CN102522813A

CN102522813A - 一种光伏发电稳压装置

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Publication number: CN102522813A
Application number: CN2011104356810A
Authority: CN
Inventors: 孔飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明涉及一种光伏发电稳压装置，它包括光伏发电系统、最大功率点跟踪控制器、交直流切换开关、系统控制器、电网、可控电力变流器、LC低通滤波器、隔离变压器、负载和电压传感器；光伏发电系统输出的直流电源经最大功率点跟踪控制器后分别输入交直流切换开关的直流电源输入端，及系统控制器内，交直流切换开关的交流电源输入端连接电网，交直流切换开关输出端连接可控电力变流器输入端；可控电力变流器的输出端经LC低通滤波器后连接隔离变压器的初级绕组，隔离变压器的二级绕组与电网和负载串联；负载侧经电压传感器连接系统控制器，系统控制器控制交直流切换开关和可控电力变流器工作。本发明能有效地保证负载电压的稳定，实现全天候长期稳定为负载供电，可以广泛在电力供电系统中应用。

Description

一种光伏发电稳压装置

技术领域

本发明涉及一种发电稳压装置，特别是关于一种电力供电系统中的光伏发电稳压装置。

背景技术

在用电的高峰期，电网的电压一般会比正常电压低，这种情况叫电网欠压。特别是在电网的末端，在城市的郊区和一些偏远的乡镇，由于电网的建设不完善或没有足够的冗余度以及监控和支持，电网电压会比正常电压低10％或者更低。在电压欠压的情况下，可能导致用电设备(如家用电器)不能正常工作，比如用电设备的转换效率会非常低。如果电压欠压太严重，特别是超过10％的情况下，极有可能损坏用电设备。

国外的M.R.Ahmed和M.Alam在“Design of a switch mode AC voltageregulator with improved performance，”(Power Electronics，2006.IICPE 2006.India International Conference on，IEEE，2006，p.203-207)一文中利用稳压器来稳定电网电压，稳压器从电力不稳的电网中获取能量，用于补偿电网的电压并把电网的电压提高到正常水平然后给负载供电。然而这种稳压系统大大降低了供电系统的效率，通常只有最高65％的效率。负载的供电电压虽然暂时被稳定了，但电网向负载供电的效率被降低了，导致更多的电能需要从电网中获取和消耗，从而增加了电费；还有从电压欠压的电网中提取过多的电能可能会导致欠压的情况更严重，对电网及负载产生冲击作用及相反的效果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能利用新能源光伏发电，又能调节电网的电能质量，并且能为如家庭、写字楼、工厂等负载提供全天候的长期稳定工作电源的光伏发电稳压装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光伏发电稳压装置，其特征在于：它包括一光伏发电系统、一最大功率点跟踪控制器、一交直流切换开关、一系统控制器、一电网、一可控电力变流器、一LC低通滤波器、一隔离变压器、一负载和一电压传感器；所述光伏发电系统输出的直流电源经所述最大功率点跟踪控制器后分别输入所述交直流切换开关的直流电源输入端，及所述系统控制器内，所述交直流切换开关的交流电源输入端连接所述电网，所述交直流切换开关输出端连接所述可控电力变流器输入端；所述可控电力变流器的输出端经所述LC低通滤波器后连接所述隔离变压器的初级绕组，所述隔离变压器的二级绕组与所述电网和负载串联；所述负载侧经所述电压传感器连接所述系统控制器，所述系统控制器控制所述交直流切换开关和可控电力变流器工作。

所述系统控制器包括一太阳能输出功率侦测器、一信号发生器、一三角波信号发生器和一PWM发生器；所述太阳能输出功率侦测器的输入端连接所述最大功率点跟踪控制器，输出端分别连接所述交直流切换开关和信号发生器的输入端；所述信号发生器输出的信号乘以所述电压传感器输出电压与预先设定参考电压的差值，得到的信号依次输入所述三角波信号发生器和PWM发生器后，得到的控制信号输入所述可控电力变流器。

所述隔离变压器采用50赫兹的1∶1的隔离变压器。

所述可控电力变流器包括四个桥接的双向可控半导体开关器件，每个所述半导体开关器件均由四个快恢复二极管组和一个场效应管组成，四个所述二极管桥接后，其共阳极连接所述场效应管的源极，共阴极连接所述场效应管的漏极，所述场效应管的栅极连接所述系统控制器中的PWM发生器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用包括光伏发电系统的最大功率点跟踪控制器、交直流切换开关、系统控制器、可控电力变流器、LC低通滤波器和隔离变压器的光伏发电稳压装置，可控电力变流器在系统控制器控制下可以将直流电源或交流电源转换成另一交流电源，为负载供电，这样不仅能有效地保证负载电压的稳定，调节了电网的电能质量，同时实现了全天候长期稳定为负载供电。2、本发明由于采用可控电力变流器能将直流电源转换成交流电源，也能将电网的交流电源转换成另一较小电压的交流电源，在系统控制器控制下，使得可控电力变流器能在同一变流器拓扑上实现两种模式的切换，这样大大节省了电路成本。3、本发明由于可控电力变流器采用四个桥接的双向导通的可控半导体开关器件，每个半导体开关器件均由四个桥接的快恢复二极管和一个场效应管组成，当本发明在交流工作模式时，流经该可控电力变流器的交流电降压不经过整流和逆变，从而大大提高了可控电力变流器的转换效率。4、本发明的光伏发电稳压装置是串联在负载和电网之间，因此，本发明的光伏发电稳压装置还以对电网起到无功补偿的作用。本发明可以广泛在电力供电系统中应用，特别是家庭，公司，工厂等小型供电系统。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的光伏发电系统向电网和负载提供电能时的运行示意图；

