CN101017982A - 兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一并网装置 - Google Patents

兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一并网装置 Download PDF

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Abstract

兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一并网装置，包含至少一个清洁能源电源，至少一个电源调制器，由电解电容器组组成的直流母线环节，一个三相或四相多电平逆变器，一个三相或四相并网电抗器、一个三相或四相断路器，一个数据采集与逻辑控制器。本装置可实现光伏阵列电源、风力发电机电源的并网发电功能，多个光伏、风电电源可兼容于同一装置中，各电源可实现独立的最大功率点跟踪。装置具有电压调整功能，电源输入侧与并网侧均无需变压器。本装置兼备无功补偿和谐波治理功能，可补偿系统中0～30次范围内的谐波。本装置内部集成开关电源，数据采集与逻辑控制电路供电由此电源提供。

Description

兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一并网装置
技术领域
本发明涉及一种多功能的太阳能、风能统一并网装置的设计，属于多功能清洁能源并网装置技术领域。
背景技术
能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以媒、石油、天然气为主，此类化石能源不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，开发以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性、复合型能源结构，已受到世界各国的高度重视。太阳能与风能均属于清洁的可再生能源，发展光伏发电、风力发电技术并使其得到广泛的应用，对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要作用。
我国具有丰富的太阳能和风能资源。据统计，太阳能年辐照总量大于502万千焦/平方米、年日照时数在2200小时以上的地区约占我国国土面积的三分之二以上，具有良好的开发条件和应用价值。风能资源理论储量为32.26亿千瓦，而可开发的风能资源储量为2.53亿千瓦。经过20多年的艰苦努力，光伏、风电技术无论是在产业化方面还是在应用方面都取得了很大的进展。根据原国家电力部制定的1996-2020年国家太阳能光电发展计划，到2020年我国太阳能光电总容量将达到300MWp，其中家用阳光能源为50MWp，并建成5座兆瓦级阳光电站。而按照我国风电中长期发展规划，我国到2010年和2020年的风电装机规模将分别达到500万和3000万千瓦，相当于在五年内增长四倍，十五年内增长二十四倍。在光伏、风电技术蓬勃发展的同时，我们仍应看到，目前我国光伏发电和风力发电应用系统的商品化程度很低，实验室研究工作与国际先进的水平还有很大差距。
太阳能、风能等新能源的应用和推广的难点在于两个方面：能量来源的不稳定性和应用成本过高。
受日照、风量等天气条件的影响，太阳能、风力发电均是间歇性的，不能实现全天候的稳定发电运行，这一特性严重影响了光伏发电和风力发电装置的利用效率，变相提高了装置的成本，从而局限其广泛的推广和应用。同时，我国很多太阳能资源丰富的地区，如新疆、内蒙等，同样是风能充沛的地区，针对两种能源分别配以不同的并网装置，将大大增加研发、生产成本，降低装置的利用率。
如果将光伏发电与风力发电功能集于一个装置，设计一种两类能源均可使用的统一并网装置，就可以根据现场条件，配以适当的光伏电池和风机机组，两种能源互补使用，提高装置的整体利用效率，并增强新能源供电的稳定性。光伏、风电统一并网装置，同时实现两种能源的发电并网，这样，既最大限度的利用当地的新能源资源，又最大程度的降低研发和生产成本。
