統，能夠提供高質量、耐高衝擊的電能的同時，減小了柴油消耗、延長了蓄電池的使用壽命。
技術方案
《海島特種電源供電系統》提供了如下方案：一海島特種電源供電系統，所述系統包括：能量源、監控管理模組、電源轉換模組、能模組、電流控制單元和電能轉換器；所述能量源的輸出端與所述電源轉換模組的輸入端相接，所述電源轉換模組的輸出端分別與所述儲能模組的正極、所述電流控制單元的輸入端連線，所述儲能模組的正極還與所述電流控制單元的輸入端相連線，所述電流控制單元的出端與所述電能轉換器的正極相連線，所述電能轉換器的正極與負載的正極輸入端相連線所述電源轉換模組、儲能模組和電能轉換器共地；
所述電能轉換器包括PWM整流單元，所述能量源包括柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，所述柴油發電機組的輸出端與所述電能轉換器的PWM整流單元的輸入端相連線；
所述電流控制單元用於控制是否將所述儲能模組存儲的電能向所述電能轉換器供給；所述監控管理模組用於監測所述儲能模組的儲能狀態，並根據儲能狀態控制所述能量源是否向所述儲能模組充電。
可選的，所述電源轉換模組包括第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器，所述柴油發電機組的輸出端與所述第一AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述風力發電系統的輸出端與所述第二AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述光伏發電系統的輸出端與所述DC/DC電源轉換器的輸入端相連線。
可選的，所述第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器並聯，並聯後的輸出端為所述電源轉換模組的輸出端。可選的，所述電能轉換器還包括大容量母排濾波儲能單元和逆變器，所述PWM整流單元的正極輸出端分別與所述大容量母排濾波儲能單元的正極、所述逆變器的正極相連線，所述大容量母排濾波儲能單元的正極與所述逆變器的正極相連線，所述PWM整流單元的負極輸出端、所述大容量母排濾波儲能單元的負極、所述逆變器的負極共地，所述PWM整流單元的中間電位點與所述大容量母排濾波儲能單元的中間點位點相連線，所述大容量母排濾波儲能單元的中間點位點與所述逆變單元的中間點位點相連線，所述逆變單元與所述負載相連線。
可選的，所述儲能模組包括能量型儲能系統和功率型儲能系統，所述能量型儲能系統和功率型儲能系統並聯。
可選的，所述電流控制單元包括第一開關、第二開關和二極體，所述第二開關和二極體並聯後與所述第一開關串聯。
可選的，大容量母排濾波儲能單元由兩個大電容串聯構成。可選的，所述儲能單元採用斜頂恆流脈衝方式充電。可選的，所述逆變單元採用多模組並聯運行的冗餘設計。
可選的，所述監控管理模組監測所述儲能模組的荷電量，當所述荷電量大於第一設定值時，表示所述儲能模組電荷飽滿，停止所述能量源的發電，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第一設定值、大於第二設定值時，表明所述儲能模組能量充足，開啟所述風力發電系統和光伏發電系統，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第二設定值時，表明所述儲能模組處於虧電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關，閉合所述第二開關；當所述儲能模組的荷電量小於第三設定值時，表明儲能系統將進入深度放電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關和所述第二開關。
改善效果
根據《海島特種電源供電系統》提供的具體實施例，《海島特種電源供電系統》公開了以下技術效果：《海島特種電源供電系統》提供的海島特種電源供電系統採用柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統作為能量源，當儲能模組的電量充足時，無需能量源發電或是僅需風力發電系統和光伏發電系統發電，減小了柴油消耗。而且，《海島特種電源供電系統》設定了儲能模組，採用儲能模組和柴油發電機組功能向負載供電的模式，此外，還設定了大容量母排濾波儲能單元，逆變單元採用高冗餘設計，保障了供電的穩定性，同時，使供電系統具有耐高衝擊的特點。
附圖說明
圖1為《海島特種電源供電系統》實施例海島特種電源供電系統的結構圖；
圖2為《海島特種電源供電系統》實施例能量管理狀態圖；
圖3為《海島特種電源供電系統》實施例出現衝擊負荷時電壓電流的示意圖；
圖4為《海島特種電源供電系統》實施例變恆流脈衝充電示意圖。
