CN101577509B - 一种光伏变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽输入范围的光伏变换系统，它包括光伏阵列、斩波电路、变比可调变压器和控制电路。变比可调变压器是系统的核心部分，它是通过改变变压器变比的方法以满足当输入电压大范围变化时，依然保证额定输出电压。变比可调变压器其结构特点在于原方和副方共用一个铁芯绕组，该绕组具有多个变比抽头，铁芯绕组的两端分别作为原方的一个输入端和副方的一个输出端，每个抽头接一个开关，所有开关的另一端与原方的另一输入端和副方的另一个输出端相连。它既可以作为中频变压器，也可以作为工频变压器应用于单项和三相电力系统中。

Description

一种光伏变换系统

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，提供了一种宽输入范围的光伏变换系统。

背景技术

能源短缺与环境恶化是制约人类社会发展，经济快速增长的主要问题。要解决能源与环境问题，实现可持续发展，要依靠科技进步，大规模地开发利用绿色可再生能源。目前，太阳能、风能、生物质能成为三大最为看好的绿色可再生能源。其中，太阳能又以其普遍性、无害性、长久性、巨大性的特点，成为最理想的绿色可再生能源。

太阳能应用包括太阳能热利用和太阳能发电。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。其中，光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式。光伏发电具有清洁性、安全性、广泛性、长寿命和免维护性、资源充足性及潜在的经济性的特点，受到世界各国的广泛关注与研究利用。

联网光伏发电系统一般由以下两部分组成：光伏阵列和联网逆变器。联网逆变器是联网光伏发电系统的核心部件与关键技术。它与一般的逆变器不同之处在于，不仅可将直流电转换为交流电，还对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、同步、光伏电池的最大功率点等进行控制。已进入实用的联网逆变器有三种回路形式：无变压器方式、电网频率变压器绝缘方式和高频变压器绝缘方式。高频变压器联网逆变器由于其在成本、尺寸、重量及效率等方面的优势，成为目前研究的热点和发展趋势。

光伏发电也面临着一些难题。光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度和环境温度的影响。如果一天内太阳光的强度变化或温差范围很大，则光伏阵列输出的电压变化范围也很大。此外，若串联运行的太阳能电池组件中有一组电池出现损坏，也将使光伏阵列的输出电压有较大的下降。在光伏阵列输出电压很低的情况下，如果升压装置无法将该电压提升到输出电压等级，那么光伏发电系统将被迫停止运行。

从光伏系统的效率考虑，光伏阵列直流输出电压设计得越高效率越高。而且，太阳能电池组件的串联运行比并联运行具有更大的优越性。但是由于一般光伏变换系统大都只能升压不能降压，因此限制了太阳能电池组件串联的个数。

如果发明一种光伏变换系统能尽可能的适应大范围的直流输入电压，就能最大限度的利用太阳能，还能适用于容量不同的光伏发电系统，具有很强的通用性，这对解决能源危机和环境恶化问题具有重大意义。

发明内容

针对太阳能无法得到充分利用，造成资源浪费，本发明提供了一种光伏变换系统，该系统具有较宽的输入范围，能够较大程度地提高太阳能的利用率。

本发明提供的光伏变换系统，其特征在于：该系统包括光伏阵列、斩波电路、变比可调变压器和控制电路；

斩波电路为由直流稳压电容和全桥逆变电路构成的电压型全桥逆变电路，光伏阵列的电压输出的正、负极分别与斩波电路的直流稳压电容的两极连接，全桥逆变电路的两个输出端分别接入变比可调变压器的二个输入端；变比可调变压器的二个输出端作为系统输出端；

控制系统分别与斩波电路和变比可调变压器相连，分别对它们进行斩波控制和变比控制；

变比可调变压器包括多抽头铁芯绕组，每个抽头接一个选择开关，多抽头铁芯绕组的两端分别作为一个输入端和一个输出端，所有选择开关的另一端都接到一个公共接点上，该接点同时也作为变比可调变压器的另一个输入端和另一个输出端；