限制光伏发电和风力发电的另一个主要因素是应用成本过高，目前太阳能电池的造价还没有降低到大规模应用的阶段，世界上多数光伏并网电站都是靠政府资助，发展缓慢，风力发电装置的应用中，也存在同样的问题。将光伏发电、风力发电并网装置和静止补偿器(STATCOM)等电力装置的功能结合起来，有利于降低光伏电站的成本，使其能够提前推广应用。由于并网逆变器的结构与目前广泛研究的STATCOM等电网谐波及无功补偿装置的比较接近，使得并网装置既可以提供一定的有功功率，又可以在一定程度上实现STATCOM的功能补偿电网的谐波和无功。这样一套并网装置就可以完成多项综合功能，间接降低了系统总成本，提高了性价比。
本发明就是在这样的背景下提出了兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置的设计和控制方法。本发明将多项功能集成：其中包括光伏阵列的最大功率点跟踪、风力发电机组最大功率点跟踪、电源电压调制(无需外加变压器)、多电源并联运行并可同时寻找最大功率点、补偿电网无功功率、补偿电流谐波和向电网输送有功功率。目前电网安全和经济运行，对STATCOM需求很大，尤其配电系统的D-STATCOM需求更大。和电容器并补相比，STATCOM使用电解电容器而不需要使用昂贵的无极性铝箔全膜电容，所需容量小，电容成本极低，既可以连续可调地发出或吸收无功。STATCOM还能提高电网输送能力，改善供电质量和波形，控制和影响潮流，提高功率因数等，实现节电的目的。
发明内容
本发明的主要目的是：提出一种光伏发电、风力发电均可使用的统一清洁能源三相或四相并网装置，同时装置兼备补偿电网无功和抑制电网谐波电流的功能，装置具有很大的通用性和适应性，有利于清洁能源发电在中国的推广应用。
本发明的技术方案是：
兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包含至少一个清洁能源电源，至少一个电源调制器，由电解电容器组组成的直流母线环节，一个三相或四相多电平逆变器，一个三相或四相并网电抗器、一个三相或四相断路器，一个数据采集与逻辑控制器。
装置中，每个清洁能源电源连接一个电源调制器，电源调制器的输出端连接直流母线环节，在多电源模式中，每个电源与电源调制器为一整体，其输出均并联于直流母线环节。直流母线环节连接三相或四相多电平逆变器的直流侧，逆变器的输出端串联三相或四相并网电抗器和断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相。电源调制器和三相或四相多电平逆变器的控制信号，均由数据采集与逻辑控制器提供。
其中，清洁能源电源可以为三种形式：由光伏阵列组构成的直流电源；由风机和发电机构成的交流电源，下面将风机和发电机的整体称为风力发电机；光伏阵列与风力发电机同时存在于一套并网装置中。
依据装置中的清洁能源形式的不同，电源调制器可以是以下几种情况：
1.光伏阵列电源所使用的电源调制器。此类电源调制器主体为平波电容器和直流升降压变换器，每组光伏阵列电源各自连接一个平波电容器和一个直流升降压变换器，此类电源调制器称为电源调理器I型。
2.风力发电机电源所使用的电源调制器。此类电源调制器主体包括整流器、平波电容器和直流升降压变换器。每个风力发电机组首先各自连接一个整流器至一个平波电容器，此环节中，将风力发电机的交流电变换为直流电，每个平波电容器在各自连接一个直流升降压变换器，此类电源调制器称为电源调理器II型。
电源调制器改变清洁能源电源的输出端电压与输出功率，使其处于最大输出功率点，称为清洁能源电源的最大功率点跟踪，对于风力发电机电源，电源调制器同时将电源由交流形式转换为直流形式。电源调制器具有升降压功能，可满足各种清洁能源电源的电压条件，无需变压器调整，因而本装置输入侧不含变压器。
三相或四相多电平逆变器将直流母线环节的直流电变换为多电平的交流电注入电网，同时逆变器输出适当的电压矢量，将直流母线环节电压稳定于一个适当值，在此电压下，装置并网无需变压器，因而本装置输出侧不含变压器。
