CN102420437A - 一种多重滤波的单相光伏并网发电系统 - Google Patents

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Abstract

依据本发明的一种多重滤波的单相光伏并网发电系统，其通过多重滤波装置对光伏阵列输出的直流电压进行滤波，减小所述单相光伏并网发电系统直流母线侧的二次谐波电流，进而减小了流过母线电容的二次谐波电流，使得母线电容无需采用电容值较大的电容，例如电解电容，可用长寿命、小容值的电容替代(如CBB电容)，进而延长整个光伏系统的使用寿命，并降低了生产成本，减小了装置的体积和重量，同时使得直流母线电流更加稳定，在单相光伏并网发电系统采用最大功率点跟踪时，其最大功率点跟踪的性能进一步提高。

Description

一种多重滤波的单相光伏并网发电系统
技术领域
本发明涉及光伏并网发电技术，尤其涉及一种多重滤波的单相光伏并网发电系统。
背景技术
在电力电子技术领域，一般系统的使用寿命常常取决于其中的元器件的使用寿命。在应用大电容的场合，电解电容由于其单位体积的电容量大、额定容量较大以及成本较低成为首选元件，但电解电容的寿命容易受到温度的影响，以铝电解电容为例，温度每升高10℃，其使用寿命就会减半。同时，流经电解电容的电流越大，其寿命也越短。因此电解电容的这一缺点将导致其所在系统的使用寿命缩短。
图1所示为传统的单相光伏并网发电系统的原理框图，其包括光伏阵列，母线电容，升压隔离电路、逆变电路和电网，其中所述光伏阵列将由太阳能转换而来的电能以直流电压的形式输出，并通过母线电容滤波输入至升压隔离电路，再输入至逆变电路进行交流变换，并将交流电能传输至电网。单相电网侧理想情况下的正弦输出电流和输出电压必然导致直流母线侧二次功率的叠加，流过直流母线的偶次谐波电流主要为二次谐波电流。因此在传统的单相光伏并网发电系统中，一般采用电容量较大的电解电容，以滤除流过直流母线的二次谐波电流，但整个光伏并网发电系统的使用寿命也必然受到影响。
针对电解电容的使用寿命缩短的问题，大多数传统的单相光伏并网发电系统采用的解决方案是安装多个小容量电容来降低流过每个电容的二次谐波电流，但这必然会增加装置的体积和重量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多重滤波的单相光伏并网发电系统，其通过多重滤波装置对光伏阵列输出的直流电压进行滤波，减小所述单相光伏并网发电系统直流母线侧的二次谐波电流，进而减小了流过母线电容的二次谐波电流，使得母线电容无需采用电容值较大的电容即可满足滤波的需求。
依据本发明一实施例的一种多重滤波的单相光伏并网发电系统，其中光伏阵列输出的直流母线电压通过一多重滤波装置滤波后输入至升压隔离电路，利用逆变电路对升压隔离电路的输出进行交流变换，所述逆变电路的输出为所述电网供电，其中：所述多重滤波装置包括无源滤波装置和有源滤波装置，其中所述无源滤波装置包括一母线电容，所述有源滤波装置与所述直流母线连接，并输出一谐波补偿信号，用以消除所述单相光伏并网发电系统直流母线侧的二次谐波电流。
优选的，所述有源滤波装置包括一电流源，其输出端连接至所述母线电容和所述升压隔离电路的公共连接点，以将一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流作为所述谐波补偿信号输入至所述直流母线。
优选的，所述有源滤波装置包括一电压源和一变压器，其中所述变压器的原边与所述直流母线串联，其副边接收所述电压源的输出电压，所述电压源输出一与流经所述直流母线的电流成比例的电压作为所述谐波补偿信号，并通过所述变压器输入所述直流母线。
进一步的，所述电流源包括第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容，其中；
所述第一开关管与所述第二开关管串联后与所述第一电容并联，并连接至地；
所述第一电感的一端连接至所述第一开关管与所述第二开关管的公共连接点，另一端作为所述电流源的输出端；
通过控制所述第一开关管和第二开关管的开关动作，使所述电流源的输出端输出一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
进一步的，所述电流源包括第三开关管、第四开关管、第二电感和第二电容，其中；
所述第二电感与所述第二电容串联并连接至地后与所述第四开关管并联；
所述第三开关管的第一输入端连接至所述第二电感与所述第四开关管的公共连接点，其第二输入端作为所述电流源的输出端；