每个选择开关均并联一个限流组件，或者各选择开关间隔并联一个限流组件，限流组件均由一个限流电阻与一个控制开关串接构成。

本发明的技术核心是一个变比可调变压器。它的结构特点在于具有多个变比抽头，通过选择不同的抽头开关，可以方便灵活的改变变压器的变比。当太阳光强度发生变化时，光伏阵列输出电压也会发生变化，因此一天中太阳能电池阵列输出电压变化范围很宽。此时，通过控制系统的控制，相应的导通和关断变比可调变压器的某些抽头开关，就能改变变压器变比，以实现当太阳光变化范围较大时，也能保证输出电压基本恒定，增大太阳能的利用率，减少资源浪费。和一般的光伏发电电压变换系统不同的是，此系统由于使用了变压器来调压，因此既可以升压，也可以降压，允许很宽的电压输入范围。

变比可调变压器既可以作为工频变压器，也可以作为中频变压器应用于单相和三相电力系统中。当作为工频变压器时，该系统主要由光伏阵列、逆变电路和变比可调变压器组成；当作为中频变压器时，该系统主要由光伏阵列、斩波电路、变比可调变压器和整流逆变滤波电路组成。

附图说明

图1是变比可调变压器作为工频变压器的单相宽输入范围的光伏变换系统结构图；

图2是光伏阵列等效可变直流电源图；

图3是变比可调变压器原理图；

图4是变比可调变压器简化原理图；

图5是变比可调变压器作为工频变压器Y/Y型接法三相宽输入范围的光伏变换系统结构图；

图6是变比可调变压器作为中频变压器的单相宽输入范围的光伏变换系统结构图；

图7是变比可调变压器作为中频变压器Y/Y型接法三相宽输入范围的光伏变换系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，单相宽输入范围的光伏变换系统包括光伏阵列1、单相斩波电路2、变比可调变压器3和控制电路5，该系统中的变比可调变压器作为工频变压器使用。

斩波电路2实际是由一个单相电压型全桥逆变电路构成，直流侧并联的稳压电容的正负极分别与其后开关器件的共阳极与共阴极相接。

光伏阵列1的电压输出的正负极分别与斩波电路2的直流稳压电容的两极连接。单相电压型全桥逆变电路的两个输出端分别接入变比可调变压器3的二个输入端。变比可调变压器3的二个输出端与电网的输入端相连。如图2所示，太阳能通过光伏阵列1转化为直流电输出。由于光伏阵列输出具有非线性特征，并且其输出受光照强度和环境温度的影响，因此它可以等效为可变直流电源。其两个输出端口分别为直流电压的正负极。

在斩波电路2中，直流稳压电容用来平滑光伏阵列输出的直流电压。单相电压型全桥逆变电路的主要作用是将光伏阵列发出的直流电变换成工频交流电。

如图3所示，变比可调变压器3由一个多抽头铁芯绕组和与抽头相对应的选择开关组成。每个抽头接一个选择开关，这些开关可以是继电器，也可以是固态开关器件，例如晶闸管或IGCT、IGBT等全控型电力电子器件。多抽头铁芯绕组的两端分别作为一个输入端和一个输出端，所有选择开关的另一端都接到一个公共接点上，该接点同时也作为变比可调变压器的另一个输入端和另一个输出端。在变比变化时，为了防止短时间内两个抽头绕组之间的短路环流，需要为每个选择开关并联一个限流组件，限流组件均由一个限流电阻与一个控制开关串接构成。

变比可调变压器3也可以采用如图4所示的简化结构，它通过将限流电阻和控制开关依次间隔一个抽头安装，可以减少所使用的限流电阻和控制开关个数，简化变压器设计。假设变压器工作在某个变比工作状态，现在需要切换到另一个变比工作状态，那么先合上当前工作抽头或需要变换抽头所对应的限流电阻控制开关，然后断开当前工作开关，再合上需要变换的抽头开关，最后断开限流电阻控制开关，这样就完成了一次变比的改变。在变比转换过程中，逆变电路的控制脉冲也做出相应的调整，以防止电能传输时发生突变。当使用晶闸管或IGCT、IGBT等全控型电力电子开关器件作为抽头连接开关，将它们两两反向并联作为一个开关使用，以满足电流双向流动需要。

在图1所示的结构中，控制系统5的控制包括斩波控制和变比控制。斩波控制是通过对斩波电路开关器件触发脉冲的控制，将直流电斩成中频方波或工频正弦波。变比控制是根据直流电压大小，选择合适的变比，相应导通变压器不同抽头开关，以保持输出电压在一定水平。在变比切换后以及光伏阵列直流电压变化时，改变调制波的调制比和相位，使输出电流波形平稳，以便安全并入电网。采用一定的控制策略，可以实现单位功率因素并网或实现对光伏系统的有功与无功控制。

