CN102215012A - 一种太阳能与电能双向变换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同时具备太阳能光伏并网发电、离网放电、储能充电及无功补偿功能的新型双向变换系统。所述系统包括储能单元及逆变单元、DC/DC单元，其中逆变单元采用具有双向逆变功能的桥式逆变电路，其依次通过滤波单元、升压单元连接交流电网及负载，受控制电路控制实现电能在太阳能光伏电池阵列与交流电网、储能单元与交流电网之间的转换存储或使用；DC/DC单元采用具有Boost\Buck功能的双向DC\DC变化模块，受控制单元控制实现电能在太阳能光伏电池阵列与储能单元之间、逆变单元与储能单元之间的转换存储或使用。本发明所述系统具有APFC功能、无功补偿功能并具有六种工作模式，能够实现能量的多种转换，应用灵活。

Description

一种太阳能与电能双向变换系统
技术领域
本发明涉及一种同时具备太阳能光伏并网发电、离网放电、储能充电及无功补偿功能的新型双向变换系统。
背景技术
当今社会，经济飞速发展，有限的资源，愈发难以应对无限扩张的能源需求，而能源过分使用也导致环境问题越来越为严重。太阳能资源因其廉价、绿色环保等特点，也逐渐成为开发的重点，而现有的太阳能逆变设备功能较为单一，基本为单独并网发电电、单独离网放电、单独充电等功能，不能做到在高效率的前提下实现并网、离网、储能充电、无功补偿等功能的一体化。
发明内容
本发明为了解决上述技术不足之处，提供了一种高集成度和高效率的集并网、离网、储能充电、无功补偿等功能为一体的双向变换系统。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：提供一种太阳能与电能双向变换系统，包括：
太阳能光伏电池阵列，由多组太阳能电池板串并联组成，用于吸取太阳能量将太阳能转换成电能并通过直流母线输出；
储能单元，通过DC/DC单元接入直流母线进而与太阳能光伏电池阵列连接，同时也通过直流母线与逆变单元连接；
逆变单元，采用具有双向逆变功能的桥式逆变电路，依次通过滤波单元、升压单元连接交流电网及负载，受控制电路控制实现电能在太阳能光伏电池阵列与交流电网、储能单元与交流电网之间的转换存储或使用；
DC/DC单元，采用具有Boost\Buck功能的双向DC\DC变化模块，受控制单元控制，实现电能在太阳能光伏电池阵列与储能单元之间、逆变单元与储能单元之间的转换存储或使用；
数据采集单元，包括分别用于对直流母线、储能单元、交流电网的电压、电流进行采集的电压传感器及电流传感器，并将采集到的信号控制单元；
控制单元，其接收到数据采集单元采集的信号进而控制DC/DC单元、逆变单元工作状态实现系统不同工作模式的切换。
具体的，所述DC\DC单元包括绝缘栅双极晶体管Q1、Q2及其续流二极管D1、D2；所述晶体管Q1、Q2串联，栅极受控制单元输出的PWM信号控制实现DC\DC单元的升压\降压功能。
具体的，所述逆变单元采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括六个功率开关管Q3-Q8及分别与六个功率开关管反向并联的二极管D3-D8；六个功率开关管两两串联构成一组开关，串联后的三组开关并联，每组开关中两个开关的连接点依次连接滤波单元、升压单元，由升压单元连接交流电网，引入电网交流信号或将逆变产生的电压并入电网供给负载。
优选的，所述太阳能光伏电池阵列输出端通过保护二极管连接直流母线，太阳能光伏电池阵列输出端连接二极管正极。
优选的，所述DC\DC单元输出端通过滤波电路连接储能单元。
优选的，所述储能单元及太阳能光伏电池阵列通过第一可控开关B1连接逆变单元。
优选的，所述升压单元通过第二可控开关B2连接交流电网。
优选的，所述升压单元通过第三可控开关B3连接用电负载。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明所述系统具有六种工作模式，能够实现能量的多种转换，应用灵活；
（2）本系统采用双向DC\DC(Boost-Buck)变换模块,可兼容较宽范围等级电压的储能装置；