通过控制所述第三开关管和第四开关管的开关动作，使所述电流源的输出端输出一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
进一步的，所述电压源包括一直流侧电容、全桥电路、第三电感和第三电容，其中所述直流侧电容并联至所述全桥电路的直流侧，所述全桥电路的交流侧的输出电压经过所述第三电感和第三电容的滤波后耦接至所述变压器的副边，通过控制全桥电路中开关管的开关动作，使得所述全桥电路的交流侧输出一与流经所述直流母线的电流成比例的电压。
进一步的，所述谐波补偿装置进一步包括第一控制电路和第一驱动电路，其中；
所述第一控制电路的输入端接收所述升压隔离电路的输入电流，并分离出其中的二次谐波信号作为电流基准信号，所述电流基准信号与所述电流源的输出电流进行比较的误差放大信号通过PWM电流控制产生控制所述电流源中的开关管的第一组控制信号；
所述第一驱动电路接收所述第一组控制信号并据此驱动所述电流源中的开关管的开关动作，以在电流源的输出端产生一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
进一步的，所述谐波补偿装置进一步包括第二控制电路和第二驱动电路，其中；
所述第二控制电路的输入端接收流过所述直流母线的电流，经过放大后作为变压器原边或副边电压的基准信号并与相应的变压器原边或副边电压进行比较的误差放大信号通过PWM电压控制产生控制所述电压源中的开关管的第二组控制信号；
所述第二驱动电路接收所述第二组控制信号并据此驱动所述全桥电路中的开关管的开关动作，以在电压源的输出端产生一与流过所述直流母线的电流成一定比例关系的电压。
所述单相光伏并网发电系统还可以进一步包括一直流变换器，所述光伏阵列输出的直流母线电压通过所述母线电容滤波后的电信号输入至所述直流变换器，所述直流变换器的输出电压经过所述有源滤波装置滤波后输入至所述升压隔离电路。
依据本发明的实施例，通过减小流过母线电容的二次谐波电流，使得母线电容无需采用电容值较大的电容，例如电解电容，可用长寿命、小容值的电容替代(如CBB电容)，进而延长整个光伏系统的使用寿命，并降低了生产成本，减小了装置的体积和重量，同时使得直流母线电流更加稳定，在单相光伏并网发电系统采用最大功率点跟踪时，其最大功率点跟踪的性能进一步提高。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。
附图说明
图1所示为传统的单相光伏并网发电系统的原理框图；
图2所示为依据本发明的单相光伏并网发电系统的第一实施例的原理框图；
图3所示为依据本发明的单相光伏并网发电系统的第二实施例的原理框图；
图4所示为图3所示实施例中第一控制电路的工作波形图；
图5所示为采用多重滤波方法与现有技术中电路波形的对比图；
图6所示为依据本发明的单相光伏并网发电系统的第三实施例的原理框图；
图7所示为依据本发明的单相光伏并网发电系统的第四实施例的原理框图；
图8所示为验证逆变电路的输入电流对直流母线侧二次谐波的影响的等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，所示为依据本发明的一种多重滤波的的单相光伏并网发电系统的第一实施例的原理框图，其中，所述单相光伏并网发电系统包括光伏阵列、作为无源滤波装置的母线电容C、升压隔离电路、逆变电路、电网以及一有源滤波装置。
其中所述光伏阵列的输出的直流母线电压Vbus通过所述母线电容C滤波后输入至所述升压隔离电路，所述升压隔离电路的输出电信号输入至所述逆变电路进行交流变换，所述逆变电路的输出为所述电网提供交流电源，其中由于电网侧的基波电压与基波电流在直流母线侧产生的二次功率，需要母线电容C滤除的谐波电流主要为二次谐波电流。
所述有源滤波装置与所述直流母线连接，并输出一谐波补偿信号，用以消除所述单相光伏并网发电系统直流母线侧的二次谐波电流，使得母线电容C滤除的谐波电流大大减少，因此母线电容C采用小容值的电容即可达到滤波的要求，从而避免了采用容值较大的电解电容致使整个系统的寿命随之缩短的问题。
可见，采用图2所示的依据本发明的单相光伏并网发电系统，通过采用有源滤波装置和母线电容的多重滤波对直流母线侧的二次谐波电流的消除，降低了对母线电容在容值上的要求，使得在实际应用时，母线电容可以不选用大容值的电解电容，而是采用长寿命、小容值的电容替代(如CBB电容)或采用小容值电解电容，延长系统使用寿命的同时降低了生产成本，减小了装置的体积和重量，同时使得直流母线电流更加稳定，在单相光伏并网发电系统采用最大功率点跟踪时，其最大功率点跟踪的性能进一步提高。