图5是变比可调变压器作为工频变压器Y/Y型接法三相宽输入范围的光伏变换系统结构框图，它包括光伏阵列1、三相斩波电路6、三个变比可调变压器3和控制系统5。

光伏阵列1的电压输出的正负极分别与三相斩波电路6的直流稳压电容的两极连接。三个变比可调变压器3采用Y/Y型接法，三相电压型全桥逆变电路的三个输出端分别接入变比可调变压器3的三个输入端，变比可调变压器3的输出端与电网的输入端相连。

三相斩波电路6由一个三相电压型桥式逆变电路构成。直流侧并联的稳压电容的正负极分别与其后开关器件的共阳极与共阴极相接。其基本功能和控制方式与框图2所示的单相斩波电路相似，不同的只是由单相系统扩展到三相系统。

当变比可调变压器作为中频变压器时，单相宽输入范围的光伏变换系统的结构如图6所示，它包括光伏阵列1、斩波电路2、变比可调变压器3、整流逆变滤波电路4和控制电路5。

整流逆变滤波电路4依次由单相桥式二极管不控整流电路、直流电容、单相桥式全控逆变电路和LC滤波电路组成，其中，单相桥式二极管不控整流电路的共阳极、直流电容的正极和单相桥式全控逆变电路的共阳极相连，单相桥式二极管不控整流电路的共阴极、直流电容的负极和单相桥式全控逆变电路的共阴极相连。单相桥式全控逆变电路的两个输出端分别与LC滤波电路的输入端连接。

光伏阵列1的电压输出的正负极分别与斩波电路2的直流稳压电容的两极连接。单相电压型全桥逆变电路的两个输出端分别接入变比可调变压器3的二个输入端。变比可调变压器3的二个输出端分别与整流逆变滤波电路4中单相全桥二极管不控整流电路的两个输入端连接。LC滤波电路的输出端与电网的输入端相连。

在斩波电路2中，直流稳压电容用来平滑光伏阵列输出的直流电压。单相电压型全桥逆变电路的主要作用是将光伏阵列发出的直流电变换成交流电。此时，斩波电路将直流电变换成中频交流电，一般为1kHz方波交流电，以尽可能提高电能利用率。

在这种结构中，控制系统5除了具有斩波控制和变比控制外，还具有逆变控制功能。逆变控制是在中频系统中对整流逆变滤波电路中逆变电路开关器件的控制，一般采取PWM控制方式。

图7是变比可调变压器作为中频变压器Y/Y型接法三相宽输入范围的光伏变换系统结构图。它由光伏阵列1、三相斩波电路6、变比可调变压器3和三相整流逆变滤波电路7及控制系统5组成。

如图7所示，三相整流逆变滤波电路7由三相不控整流电路、直流电容、三相桥式电压型逆变电路和滤波电路组成。其基本功能和控制方式与框图4所示的单相整流逆变滤波电路相似，不同的只是由单相系统扩展到三相系统。整流逆变滤波电路7依次由三相桥式二极管不控整流电路、直流电容、三相桥式全控逆变电路和三个LC滤波电路组成，其中，三相桥式二极管不控整流电路的共阳极、直流电容的正极和三相桥式全控逆变电路的共阳极相连，三相桥式二极管不控整流电路的共阴极、直流电容的负极和三相桥式全控逆变电路的共阴极相连。三相桥式全控逆变电路的输出端分别与三个LC滤波电路的输入端连接。

光伏阵列1的电压输出的正负极分别与三相斩波电路6的直流稳压电容的两极连接。三个变比可调变压器3采用Y/Y型接法，三相电压型全桥逆变电路的三个输出端分别接入变比可调变压器3的三个输入端。变比可调变压器3的输出端与LC滤波电路的输入端相连，LC滤波电路的输出端与电网的输入端相连。