（3）本系统中加入APFC功能，可对自动整流-降压充电的功率因数进行校正，有效提高对储能单元的充电效率；
(4)本系统能够针对局部较差的交流电网进行无功补偿。
附图说明
图1为本发明所述系统原理组成示意框图；
图2为本发明所述系统电路原理示意图；
图3为所述系统第一种工作模式即太阳能光伏阵列向电网并网发电的功能框图；
图4为所述系统第二种工作模式即储能单元向电网并网发电的功能框图；
图5为所述系统第三种工作模式即太阳能光伏电池阵列单独向储能单元充电或充电且并网发电的功能框图；
图6为所述系统第四种工作模式即交流电网整流后为储能电池进行充电的功能框图；
图7为所述系统第五种工作模式即在电网故障或切离时，系统向负载供电实现离网带载功能功能框图；
图8为所述系统第六种工作模式即局部电网质量较差时，本系统作为APF对电网电压进行无功补偿的功能框图；
图9为所述系统的控制单元根据采样信号计算得到的三相调制波的仿真波形，及所述系统控制单元A相的调制波与载波经过比较后产生驱动逆变单元开关管工作的PWM信号的仿真波形。
具体实施方法：
为了便于本领域的技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明所述系统组成示意框图。所述系统包括：太阳能光伏电池阵列、DC\DC单元、储能单元、逆变单元、数据采集单元、控制单元、滤波单元、升压单元、交流电网。
其中，太阳能光伏电池阵列，由多组太阳能电池板串并联组成，用于吸取太阳能量将太阳能转换成电能并通过直流母线输出；储能单元，通过DC/DC单元接入直流母线进而与太阳能光伏电池阵列连接，同时也通过直流母线与逆变单元连接；逆变单元，采用具有双向逆变功能的桥式逆变电路，依次通过滤波单元、升压单元连接交流电网及负载，受控制电路控制实现电能在太阳能光伏电池阵列与交流电网、储能单元与交流电网之间的转换存储或使用；DC/DC单元，采用具有Boost\Buck功能的双向DC\DC变化模块，受控制单元控制，实现电能在太阳能光伏电池阵列与储能单元之间、逆变单元与储能单元之间的转换存储或使用；数据采集单元，包括分别用于对直流母线、储能单元、交流电网的电压、电流进行采集的电压传感器及电流传感器，并将采集到的信号控制单元；控制单元，其接收到数据采集单元采集的信号进而控制DC/DC单元、逆变单元工作状态实现系统不同工作模式的切换；滤波单元，用于将逆变输出的矩形波，滤波形成正弦波送入升压变压器；升压单元，用于将滤波后的正弦电压进行升压，以达到和电网同幅值的电压后并入电网；或将电网电压降压后送入逆变单元，进行可控整流输出。
如图2所示为本发明所述系统实施例电路原理图。实施例中，太阳能光伏电池阵列PV通过保护二极管D9接入直流母线，直流母线上还连接有DC\DC单元、逆变单元，在其与逆变单元连接处，设有受控制单元控制工作的开关B1。DC\DC单元包括绝缘栅双极晶体管Q1、Q2及其续流二极管D1、D2；所述晶体管Q1、Q2串联，栅极受控制单元输出的PWM信号控制实现DC\DC单元的升压\降压功能。DC\DC单元通过滤波电感及电容领结储能单元（储能电池）。所述逆变单元选用三相全桥逆变电路，该全桥逆变电路可包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8及六个反向并联的二极管D3、D4、D5、D6、D7、D8。其中，晶体管Q3、二极管D3组成的上桥臂，晶体管Q4、二极管D4组成的下桥臂，上下桥臂串联构成一组开关，三组开关并联，且每组开关上下桥臂的连接点接入滤波单元和升压单元，最终接入交流电网，引入电网交流信号或将逆变产生的电压并入电网和负载。数据采集单元包括分别用于采集直流母线输入输出电压、电流的电压、电流传感器U_1、 I_1, 用于采集储能电池输入输出电压、电流的电压、电流传感器U_2、 I_2, 及用于采集三相交流电网中三相交流电的电压、电流的电压传感器U_3,U_4,U_5和电流传感器I_3,I_4,I_5，各传感器采集信号送入控制单元，供控制单元控制使用。
图2中所示的开关管Q1-Q8，分别对应控制单元输出的控制信号PWM1—PWM8。