在夜晚或无风等无能量来源条件下，光伏阵列、风力发电机组和电源调制器不产生电能，装置逆变器工作于补偿无功、谐波治理模式，数据采集与逻辑控制器通过采集系统并联负载的电流数据，控制逆变器输出相应的补偿电流；其中，负载可以为任意形式负载，四相并网装置对于工频30倍以内的任意次谐波电流均可有效补偿，三相并网装置对于工频30倍以内且非3的整数倍的任意次谐波电流均可有效补偿。
本装置内部集成有开关电源，数据采集与逻辑控制器的供电由此开关电源提供，无需外加电源。
附图说明
图1是三相并网装置样机的结构组成图。
图2是四相并网装置样机的结构组成图。
图3是仅以光伏阵列作为电源的两电平三相并网装置整体示意图。
图4是仅以光伏阵列作为电源底两电平四相并网装置整体示意图。
图5是图3、图4中的600，即光伏阵列与电源调制器I型的示意图。
图6是图3中的810，即两电平三相逆变器的示意图。
图7是图4中的1100，即两电平四相逆变器的示意图。
图8是仅以光伏阵列作为电源的三电平三相并网装置整体示意图。
图9是仅以光伏阵列作为电源的三电平四相并网装置整体示意图。
图10是图8中的820，即三电平三相逆变器的示意图。
图11是图9中的1200，即三电平四相逆变器的示意图。
图12是仅以风力发电机组作为电源的两电平三相并网装置整体示意图。
图13是仅以风力发电机组作为电源的两电平四相并网装置整体示意图。
图14是图12、图13中的700，即风力发电机组与电源调制器II型的示意图。
图15是仅以风力发电机组作为电源的三电平三相并网装置整体示意图。
图16是仅以风力发电机组作为电源的三电平四相并网装置整体示意图。
图17是以光伏阵列和风力发电机组作为电源的两电平三相并网装置整体示意图。
图18是以光伏阵列和风力发电机组作为电源的两电平四相并网装置整体示意图。
图19是以光伏阵列和风力发电机组作为电源的三电平三相并网装置整体示意图。
图20是以光伏阵列和风力发电机组作为电源的三电平四相并网装置整体示意图。
图21是在不同光照条件下的光伏阵列电源输出特性曲线。
图22是在不同风速下的风力发电机电源输出特性曲线。
具体实施方式
实施例1：光伏-两电平-三相或四相
参见附图3、4。装置构成包括一组或多组光伏阵列电源，每组光伏阵列电源连接一个电源调制器I型，一个由电解电容器组构成的直流母线环节，一个三相或四相两电平逆变器810、1100，一个三相或四相并网电抗器3、8，一个三相或四相断路器2、7，一个数据采集与逻辑控制器9、15。
装置中，每个光伏阵列电源连接一个电源调制器I型，电源调制器的输出端连接直流母线环节。在多电源模式中，每个电源与电源调制器为一整体600，其输出均并联于直流母线环节。直流母线环节连接三相或四相两电平逆变器810、1100的直流侧，逆变器的输出端串联三相或四相并网电抗器3、8和断路器2、7后，分别接入电网1、6的A、B、C三相或A、B、C、N四相。电源调制器和逆变器的控制信号，均由数据采集与逻辑控制器提供。
电源调制器I型由一个平波电容器和直流升降压变换器构成，如附图5所示，直流升降压变换器由电感603、607，电容602、605，二极管601、606、608和功率开关器件组成。电感、电容均为储能元件，功率开关器件604选用IGBT，改变功率开关器件604的占空比，即可改变输入与输出电压的比例系数，比例系数可为大于0的任意值，理论上此系数与占空比的关系为：VOUT/VIN＝D/(1-D)，VOUT为输出电压，VIN为输入电压，D为占空比。
光伏阵列输出特性曲线如图21所示。光伏阵列电源在输出电压不同的情况下，输出功率不同，存在最大输出功率点。在不同的光照、温度条件下，最大功率点对应的输出电压不同。通过控制光伏阵列电源端电压处于不同的值，比较各种端电压下光伏阵列输出功率的大小，得到最大输出功率情况下的光伏阵列端电压值，进而将电源控制于此输出电压，得到光伏阵列最大输出功率的技术，称为光伏阵列的最大功率点跟踪技术。