参考图3，所示为依据本发明的一种多重滤波的单相光伏并网发电系统的第二实施例的原理框图，其中，在图2实施例的基础上，所述有源滤波装置包括一电流源301，并进一步包括第一控制电路302和第一驱动电路303。
所述电流源301进一步包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1和第一电容C1，其中；
所述第一开关管S1与所述第二开关管S2串联后与所述第一电容C1并联，并连接至地；
所述第一电感L1的一端连接至所述第一开关管S1与所述第二开关管S2的公共连接点，另一端作为所述电流源301的输出端；
所述第一控制电路302，其输入端接收所述升压隔离电路的输入电流iL，并将其中的二次谐波信号提取出来作为电流基准信号ic *，电流基准信号ic *与所述电流源301的输出电流ic进行比较后的误差放大信号ier通过PWM电流控制产生控制第一开关管S1和第二开关管S2的第一组控制信号；
所述第一驱动电路303接收控制第一开关管S1和第二开关管S2的第一组控制信号并据此驱动其开关动作，以在电流源的输出端产生一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的补偿电流ic。
图4所示为图3所示实施例中第一控制电路302的工作波形图；所述电流基准信号ic *与电流源301的输出电流ic进行比较后的误差放大信号ier再与一三角波进行比较，当误差放大信号ier大于所述三角波，PWM信号变为高电平，此时导通第一开关管S1，关断第二开关管S2，以提高输出电流ic；当误差放大信号ier小于所述三角波时，PWM信号变为低电平，则关断第一开关管S1，导通第二开关管S2，以减小所述输出电流ic，从图中可以看出当输出电流ic减小时，此时误差放大信号ier的数值较大，而PWM信号控制第一开关管S1的占空比较大，以提高输出电流ic，在所述输出电流ic增大时，误差放大信号ier的数值较大，PWM信号控制第一开关管S1的占空比变小，以降低输出电流ic。
根据基尔霍夫电流原理，我们可以得到式子(1)：
is+ic＝iL    (1)
其中is为流过所述直流母线的电流。
其中所述升压隔离电路电路的输入电流iL可以表示为直流分量idc与偶次谐波分量之和，由于偶次谐波分量中主要为二次谐波分量，因此用二次谐波电流iac2近似替代偶次谐波分量，得到下列式子：
iL＝idc+iac2    (2)
由于电流源输出的补偿电流ic与所述升压隔离电路的输入电流中的二次谐波电流iac2大小相等且方向相同，由此我们可以推导到以下关系：
is＝idc    (3)
由此可以看出通过电流源输出的补偿电流与输入升压隔离电路的二次谐波电流的抵消，使得流过直流母线的电流与升压隔离电路输入电流中的直流分量相等，即消除了直流母线侧的二次谐波电流，降低了对母线电容的容值要求。
采用图3所示实施例的单相光伏并网发电系统，使得直流母线电流更加稳定，同等技术指标下，直流母线需要的电容容值仅为传统的不采用有源滤波装置的光伏发电系统的十分之一到二十分之一。
参考图5，所示为采用多重滤波方法与现有技术中电路波形的对比图；其中Vbus表示直流母线的母线电压，从图中我们可以看出在只采用母线电容进行滤波的光伏系统中，其母线电压Vbus和母线电流is由于二次谐波的存在均有很大的波动，难以保持稳定，而在采用依据本发明的多重滤波装置，通过向直流母线注入与所述升压隔离电路的输入电流中的二次谐波电流iac2大小相等且方向相同的补偿电流ic，我们可以保证其母线电压更加稳定，同时母线电流只含有直流分量，其二次谐波分量已经基本消除。
参考图6，所示为依据本发明的一种多重滤波的单相光伏并网发电系统的第三实施例的原理框图，其中，所述有源滤波装置包括一电流源601，并进一步包括第一控制电路602和第一驱动电路603。
所述电流源601进一步包括第三开关管S3、第四开关管S4、第二电感L2和第二电容C2，其中；
所述第二电感L2与所述第二电容C2串联并连接至地后与所述第四开关管S4并联；
所述第三开关管S3的第一输入端连接至所述第二电感L2与所述第四开关管S4的公共连接点，其第二输入端作为所述电流源601的输出端并连接至所述母线电容C和所述升压隔离电路的公共连接点。
其中所述光伏阵列、母线电容C、升压隔离电路、逆变电路、电网的结构与连接关系，与图3所示实施例相同，在此不再赘述。