本发明所述系统具有6种工作模式：
模式1：太阳能光伏电池阵列并网发电功能，如图3，控制单元控制打开可控开关B1、B2,关闭可控开关B3,关闭DC\DC单元的开关管Q1，Q2，太阳能光伏电池阵列电压通过直流母线连入逆变单元，控制单元根据数据采集单元得到的直流母线电压U_1、电流I_1，交流电网侧电压U_3,U_4,U_5、电流I_3,I_4,I_5，计算出输入、输出功率，进行最大功率点跟踪MPPT追踪，确定当前应输出的并网功率，控制逆变单元工作输出相应的电能。
此模式下逆变单元的调节方式为目标功率调节,控制单元将数据采集单元得到的数据进行计算处理后，产生对应的三相调制波，调制波和系统载波经过比较后得到输出的控制信号PWM3-PWM8，分别用来控制开关管Q3-Q8的开关状态，进而控制系统输出同PWM3-PWM8的占空比一致的三相逆变电压，该电压经隔离升压单元后并入电网。调节过程中通过MPPT功能，实时改变系统目标功率的大小，控制单元则根据目标功率和实际输出功率的变化调整输出的调制波大小，从而最终实现功率的控制输出。具体控制波形如图9所示。
模式2：储能单元并网发电功能，如图4，打开可控开关B1，B2,关闭可控开关B3,储能单元电压经过DC\DC单元Boost升压后，通过直流母线连入逆变单元，控制单元根据数据采集单元得到的储能单元电压U_2、电流I_2，交流电网侧的电压U_3,U_4,U_5、电流I_3,I_4,I_5，根据当前储能单元电量状态确定并网发电功率。
储能单元的电压经过DC\DC单元升压后连入直流母线，此时控制单元根据设定的目标电压，控制PWM2的占空比大小，驱动开关管Q2的开关状态（在Q2关断的时刻，DC\DC单元的电感储能，在Q2开通的时刻，电感中能量与储能单元能量叠加后并入直流母线，即直流母线电压Utotal，电感电压Ul，储能单元电压Ubat，则有Utotal = Ul + Ubat，达到升压的目的）。此时DC\DC单元的上桥臂Q1，不进行控制，PWM1置低电平，只利用上桥臂的续流二极管进行能量的传输。
此模式下逆变单元的开关管控制方式与模式1并网放电时逆变单元开关管控制方式一致。
模式3：太阳能光伏电池阵列单独对储能单元进行充电(PV-DC,此为模式3-1)，和太阳能光伏电池阵列对储能单元进行充电的同时并网发电(PV-DC+PV-AC，此为模式3-2)，如图5所示。
本系统工作在模式3-1时，太阳能光伏电池阵列单独对储能单元充电时，断开可控开关B1,B2,B3，逆变单元停止工作(关闭开关管Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，系统只开启DC\DC(Q1、Q2)单元，DC\DC单元MPPT功能启动，控制单元根据数据采集单元得到的直流母线电压U_1、电流I_1，储能单元电压U_2、电流I_2，进行功率调节并降压充电。
模式3-1中，太阳能光伏电池阵列的电压经过DC\DC单元降压后为储能单元进行充电，此时控制单元根据设定的目标电压，控制PWM1的占空比大小，驱动开关管Q1的开关状态（在Q1关断的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元断开连接，没有能量传输；在Q1开通的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元相连，即直流母线电压Utotal，储能单元电压Ubat，Q1对应的PWM开通时间Ton，PWM的开关周期Ttotal，则有         Ubat = Utotal*（Ton/Ttotal））。此时DC\DC单元的下桥臂Q2不进行控制，PWM2置低电平。
本系统工作在模式3-2中，当太阳能光伏电池阵列功率比较大时，可以同时对储能单元进行充电和并网发电(PV-DC+AC)。此时，打开可控开关B1，B2，关闭可控开关B3，DC\DC单元停止MPPT追踪，由逆变单元进行MPPT追踪，控制单元根据数据采集单元得到的直流母线电压U_1、电流I_1，储能单元电压U_2、电流I_2，电网电压U_3,U_4,U_5、电流I_3,I_4,I_5进行分析处理，在优先给储能单元充电的前提下，进行充电和并网发电的功率分配。