在本实施例中，直流母线环节电压是保持不变的(此功能由逆变器实现，实现方法见后文描述)，通过改变直流升降压变换器中开关器件604的占空比，可以改变电源调制器前端与后端之间的电压比，即清洁能源电源与直流母线环节之间的电压比，进而调整清洁能源电源的输出电压，比较各种输出电压状态下光伏阵列的输出功率，就可以得到最大输出功率点所对应的电压。维持实现此电压所采用的占空比，就可以将光伏阵列稳定于最大功率输出状态。在光照、温度变化的情况下，定时的改变直流升降压环节的占空比，进行上述的功率比较过程，就可以实时的追踪光伏阵列的最大功率点。
本实施例中，依据所连接光伏阵列参数的不同，各个电源调制器I型分别独立跟踪所连接光伏阵列的最大功率点，从而实现装置整体的最大功率输出。所有电源调制器I型的输出端并联于直流母线环节。
同时，由于电源调制器I型可实现升降压变换，因而装置输入侧可连接很宽电压范围内的光伏阵列。
三相或四相逆变器为两电平结构，分别如附图6、图7所示，在此实施例中，逆变器输出电压矢量保持与系统电压矢量同向或反向，装置仅吸收有功或发出有功，不与系统交换无功。两电平逆变器一方面将直流电逆变为与系统电压同向的交流电，实现有功功率的输出；另一方面，通过改变逆变器输出电压矢量幅值的大小和方向，将直流母线电压稳定于一个高于电网线电压的设定值。具体实现过程为，当直流母线环节电压高于设定电压，逆变器输出电压矢量与系统电压矢量同向，且前者幅值大于后者幅值，在这种情况下，装置输出有功功率，直流母线环节电压降低，从而趋向于设定电压；当直流母线环节电压低于设定电压，逆变器输出电压矢量可能为两种情况，与电网电压矢量同向，且幅值小于后者，或与电网电压矢量反向，在这两种情况下，装置从电网吸收有功功率，直流母线环节电容电压升高，趋向于设定电压。逆变器输出电压矢量幅值的大小，由当前直流母线环节电压与设定值的差值，经PI方法得到。在得到目标电流幅值和相位后，通过无差拍方法得到逆变器环节所需的PWM驱动信号。
在此设定电压值下，装置并网运行无需变压器，因而本装置的输出侧不含变压器。
数据采集与逻辑控制器由双DSP控制电路与数据采集调理系统构成。此实施例中，该环节采样数据包括电力系统电压、逆变器输出电流，直流母线电压、直流母线电流、各组光伏阵列电压、各组光伏阵列电流。根据采样得到的数据，双DSP控制电路完成上述电源调制器和三相或四相逆变环节中的控制逻辑，并输出PWM形式的脉冲，控制电源调制器I型中的IGBT与逆变器中的各开关管动作，实现上述两个环节的控制目标。
实施例2：光伏-三电平-三相或四相
参见附图8、9。本发明的第二个实施例与实施例1相比，不同之处是其中的三相或四相逆变器为三电平结构820、1200，分别如附图10、图11所示，装置的其余部分与实施例1相同。
实施例3：风电-两电平-三相或四相
参见附图12、图13。装置构成包括一组或多组风力发电机，每组风力发电机电源连接一个电源调制器II型，一个由电解电容器组构成的直流母线环节，一个三相或四相两电平逆变器810、1100，一个三相或四相并网电抗器3、8，一个三相或四相断路器2、7，一个数据采集与逻辑控制器9、15。
装置中，每个风力发电机电源连接一个电源调制器II型，电源调制器的输出端连接直流母线环节，在多电源模式中，每个电源与电源调制器为一整体700，其输出均并联与直流母线环节。直流母线环节连接三相或四相两电平逆变器810、1100的直流侧，三相或四相两电平逆变器的输出端串联三相或四相并网电抗器3、8和断路器2、7后分别接入电网1、6的A、B、C三相或A、B、C、N四相。电源调制器和两电平逆变器的控制信号，均由数据采集与逻辑控制器提供。
本实施例中，风力发电机构成为定浆叶节距角的风力机同轴连接永磁同步电机，不含齿轮箱。在风力机的带动下，永磁同步电机旋转发电，输出为交流电源。
电源调制器II型由一个整流器702、平波电容器704和直流升降压变换器构成，如附图14所示。永磁同步电机输出的交流电注入整流器702，变换为直流电，并稳定于平波电容器704。直流升降压变换器由电感705、709，电容707，二极管703、708、710和功率开关器件706组成。电感、电容均为储能元件，功率开关器件706选用IGBT，改变功率开关器件706的占空比，即可改变输入与输出电压的比例系数，比例系数可为大于0的任意值，理论上此系数与占空比的关系为：VOUT/VIN＝D/(1-D)，VOUT为输出电压，VIN为输入电压，D为占空比。