技術領域
《海島特種電源供電系統》涉及電力電子技術及其套用領域，特別是涉及一種海島特種電源供電系統。
權利要求
1.海島特種電源供電系統，其特徵在於，所述系統包括：能量源、監控管理模組、電源轉換模組、儲能模組、電流控制單元和電能轉換器；所述能量源的輸出端與所述電源轉換模組的輸入端相連線，所述電源轉換模組的輸出端分別與所述儲能模組的正極、所述電流控制單元的輸入端相連線，所述儲能模組的正極還與所述電流控制單元的輸入端相連線，所述電流控制單元的輸出端與所述電能轉換器的正極相連線，所述電源轉換模組、儲能模組和電能轉換器共地；所述電能轉換器包括PWM整流單元，所述能量源包括柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，所述柴油發電機組的輸出端與所述電能轉換器的PWM整流單元的輸入端相連線；所述電能轉換器還包括大容量母排濾波儲能單元和逆變器，所述PWM整流單元的正極輸出端分別與所述大容量母排濾波儲能單元的正極、所述逆變器的正極相連線，所述PWM整流單元的負極輸出端、所述大容量母排濾波儲能單元的負極、所述逆變器的負極共地，所述PWM整流單元的中間電位點與所述大容量母排濾波儲能單元的中間電位點相連線，所述大容量母排濾波儲能單元的中間電位點與所述逆變器的中間電位點相連線，所述逆變器的交流輸出端與負載相連線；所述電流控制單元用於控制是否將所述儲能模組存儲的電能向所述電能轉換器供給；所述監控管理模組用於監測所述儲能模組的儲能狀態，並根據儲能狀態控制所述能量源是否向所述儲能模組充電；所述電流控制單元包括第一開關、第二開關和二極體，所述第二開關和二極體並聯後與所述第一開關串聯；所述二極體的陰極與所述大容量母排濾波儲能單元的正極相連線，所述二極體的陽極經所述第一開關連線所述電源轉換模組的輸出端。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述電源轉換模組包括第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器，所述柴油發電機組的輸出端與所述第一AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述風力發電系統的輸出端與所述第二AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述光伏發電系統的輸出端與所述DC/DC電源轉換器的輸入端相連線。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器並聯，並聯後的輸出端為所述電源轉換模組的輸出端。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述儲能模組包括能量型儲能系統和功率型儲能系統，所述能量型儲能系統和功率型儲能系統並聯。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，大容量母排濾波儲能單元由兩個大電容串聯構成。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述儲能模組採用斜頂恆流脈衝方式充電。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述逆變器採用多模組並聯運行的冗餘設計。
8.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述監控管理模組監測所述儲能模組的荷電量，當所述荷電量大於第一設定值時，表示所述儲能模組電荷飽滿，停止所述能量源的發電，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第一設定值、大於第二設定值時，表明所述儲能模組能量充足，開啟所述風力發電系統和光伏發電系統，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第二設定值時，表明所述儲能模組處於虧電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關，閉合所述第二開關；當所述儲能模組的荷電量小於第三設定值時，表明儲能模組將進入深度放電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關和所述第二開關。
實施方式