所述第一控制电路602，其输入端接收所述升压隔离电路的输入电流iL，并将其中的二次谐波信号提取出来作为电流基准信号ic *，电流基准信号ic *与所述电流源601的输出电流ic进行比较后的误差放大信号ier通过PWM电流控制，当所述误差放大信号ier大于所述三角波，PWM信号变为高电平，此时导通第四开关管S4，关断第三开关管S3，以提高输出电流ic；当误差放大信号ier小于所述三角波时，PWM信号变为低电平，则关断第四开关管S4，导通第三开关管S3，以减小所述输出电流ic，如此反复；
所述第一驱动电路603接收控制第三开关管S3和第四开关管S4的第一组控制信号并据此驱动其开关动作，以在电流源的输出端产生一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的补偿电流ic。
由图3和图6所示实施例我们可以推知，在所述有源滤波装置由一电流源实现时，其电流源可以为任意拓扑结构，保证其输出端输出一与流如所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流注入直流母线即能消除直流母线侧的二次谐波电流，降低了对母线电容的容值要求，以达到图3与图6所示实施例相同的技术效果。
参考图7，所示为依据本发明的一种多重滤波的单相光伏并网发电系统的第四实施例的原理框图，其中，所述有源滤波装置包括一电压源701和一变压器，并进一步包括第二控制电路702和第二驱动电路703。
所述电压源701进一步包括一直流侧电容Cd、全桥电路、第三电感L3与第三电容C3，所述直流侧电容Cd并联至所述全桥电路的直流侧，所述全桥电路的交流侧的输出电压经过所述第三电感L3与第三电容C3的滤波后耦接至所述变压器的副边；所述变压器的原边与所述直流母线串联。
所述第二控制电路702，其接收流过所述直流母线的电流is，经过放大后作为变压器原边或副边电压的基准信号并与相应的变压器原边或副边电压进行比较，本实施例中以变压器副边电压信号为例，副边电压的基准信号Vc *与变压器副边电压Vc进行比较的误差放大信号Ver通过PWM电压控制产生控制所述全桥电路中的开关管的第二组控制信号，与PWM电流控制相类似的，当所述副边电压电流基准信号Vc *与变压器副边电压Vc之间的误差增大时，误差放大信号Ver大于所述三角波，此时导通全桥电路中的开关管S6和S7，关断开关管S5和S8，以提高变压器的副边电压Vc；当误差放大信号Ver小于所述三角波时，导通全桥电路中的开关管S5和S8，关断开关管S6和S7以减小变压器的副边电压Vc；如此反复。
所述第二驱动电路703接收控制全桥电路中开关管的第二组控制信号并据此驱动其开关动作，以在电压源的输出端产生一与流过所述直流母线的电流is成一定比例关系的电压，并通过变压器串联接入所述直流母线，以增加所述直流母线侧的谐波阻抗。
根据电路的叠加原理，为了验证逆变电路的输入端的电流对直流母线的电流以及电压的二次谐波的影响，我们将光伏输出的直流母线电压视为短路，将直流母线侧的电路阻抗用Z1表示，其中Z1包括直流母线侧原有电路阻抗和通过有源滤波装置所增加的谐波阻抗，升压隔离电路和母线电容等效为电路阻抗Z2，逆变电路的输入端的电流等效为一电流源Is，则等效电路如图8所示。由于有源滤波装置的作用，直流母线侧的电路阻抗Z1增大，根据分流原理，逆变电路的输入端流入直流母线侧的电流i1随之减小，进而减小了流过直流母线的二次谐波电流，以降低对母线电容的容值要求。
由图7所示实施例我们可以推知，在所述谐波补偿装置由一电压源和一变压器实现时，其电压源可以为任意拓扑结构，保证其输出端输出一与流过所述直流母线的电流成一定比例的电压，并通过所述变压器串联接入至所述直流母线，同样能够达到图7所示实施例相同的技术效果。
依据本发明的单相光伏并网发电系统，适用与两级式光伏发电系统，即进一步包括一直流变换器，其输入端接收所述光伏阵列输出的直流电压通过所述母线电路滤波后的电信号，将经过母线电容滤波后的直流电压信号经过直流变换后，再经过所述有源滤波装置滤波输入至所述升压隔离电路。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种多重滤波的单相光伏并网发电系统，其中光伏阵列输出的直流母线电压通过一多重滤波装置滤波后输入至升压隔离电路，利用逆变电路对升压隔离电路的输出进行交流变换，所述逆变电路的输出为所述电网供电，其特征在于，
所述多重滤波装置包括无源滤波装置和有源滤波装置，其中所述无源滤波装置包括一母线电容，所述有源滤波装置与所述直流母线连接，并输出一谐波补偿信号，用以消除所述单相光伏并网发电系统直流母线侧的二次谐波电流。