本实施例中不含齿轮箱，风力机转速即为电机机械转速。在定浆叶节距角的条件下，风力机输出机械功率与电机机械转速的关系如图22所示，电机转速/功率曲线上存在一个最大输出功率点，将电机(风力机)控制于一定的转速，可实现风力发电机组的最大功率输出。对于永磁同步电机，电机机械转速与电机定子侧输出端电压(交流)成正比，整流器后的直流电压与电机机械转速同样成正比。图22中的横坐标可替换为永磁同步电机输出端电压或整流器后的直流电压，由此可得到与实施例1光伏阵列电源相类似的功率/电压曲线。通过控制整流器后直流电压处于不同的值，比较各种电压下风力发电机组输出功率的大小，得到最大输出功率情况下的整流器后直流电压值，进而将电源控制于此输出电压，得到风力发电机最大输出功率的技术，称为风力发电机的最大功率点跟踪技术。
在本实施例中，直流母线环节电压是保持不变的(此功能由逆变器实现，实现方法见后文描述)，通过改变直流升降压变换器中开关器件706的占空比，可以改变电源调制器前端与后端之间的电压比，即整流后直流电压(等同与整流前的永磁同步电机输出交流电压)与直流母线环节之间的电压比，进而调整永磁同步电机的输出电压和转速，比较各种输出电压状态下的输出功率，就可以得到风力发电机最大输出功率点所对应的电压。维持实现此电压所采用的占空比，就可以将风力发电机组稳定于最大功率输出状态。在风速变化的条件下，定时的改变直流升降压环节的占空比，进行上述的功率比较过程，就可以实时的追踪风力发电机组的最大功率点。
依据所连接风力发电机参数的不同，本实施例中，各个电源调制器II型分别独立跟踪所连接风力发电机组的最大功率点，从而使各个电源和装置整体均实现最大功率输出。所有电源调制器II型的输出端并联于直流母线环节。
同时，由于电源调制器II型可实现升降压变换，因而装置输入侧可连接很宽输出端电压范围内的风力发电机组，无需使用变压器。
三相或四相逆变器为两电平结构，分别如附图6、图7所示，在此实施例中，逆变器输出电压矢量保持与系统电压矢量同向或反向，装置仅吸收有功或发出有功，不与系统交换无功。两电平逆变器一方面将直流电逆变为与系统电压同向的交流电，实现有功功率的输出；另一方面，通过改变逆变器输出电压矢量幅值的大小和方向，将直流母线电压稳定于一个高于电网线电压的设定值。具体实现过程为，当直流母线环节电压高于设定电压，逆变器输出电压矢量与系统电压矢量同向，且前者幅值大于后者幅值，在这种情况下，装置输出有功功率，直流母线环节电压降低，从而趋向于设定电压；当直流母线环节电压低于设定电压，逆变器输出电压矢量可能为两种情况，与电网电压矢量同向，且幅值小于后者，或与电网电压矢量反向，在这两种情况下，装置从电网吸收有功功率，直流母线环节电容电压升高，趋向于设定电压。逆变器输出电压矢量幅值的大小，由当前直流母线环节电压与设定值的差值，经PI方法得到。在得到目标电流幅值和相位后，通过无差拍方法得到逆变器环节所需的PWM驱动信号。
在此设定电压值下，装置并网运行无需变压器，因而本装置的输出侧不含变压器。
数据采集与逻辑控制器由双DSP控制电路与数据采集调理系统构成。此实施例中，该环节采样数据包括电力系统电压、逆变器输出电流，直流母线电压、直流母线电流、各组风力发电机组电压、各组风力发电机组电流。根据采样得到的数据，双DSP控制电路完成上述电源调制器和三相或四相逆变环节中的控制逻辑，并输出PWM形式的脉冲，控制电源调制器II型中的IGBT与逆变器中的各开关管动作，实现上述两个环节的控制目标。
实施例4：风电-三电平-三相或四相
参见附图15、16。本发明的第4个实施例与实施例3相比，不同之处是其中的三相或四相逆变器为三电平结构820、1200，分别如附图10、图11所示，装置的其余部分与实施例3相同。
实施例5：光伏风电-两电平-三相或四相
参见附图17、图18，装置构成包括一组或多组光伏阵列，同时含有一组或多组风力发电机，每组光伏阵列电源连接一个电源调制器I型，每组风力发电机电源连接一个电源调制器II型，一个由电解电容器组构成的直流母线环节，一个三相或四相两电平逆变器810、1100，一个三相或四相并网电抗器3、8，一个三相或四相断路器2、7，一个数据采集与逻辑控制器9、15。