下面对本发明具体实施举例。

以变比可调变压器作为中频变压器接入电网电压为单相交流220V的并网光伏发电系统为例，其系统原理图如图7所示。逆变器输出要求为220V的交流电压，计算得逆变器直流母线电压最低为311V，考虑到逆变器有一定的输出电压控制能力，直流母线电压可以略为提高，这里取400V。假设太阳光强度减弱了，输入电压开始下降。当电压下降到一定程度时，例如320V，就可以改变变压器变比来稳定逆变器直流母线电压。此时，应该将变比加大，让变压器处于升压工作状态，其开关转换过程如下：闭合当前工作抽头或需要变换抽头所对应的限流电阻控制开关，然后断开当前工作开关，再合上需要变换的抽头开关，最后断开限流电阻控制开关。假如太阳光强度增强了，输入电压提高了，则变压器变比应减小，工作在降压状态，开关转换过程相同。

以变比可调变压器作为工频变压器应用于电网电压为三相交流380V的并网光伏发电系统为例。变比可调变压器的接线形式可以为Y/Y型、Y/Δ型、Δ/Y型和Δ/Δ型。以Y/Y型接法为例，该系统的结构原理图如图5所示。当输入电压降低或者升高到超出逆变电路可调范围时，就相应的提高或者降低可调变压器变比，以保证输出电压稳定。

本发明中的变比可调变压器3均可以采用如图3和图4所示的二种结构。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种光伏变换系统，其特征在于：该系统包括光伏阵列、斩波电路、变比可调变压器和控制电路；

斩波电路为由直流稳压电容和全桥逆变电路构成的电压型全桥逆变电路，光伏阵列的电压输出的正、负极分别与斩波电路的直流稳压电容的两极连接，全桥逆变电路的两个输出端分别接入变比可调变压器的一个输入端和公共接点；变比可调变压器的一个输出端和公共接点作为系统输出端；

控制系统分别与斩波电路和变比可调变压器相连，分别对它们进行斩波控制和变比控制；

变比可调变压器包括多抽头铁芯绕组，每个抽头接一个选择开关，多抽头铁芯绕组的两端分别作为变比可调变压器的一个输入端和一个输出端，所有选择开关的另一端都接到一个公共接点上，该接点同时也作为变比可调变压器的另一个输入端和另一个输出端；

每个选择开关均并联一个限流组件，或者各选择开关间隔并联一个限流组件，限流组件均由一个限流电阻与一个控制开关串接构成。

2.根据权利要求1所述的光伏变换系统，其特征在于：该系统还包括整流逆变滤波电路，整流逆变滤波电路的二个输入端分别与变比可调变压器的一个输出端和公共接点连接，整流逆变滤波电路的二个输出端作为系统输出端；控制系统还与整流逆变滤波电路相连，对其进行逆变控制。

3.根据权利要求1所述的光伏变换系统，其特征在于：该系统为三相，所述斩波电路由三相桥式电压型逆变电路构成，所述变比可调变压器包括三个单相变比可调变压器，三个单相变比可调变压器采用Y/Y型接法；

三相桥式电压型逆变电路的三个输出端分别接入三个单相变比可调变压器各自的一个输入端，三个单相变比可调变压器的公共接点接在一起，三个单相变比可调变压器各自的一个输出端分别作为系统的三相输出。

4.根据权利要求2所述的光伏变换系统，其特征在于：该系统为三相，所述斩波电路为三相斩波电路，由直流稳压电容和三相桥式电压型逆变电路构成；

所述变比可调变压器包括三个单相变比可调变压器，三个单相变比可调变压器采用Y/Y型接法；

所述整流逆变滤波电路包括三相桥式二极管不控整流电路、直流电容、三相桥式电压型逆变电路和LC滤波电路；三相桥式二极管不控整流电路的共阳极、直流电容的正极和三相桥式电压型逆变电路的共阳极相连，三相桥式二极管不控整流电路的共阴极、直流电容的负极和三相桥式电压型逆变电路的共阴极相连，三相桥式电压型逆变电路的输出端分别与三个LC滤波电路的输入端连接，

光伏阵列的电压输出的正负极分别与直流稳压电容的两极连接，三相桥式电压型逆变电路的三个输出端分别接入三个单相变比可调变压器各自的一个输入端，各单相变比可调变压器的公共接点接在一起；各单相变比可调变压器各自的一个的输出端与LC滤波电路的输入端相连，LC滤波电路的输出端与电网的输入端相连。

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