2.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述有源滤波装置包括一电流源，其输出端连接至所述母线电容和所述升压隔离电路的公共连接点，以将一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流作为所述谐波补偿信号输入至所述直流母线。
3.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述有源滤波装置包括一电压源和一变压器，其中所述变压器的原边与所述直流母线串联，其副边接收所述电压源的输出电压，所述电压源输出一与流经所述直流母线的电流成比例的电压作为所述谐波补偿信号，并通过所述变压器输入所述直流母线。
4.根据权利要求2所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述电流源包括第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容，其中；
所述第一开关管与所述第二开关管串联后与所述第一电容并联，并连接至地；
所述第一电感的一端连接至所述第一开关管与所述第二开关管的公共连接点，另一端作为所述电流源的输出端；
通过控制所述第一开关管和第二开关管的开关动作，使所述电流源的输出端输出一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
5.根据权利要求2所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述电流源包括第三开关管、第四开关管、第二电感和第二电容，其中；
所述第二电感与所述第二电容串联并连接至地后与所述第四开关管并联；
所述第三开关管的第一输入端连接至所述第二电感与所述第四开关管的公共连接点，其第二输入端作为所述电流源的输出端；
通过控制所述第三开关管和第四开关管的开关动作，使所述电流源的输出端输出一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
6.根据权利要求3所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述电压源包括一直流侧电容、全桥电路、第三电感和第三电容，其中所述直流侧电容并联至所述全桥电路的直流侧，所述全桥电路的交流侧的输出电压经过所述第三电感和第三电容的滤波后耦接至所述变压器的副边，通过控制全桥电路中开关管的开关动作，使得所述全桥电路的交流侧输出一与流经所述直流母线的电流成比例的电压。
7.根据权利要求4或5所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述谐波补偿装置进一步包括第一控制电路和第一驱动电路，其中；
所述第一控制电路的输入端接收所述升压隔离电路的输入电流，并分离出其中的二次谐波信号作为电流基准信号，所述电流基准信号与所述电流源的输出电流进行比较的误差放大信号通过PWM电流控制产生控制所述电流源中的开关管的第一组控制信号；
所述第一驱动电路接收所述第一组控制信号并据此驱动所述电流源中的开关管的开关动作，以在电流源的输出端产生一与流入所述升压隔离电路的二次谐波电流大小相等、方向相同的电流。
8.根据权利要求6所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，所述谐波补偿装置进一步包括第二控制电路和第二驱动电路，其中；
所述第二控制电路的输入端接收流过所述直流母线的电流，经过放大后作为变压器原边或副边电压的基准信号并与相应的变压器原边或副边电压进行比较的误差放大信号通过PWM电压控制产生控制所述电压源中的开关管的第二组控制信号；
所述第二驱动电路接收所述第二组控制信号并据此驱动所述全桥电路中的开关管的开关动作，以在电压源的输出端产生一与流过所述直流母线的电流成一定比例关系的电压。
9.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统，其特征在于，进一步包括一直流变换器，所述光伏阵列输出的直流母线电压通过所述母线电容滤波后的电信号输入至所述直流变换器，所述直流变换器的输出电压经过所述有源滤波装置滤波后输入至所述升压隔离电路。
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