装置中，每个光伏阵列电源连接一个电源调制器I型，电源调制器I型的输出端连接直流母线环节，每个风力发电机电源连接一个电源调制器II型，电源调制器II型的输出端连接直流母线环节，在多电源模式中，每个电源与电源调制器为一整体600、700，其输出均并联与直流母线环节。直流母线环节连接三相或四相两电平逆变器810、1100的直流侧，三相或四相两电平逆变器的输出端串联三相或四相并网电抗器3、8和断路器2、7后分别接入电网1、6的A、B、C三相或A、B、C、N四相。电源调制器和两电平逆变器的控制信号，均由数据采集与逻辑控制器提供。
本实施例中，风力发电机构成为定浆叶节距角的风力机同轴连接永磁同步电机，不含齿轮箱。在风力机的带动下，永磁同步电机旋转发电，输出为交流电源。
电源调制器I型组成方式、功率流动方向工作原理与实施例1相同。
电源调制器II型组成方式、功率流动方向工作原理与实施例3相同。
电源控制器I型追踪所连接光伏阵列最大功率点方法，与实施例1相同。
电源控制器II型追踪所连接风力发电机最大功率点方法，与实施例3相同。
依据所连接光伏阵列、风力发电机参数的不同，本实施例中，各个电源调制器I型、I型分别独立跟踪所连接光伏阵列或风力发电机的最大功率点，从而使各个电源和装置整体均实现最大功率输出。所有电源调制器I型、II型的输出端并联于直流母线环节。
同时，由于电源调制器I型、II型可实现升降压变换，因而装置输入侧可连接很宽输出端电压范围内的光伏阵列、风力发电机组，风电电源无需使用变压器。
三相或四相逆变器为两电平结构，分别如附图6、图7所示，在此实施例中，逆变器输出电压矢量保持与系统电压矢量同向或反向，装置仅吸收有功或发出有功，不与系统交换无功。两电平逆变器一方面将直流电逆变为与系统电压同向的交流电，实现有功功率的输出；另一方面，通过改变逆变器输出电压矢量幅值的大小和方向，将直流母线电压稳定于一个高于电网线电压的设定值。具体实现过程为，当直流母线环节电压高于设定电压，逆变器输出电压矢量与系统电压矢量同向，且前者幅值大于后者幅值，在这种情况下，装置输出有功功率，直流母线环节电压降低，从而趋向于设定电压；当直流母线环节电压低于设定电压，逆变器输出电压矢量可能为两种情况，与电网电压矢量同向，且幅值小于后者，或与电网电压矢量反向，在这两种情况下，装置从电网吸收有功功率，直流母线环节电容电压升高，趋向于设定电压。逆变器输出电压矢量幅值的大小，由当前直流母线环节电压与设定值的差值，经PI方法得到。在得到目标电流幅值和相位后，通过无差拍方法得到逆变器环节所需的PWM驱动信号。
在此设定电压值下，装置并网运行无需变压器，因而本装置的输出侧不含变压器。
数据采集与逻辑控制器由双DSP控制电路与数据采集调理系统构成。此实施例中，该环节采样数据包括电力系统电压、逆变器输出电流，直流母线电压、直流母线电流、各组光伏阵列电压、各组光伏阵列电流。根据采样得到的数据，双DSP控制电路完成上述电源调制器和三相或四相逆变环节中的控制逻辑，并输出PWM形式的脉冲，控制电源调制器I型、II型中的IGBT与逆变器中的各开关管动作，实现上述两个环节的控制目标。
实施例6：光伏风电-三电平-三相或四相
参见附图19、20。本发明的第6个实施例与实施例5相比，不同之处是其中的三相或四相逆变器为三电平结构820、1200，分别如附图10、图11所示，装置的其余部分与实施例5相同。
实施例7
参见附图17、图18，装置构成包括一组或多组光伏阵列，每组光伏阵列电源连接一个电源调制器I型，一组或多组风力发电机，每组风力发电机电源连接一个电源调制器II型，一个由电解电容器组构成的直流母线环节，一个三相或四相两电平逆变器810、1100，一个三相或四相并网电抗器3、8，一个三相或四相断路器2、7，一个数据采集与逻辑控制器9、15。