此时控制单元根据设定的目标电压，控制PWM1的占空比大小，驱动开关管Q1的开关状态（在Q1关断的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元断开连接，没有能量传输；在Q1开通的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元相连，即直流母线电压Utotal，储能单元电压Ubat，Q1对应的PWM开通时间Ton，PWM的开关周期Ttotal，则有         Ubat = Utotal*（Ton/Ttotal））。此时DC\DC单元的下桥臂Q2不进行控制，PWM2置低电平。
此模式下逆变单元的开关管控制方式与模式1并网放电时逆变单元开关管控制方式一致。
模式4：交流电网电压经过可控整流为储能电池进行充电(AC-DC)，如图6，当需要快速为储能单元进行充电操作，交流电网交流电通过逆变单元进行可控整流，为储能单元充电。打开可控开关B1，B2,关闭可控开关B3,在交流侧可控整流充电操作时，控制单元开启APFC(功率因数进行校正)功能，保证高功率因数、高效率的充电。
控制单元产生PWM方式和开关管工作模式同上述模式1逆变单元的开关管的控制相同，只是控制产生PWM信号的调制波的生成软件算法不同，系统由目标功率调节模式转为目标电压调节。在逆变单元实现可控整流功能时，控制单元根据设定的目标直流母线电压和采样单元得到的信号间相位差，控制调制波的输出大小，使调节输出电压等于目标电压，并且在调节过程中对信号间相位差进行分析，调节可控整流时的功率因数，提高充电效率。
可控整流的电压经过DC\DC单元降压后为储能单元进行充电，此时控制单元根据设定的目标充电电压，控制PWM1的占空比大小，驱动开关管Q1的开关状态（在Q1关断的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元断开连接，没有能量传输；在Q1开通的时刻，太阳能光伏电池阵列与储能单元相连，即直流母线电压Utotal，储能单元电压Ubat，Q1对应的PWM开通时间Ton，PWM的开关周期Ttotal，则有                        Ubat = Utotal*（Ton/Ttotal））。此时DC\DC单元的下桥臂Q2不进行控制，PWM2置低电平。
模式5：在电网故障或突然切离时，系统可通过太阳能光伏电池阵列为负载进行离网供电，此模式为5-1，或储能单元为负载进行离网供电，此模式为5-2，如图7。此状态下，打开可控开关B1，B3 ，关闭可控开关B2,DC\DC单元工作在升压模式。控制单元根据负载的需求功率，控制逆变器的输出功率。
模式5-1中，逆变单元的控制方式与并网放电时控制方式一致，只是逆变单元的软件控制由并网放电时的目标功率调节，变为交流侧目标电压调节，即系统的输出做为交流电压源，其输出电压为标准三相正弦电压。
模式5-2中，逆变单元的控制方式与并网放电时控制方式一致，只是逆变单元的软件控制由并网放电时的目标功率调节，变为交流侧目标电压调节，即系统的输出做为电压源，其输出电压为标准三相正弦电压。
储能单元的电压经过DC\DC单元升压后连入直流母线，此时控制单元根据设定的目标直流母线电压，控制PWM2的占空比大小，驱动开关管Q2的开关状态（在Q2关断的时刻，DC\DC单元的电感储能，在Q2开通的时刻，电感中能量与储能单元能量叠加后并入直流母线，即直流母线电压Utotal，电感电压Ul，储能单元电压Ubat，则有Utotal = Ul + Ubat，达到升压的目的）。此时DC\DC单元的上桥臂Q1，不进行控制，PWM1置低电平，只利用上桥臂的续流二极管进行能量的传输。
模式6：局部电网质量较差时，系统作为APF（Active Power Filter:有源电力滤波器），启动无功补偿功能，如图8，打开可控开关B1，B2,关闭可控开关B3。此状态下，控制单元通过对数据采集单元得到的电网电压进行分析，控制逆变单元产生相应的补偿电压，送入电网，此时直流侧优选太阳能光伏电池阵列作为输入，在太阳能光伏电池阵列供电不足时，储能单元通过DC\DC单元的升压，做为直流母线的输入，进行无功补偿功能。