《海島特種電源供電系統》提供了一種海島特種電源供電系統，所述系統包括：能量源、監控管理模組、電源轉換模組、儲能模組、電流控制單元和電能轉換器；所述能量源的輸出端與所述電源轉換模組的輸入端相連線，所述電源轉換模組的輸出端分別與所述儲能模組的正極、所述電流控制單元的輸入端相連線，所述儲能模組的正極還與所述電流控制單元的輸入端相連線，所述電流控制單元的輸出端與所述電能轉換器的正極相連線，所述電能轉換器的正極與負載的正極輸入端相連線，所述電源轉換模組、儲能模組和電能轉換器共地；
所述電能轉換器包括PWM整流單元，所述能量源包括柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，所述柴油發電機組的輸出端與所述電能轉換器的PWM整流單元的輸入端相連線；所述電流控制單元用於控制是否將所述儲能模組存儲的電能向所述電能轉換器供給；所述監控管理模組用於監測所述儲能模組的儲能狀態，並根據儲能狀態控制所述能量源是否向所述儲能模組充電。
所述電源轉換模組包括第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器，所述柴油發電機組的輸出端與所述第一AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述風力發電系統的輸出端與所述第二AC/DC電源轉換器的輸入端相連線，所述光伏發電系統的輸出端與所述DC/DC電源轉換器的輸入端相連線。所述第一AC/DC電源轉換器、第二AC/DC電源轉換器和DC/DC電源轉換器並聯，並聯後的輸出端為所述電源轉換模組的輸出端。所述電能轉換器還包括大容量母排濾波儲能單元和逆變器，所述PWM整流單元的正極輸出端分別與所述大容量母排濾波儲能單元的正極、所述逆變器的正極相連線，所述大容量母排濾波儲能單元的正極與所述逆變器的正極相連線，所述PWM整流單元的負極輸出端、所述大容量母排濾波儲能單元的負極、所述逆變器的負極共地，所述PWM整流單元的中間電位點與所述大容量母排濾波儲能單元的中間點位點相連線，所述大容量母排濾波儲能單元的中間點位點與所述逆變單元的中間點位點相連線，所述逆變單元與所述負載相連線。
所述儲能模組包括能量型儲能系統和功率型儲能系統，所述能量型儲能系統和功率型儲能系統並聯。所述電流控制單元包括第一開關、第二開關和二極體，所述第二開關和二極體並聯後與所述第一開關串聯。大容量母排濾波儲能單元由兩個大電容串聯構成。所述儲能單元採用斜頂恆流脈衝方式充電。所述逆變單元採用多模組並聯運行的冗餘設計。所述監控管理模組監測所述儲能模組的荷電量，當所述荷電量大於第一設定值時，表示所述儲能模組電荷飽滿，停止所述能量源的發電，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第一設定值、大於第二設定值時，表明所述儲能模組能量充足，開啟所述風力發電系統和光伏發電系統，閉合所述第一開關和所述第二開關；當所述荷電量小於第二設定值時，表明所述儲能模組處於虧電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關，閉合所述第二開關；當所述儲能模組的荷電量小於第三設定值時，表明儲能系統將進入深度放電狀態，開啟所述柴油發電機組、風力發電系統和光伏發電系統，斷開所述第一開關和所述第二開關。
作為《海島特種電源供電系統》的又一實施例，圖1為《海島特種電源供電系統》實施例海島特種電源供電系統的結構圖，如圖1所示，海島特種電源供電系統包括能量源1、荷電狀態（SOC）監控及能量管理2和高性能高抗衝擊電能轉換器3構成，負載4為該裝備的負荷，具有瞬時衝擊大的特點；所述能量源1包括柴油發電機組1_1、風力發電機系統1_2和光伏發電系統1_3三個能量來源，光伏發電系統可以為光伏陣列，其中，以柴油發電機組1_1為主能量來源，風力發電系統1_2和光伏發電系統1_3為輔助能量來源；所述荷電狀態（SOC）監控及能量管理2包括兩個AC/DC充電模組2_1、2_2和帶最大功率跟蹤（MPPT）功能的DC/DC充電模組2_3、能量型儲能系統2_4、功率型儲能系統2_5、監控管理模組2_6；包括電流控制單元2_7；所述高性能高抗衝擊電能轉換器3包括多電平PWM整流單元3_1、大容量母排濾波儲能單元3_2、多電平高性能高抗衝擊逆變單元3_3；所述柴油發電機組1_1輸出的三相交流電能可同時作為做為高性能高抗衝擊電能轉換器3和AC/DC充電模組2_1的能量輸入源；所述風力發電系統1_2輸出的交流電能做為AC/DC充電模組2_2的能量輸入源；所述光伏發電系統1_3輸出的直流電能做為DC/DC充電模組2_2的能量輸入源；所述能量型儲能系統2_4為大容量鉛酸蓄電池；所述功率型儲能系統2_5為大容量超級電容器；所述能量型儲能系統2_4和功率型儲能系統2_5為並聯結構；所述AC/DC充電模組2_1、2_2和DC/DC充電模組2_2輸出端直接並聯，為兩個儲能系統進行充電；所述並聯的兩個儲能系統正極經過一個電流控制單元2_7與大容量母排濾波儲能單元3_2的正端相連，所述並聯的兩個儲能系統負極直接和容量母排濾波儲能單元3_2的負端相連；所述多電平高性能高抗衝擊逆變單元3_3採用高冗餘設計，可輸出為高質量三相交流電能，供負荷使用，並可承受三倍以上的負荷衝擊。