在夜晚或无风等无能量来源条件下，光伏阵列、风力发电机不产生有功功率，装置逆变环节工作于无功补偿、谐波治理模式。在此模式下，数据采集与逻辑控制器对本地负载电流进行分析，提取其中的无功和谐波分量，控制逆变器对这一分量进行补偿，以提高系统功率因数，并提高电能质量。本装置可以对任意形式负载产生的0～30次范围内的任意次谐波进行补偿。
控制过程具体为，数据采集与逻辑控制器对系统电压、系统电流和装置输出电流采样，通过系统电流和装置输出电流得到系统本地负载电流，将A/B/C三相或四相坐标系下的本地负载电流依次进行α-β-0和d-q-0变换，得到d-q-0坐标系下的本地负载电流。d-q-0坐标系是与系统电压同频的同步旋转坐标系，其中d轴分量是本地负载电流的有功分量，使用数字低通滤波器对d轴分量进行滤波，就可以得到本地负载有功电流中基波电流值。在d-q-0坐标系下，仅保留d轴滤波后的电流分量，即基波电流的用功分量，依次进行反d-q-0和反α-β-0变换，得到本地负载电流在A/B/C三相或四相坐标系下的基波有功电流值，此值与原始采样得到的本地负载电流值之差，是本地负载电流的无功与谐波分量，也就是负载电流中需要补偿的部分。本实施例中，即以此差值作为装置输出电流的目标值。
在每个控制周期中，在得到装置输出电流的目标值后，逆变器的驱动PWM信号采用无差拍控制方法产生。
本实施例中，装置控制频率为10kHz，对于四相逆变器结构的装置，可补偿0～30次范围内所有次数的本地负载无功和谐波电流；对于三相逆变器结构的装置，补偿范围仍为0～30次，但不能补偿3和3的整数倍的无功、谐波电流。
实施例8
参见附图19、20。本发明的第8个实施例与实施例7相比，不同之处是其中的三相或四相逆变器为三电平结构820、1200，分别如附图10、图11所示，装置的其余部分与实施例7相同。

Claims (14)

1.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列电源，电源经电源调制器I型接入直流母线，直流母线连接三相或四相两电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器I型和逆变器。
2.根据权利要求1所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器I型为平波电容器加一个直流升降压变换器，每个光伏阵列分别连接一个电源调制器I型，各个电源调制器I型分别独立跟踪所连接光伏阵列的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
3.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列电源，电源经电源调制器I型接入直流母线，直流母线连接三相或四相三电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器I型和逆变器。
4.根据权利要求3所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器I型为平波电容器加一个直流升降压变换器，每个光伏阵列分别连接一个电源调制器I型，各个电源调制器I型分别独立跟踪所连接光伏阵列的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
5.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个风力发电机组电源，电源经电源调制器II型接入直流母线，直流母线连接三相或四相两电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器II型和逆变器。
6.根据权利要求5所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器II型包含整流器、平波电容器和直流升降压变换器，每个风力发电机分别连接一个电源调制器II型，各个电源调制器II型分别将风力发电机发出的交流电变换为直流电并独立跟踪所连接风力发电机的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