在无功补偿模式下，逆变单元的开关管控制方式与模式1并网放电时控制方式一致，只是逆变单元的调制波不再是标准三相的正弦波形，而是控制单元将采样单元得到的电压信号进行软件比较分析后，计算出的对电网电压进行理论补偿的电压波形，并根据此补偿波形得到对应的调制波，调制波与载波比较后，产生驱动逆变单元开关管的PWM控制信号，最终实现对电网电压的补偿。
本发明未具体介绍的功能模块均可采用现有技术中常用的只要能够实现该功能的电路模块即可，在此不再赘述。
上述实施例为发明实现的优选方案，并非限定性穷举，在相同构思下本发明还可以有其他变换形式，需要说明的是，在不脱离本发明构思前提下，任何显而易见的替换和微小变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能与电能双向变换系统，其特征在于，包括：
太阳能光伏电池阵列，由多组太阳能电池板串并联组成，用于吸取太阳能量将太阳能转换成电能并通过直流母线输出；
储能单元，通过DC/DC单元接入直流母线进而与太阳能光伏电池阵列连接，同时也通过直流母线与逆变单元连接；
逆变单元，采用具有双向逆变功能的桥式逆变电路，依次通过滤波单元、升压单元连接交流电网及负载，受控制电路控制实现电能在太阳能光伏电池阵列与交流电网、储能单元与交流电网之间的转换存储或使用；
DC/DC单元，采用具有Boost\Buck功能的双向DC\DC变化模块，受控制单元控制，实现电能在太阳能光伏电池阵列与储能单元之间、逆变单元与储能单元之间的转换存储或使用；
数据采集单元，包括分别用于对直流母线、储能单元、交流电网的电压、电流进行采集的电压传感器及电流传感器，并将采集到的信号控制单元；
控制单元，其接收到数据采集单元采集的信号进而控制DC/DC单元、逆变单元工作状态实现系统不同工作模式的切换。
2.根据权利要求1所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述DC\DC单元包括绝缘栅双极晶体管Q1、Q2及其续流二极管D1、D2；所述晶体管Q1、Q2串联，栅极受控制单元输出的PWM信号控制实现DC\DC单元的升压\降压功能。
3.根据权利要求1所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述逆变单元采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括六个功率开关管Q3-Q8及分别与六个功率开关管反向并联的二极管D3-D8；六个功率开关管两两串联构成一组开关，串联后的三组开关并联，每组开关中两个开关的连接点依次连接滤波单元、升压单元，由升压单元连接交流电网，引入电网交流信号或将逆变产生的电压并入电网供给负载。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述太阳能光伏电池阵列输出端通过保护二极管连接直流母线，太阳能光伏电池阵列输出端连接二极管正极。
5.根据权利要求4所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述DC\DC单元输出端通过滤波电路连接储能单元。
6.根据权利要求5所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述储能单元及太阳能光伏电池阵列通过第一可控开关（B1）连接逆变单元。
7.根据权利要求6所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述升压单元通过第二可控开关(B2)连接交流电网。
8.根据权利要求7所述的太阳能与电能双向变换系统，其特征在于, 所述升压单元通过第三可控开关(B3)连接用电负载。
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