能量源1由光伏能量、風能能量和柴油能量構成，這些能量做為荷電狀態（SOC）監控及能量管理2的輸入，考慮到海島環境壓力以及運輸成本，控制系統在保證負荷具備可靠電能的前提下，儘可能多利用可再生能源。圖2為《海島特種電源供電系統》實施例能量管理狀態圖，如圖2所示，儲能模組的電荷量SOC大於第一設定值SOCH，表明儲能系統電荷飽滿，不需再充電（繼續再充可能出現過充電，影響電池壽命），柴油發電機和新能源發電都處於停止狀態，第一開關S1和第二開關S2閉合，由儲能模組為高性能高抗衝擊電能轉換器3的中間大容量母排濾波儲能單元3_2提供能量，此時的狀態定義為Q1態；當儲能模組的荷電狀態處於：第一設定值SOCH>荷電量SOC≥第二設定值SOCL2，表明儲能系統能量充足，但是可以繼續接受充電，此時新能源發電產生的能量在為儲能系統充電，柴油發電機處於停止狀態，第一開關S1和第二開關S2閉合，由儲能模組為高性能高抗衝擊電能轉換器3的中間大容量母排濾波儲能單元3_2提供能量，此時的狀態定義為Q2態；當儲能模組的荷電量SOC<第二設定值SOCL2，表明儲能系統處於虧電狀態，可能會無法滿足負荷需求，此時柴油發電和新能源發電處於共同工作狀態，第一開關S1斷開，第二S2閉合，正常負荷下，由於二極體的反向阻斷作用，儲能模組不向高性能高抗衝擊電能轉換器3提供能量，但是在出現衝擊負荷時，大容量母排濾波儲能單元3_2的電壓出現跌落，此時所需的衝擊電流會由儲能系統經過二極體向高性能高抗衝擊電能轉換器3提供，此時的狀態定義為Q3態；Q3狀態下出現衝擊負荷的電壓電流示意圖如圖3所示；當儲能系統的荷電量SOC<第三設定值SOCmin，表明儲能系統將進入深度放電，繼續放電可能影響儲能系統的壽命，這時柴油發電和新能源發電處於共同工作狀態，第一開關S1和第二開關S2都斷開，正常負荷下，高性能高抗衝擊電能轉換器3所需能量由柴油發電機組經過多電平PWM整流單元3_1供給，但是出現沖瞬時衝擊負荷時，可能出現無法滿足負荷要求的情況，因此該狀態要儘量避免。為避免柴油發電機頻繁啟動停止，在充電時的儲能系統荷電量回升超過SOCL2時，狀態仍為Q3狀態，直到儲能系統荷電狀態回升超過SOCL1，儲能系統才進入Q2狀態。
出現衝擊負荷時，系統所需的電流會突增，由於蓄電池的內阻較大，過大的放電電流會影響電池的使用壽命，因此，儲能模組包括能量型儲能系統2_4和功率型儲能系統2_5，能量型儲能系統採用鉛酸蓄電池，具有容量大，性價比高的優點，功率型儲能系統採用大容量超級電容，具有充放電電流大的優點，兩者實現性能互補。
儲能系統的充電採用兩個AC/DC充電模組2_1、2_2、帶最大功率跟蹤（MPPT）功能的DC/DC充電模組2_3實現，充電方式採用恆流脈衝充電方式，所述的恆流在脈衝的持續期間採用緩降的方式，使得充電電流符合最佳充電的馬斯曲線。可有效提高充電速度的同時延長蓄電池的使用壽命。充電曲線如圖4所示。
《海島特種電源供電系統》提供的海島特種電源供電系統，能夠為負載提供高質量電能，即使出現高衝擊負荷時也能穩定工作。能量來源為柴油和可再生能源（包括太陽能和風能），SOC監控及能量管理模組對儲能系統的狀態進行監控並依據儲能系統的不同荷電狀態執行不同的管理措施，通過對電流控制單元2_7的開關控制出現過衝擊負荷出現時對大容量母排濾波儲能單元3_2進行能量無延時補充。在柴油發電機組工作期間且無過沖負荷時，電流控制單元2_7的二極體可以實現與大容量母排濾波儲能單元3_2的隔離。儲能系統依據優先使用可再生能源，柴油發電作為系統能源的可靠保障的原則，儘量減小對柴油的消耗，降低運行成本和環境壓力；傳統脈衝充電過程中去極化是採用電阻負載短時大電流放電實現，不但增加成本、降低效率而且損失大量能量，《海島特種電源供電系統》充電方式採用變恆流脈衝充電，並在脈衝電流間歇期利用負荷電流實現對蓄電池的去極化，加大蓄電池充電時的電流接受能力，提高充電速度；負載所需的電能由裝備中的逆變器提供，具備良好的回響速度和較高的電能質量。
《海島特種電源供電系統》提供的海島特種電源供電系統具備高抗衝擊的特點，能夠滿足瞬時輸出較大的電流而輸出電壓基本維持恆定；能夠充分利用了可再生能源，降低了柴油消耗了，減少了柴油發電機啟動的次數，減輕了海島的環境壓力；具有可有效延長蓄電池使用壽命，同時提高蓄電池充電速度。本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。。
榮譽表彰
2020年7月14日，《海島特種電源供電系統》獲得第二十一屆中國專利金獎。