7.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个风力发电机组电源，电源经电源调制器II型接入直流母线，直流母线连接三相或四相三电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器II型和逆变器。
8.根据权利要求7所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器II型包含整流器、平波电容器和直流升降压变换器，每个风力发电机分别连接一个电源调制器II型，各个电源调制器II型分别将风力发电机发出的交流电变换为直流电并独立跟踪所连接风力发电机的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
9.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列电源，同时包含至少一个风力发电机组电源，两种电源分别经由电源调制器I型和II型并联接入直流母线，直流母线连接三相或四相两电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器I型、电源调制器II型和逆变器。
10.根据权利要求9所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器I型为平波电容器加一个直流升降压变换器，每个光伏阵列分别连接一个电源调制器I型，各个电源调制器I型分别独立跟踪所连接光伏阵列的最大功率点；电源调制器II型包含整流器、平波电容器和直流升降压变换器，每个风力发电机分别连接一个电源调制器II型，各个电源调制器II型分别将风力发电机发出的交流电变换为直流电并独立跟踪所连接风力发电机的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
11.兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列电源，同时包含至少一个风力发电机组，两种电源分别经由电源调制器I型和II型并联接入直流母线，直流母线连接三相或四相三电平逆变器，逆变器串联三相或四相并网电抗器和三相或四相断路器后分别接入电网的A、B、C三相或A、B、C、N四相，数据采集与逻辑控制器生成控制信号来控制电源调制器I型、电源调制器II型和逆变器。
12.根据权利要求11所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其中的电源调制器I型为平波电容器加一个直流升降压变换器，每个光伏阵列分别连接一个电源调制器I型，各个电源调制器I型分别独立跟踪所连接光伏阵列的最大功率点；电源调制器II型包含整流器、平波电容器和直流升降压变换器，每个风力发电机分别连接一个电源调制器II型，各个电源调制器II型分别将风力发电机发出的交流电变换为直流电并独立跟踪所连接风力发电机的最大功率点；系统中，电源输入侧与装置输出并网侧均不需变压器。
13.根据权利要求1-12中任一权利要求所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，其特征在于，在夜晚或无风等无能量来源条件下，光伏阵列、风力发电机组和电源调制器不产生电能，装置逆变器工作于补偿无功、谐波治理模式，数据采集与逻辑控制器通过采集系统并联负载的电流数据，控制逆变器输出相应的补偿电流；其中，负载可以为任意形式负载，四相并网装置对于工频30倍以内的任意次谐波电流均可有效补偿，三相并网装置对于工频30倍以内且非3的整数倍的任意次谐波电流均可有效补偿。
14.根据权利要求13所述的兼备无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一三相或四相并网装置，装置内部集成开关电源，数据采集与逻辑控制器的供电由此开关电源提供，无需外加电源。
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