图3(1)～图3(4)是本发明利用电网本身的电能调节电网欠压的运行示意图及电流流向；

图4(1)～图4(4)是本发明利用电网本身的电能调节电网过高电压的运行示意图与电流流向；

图5(a)～图5(d)是本发明利用电网本身的电能调节电网过高电压的运行效果图；其中图5(a)为负载电流曲线图；图5(b)是电网电压、负载电压和可控电力变流器电压曲线图，黑实线为电网电压，平稳小虚线为可控电力变流器电压，虚线为负载电压；图5(c)是可控半导体开关器件S2端电压；图5(d)是可控半导体开关器件S4端电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明针对一般的光伏发电系统只能白天有阳光时工作，到了晚上就无法继续给负载提供电力，还有电网提供的电压会出现欠压或偏高的情况。提出了一种用于连接光伏发电系统、交流电网(AC电网)和负载的电路；即可以用光伏发电系统单独向负载供电，也可以利用光伏发电系统和AC电网同时向负载供电，并全天候地向负载提供一个高效率、可靠、稳定的AC电源。

如图1所示，本发明包括一光伏发电系统1、一光伏发电系统的最大功率点跟踪控制器(MPPT)2、一交直流切换开关3、一系统控制器4、一电网5、一可控电力变流器6、一LC低通滤波器7、一隔离变压器8、一负载9和一电压传感器10。

光伏发电系统1输出的直流电源经MPPT 2后分别输入交直流切换开关3的直流电源输入端DCin，以及系统控制器4内，其中MPPT 2用于提高光伏发电系统1的电力输出效率。交直流切换开关3的交流电源输入端ACin连接电网5，其输出端Out连接可控电力变流器6的输入端。可控电力变流器6的输出端经LC低通滤波器7后连接隔离变压器8的初级绕组，隔离变压器8的二级绕组与电网5和负载9串联。负载9侧还经一电压传感器10连接系统控制器4，系统控制器4根据光伏发电系统1及电压传感器10传输的电压信号控制交直流切换开关3和可控电力变流器6工作。

上述实施例中，系统控制器4通过光伏发电系统1的输出功率来控制交直流切换开关3在市电电网5和光伏发电系统1之间进行切换，系统控制器4包括一太阳能输出功率侦测器11、一信号发生器12、一三角波信号发生器13和一PWM发生器14。太阳能输出功率侦测器11的输入端连接MPPT 2，输出端分别连接交直流切换开关3和信号发生器12的输入端；信号发生器12输出的信号乘以电压传感器10输出电压与预先设定参考电压的差值，得到的信号依次输入三角波信号发生器13和PWM发生器14后，得到的控制信号输入可控电力变流器6。

太阳能输出功率侦测器11接收到MPPT 2输出的电压电流信号，当光伏发电系统1的输出功率大于预先的设定值时，太阳能输出功率侦测器11输出一个控制信号使得交直流切换开关3切换到直流电源输入端DCin与输出端Out连接模式，同时，该控制信号输入信号发生器12内，使信号发生器12产生一个同电网5信号同相位的正弦信号，正弦信号乘以负载9两端的电压同参考电压的差值，得到的信号再同三角波信号发生器13产生的三角波进行比较后输入PWM发生器14内得到SPWM信号，由SPWM信号来控制可控电力变流器6工作。当光伏发电系统1输出功率小于预先的设定值时，太阳能输出功率侦测器11输出一个控制信号使得交直流切换开关3切换到交流电源输入端ACin与输出端Out连接模式，同时，该控制信号输入信号发生器12内，使信号发生器12产生一个常数信号，该常数信号乘以负载9两端的电压同参考电压的差值，得到的信号再同三角波信号发生器13产生的三角波进行比较后，输入PWM发生器14内得到PWM信号，由PWM信号来控制可控电力变流器6工作。

上述各实施例中，可控电力变流器6由四个桥接的双向可控半导体开关器件S1～S4构成，每个半导体开关器件S均由四个快恢复二极管D1～D4和一个场效应管MOSFET组成，四个二极管D1～D4桥接后，其共阳极连接场效应管MOSFET的源极，共阴极连接场效应管MOSFET的漏极，场效应管MOSFET的栅极连接系统控制器4中的PWM发生器14。这样，通过四个桥接的二极管D1～D4可以使得场效应管MOSFET有双向导通的流动电流。其中，场效应管MOSFET还可以采用IGBT代替。

上述各实施例中，隔离变压器8采用50赫兹的1∶1的隔离变压器。

系统控制器4根据光伏发电系统1为本发明的光伏发电稳压装置提供直流电源，以及电压传感器10采集到的负载9两端电压信号，控制交直流切换开关3和可控电力变流器6。在系统控制器4的控制下，交直流切换开关3每次只能在直流电源输入端DCin和交流电源输入端ACin中选择一个与输出端Out连接，或选择把输入端与输出端Out断开，系统控制器4根据不同的工作模式控制交直流切换开关3选择适当的连接方式。在系统控制器4的控制下，四个可控半导体开关器件S1～S4把可控电力变流器6输入端的直流电源或交流电源转换成另一交流电能输出，经LC低通滤波器7截止可控电力变流器6产生的高频成分后输入隔离变压器8，由于隔离变压器8的初级绕组与二级绕组是隔离的，这样使得隔离变压器8初级绕组端的直流电无法流向二级绕组，并且只有交流电能可以流向电网5和负载9。

上述各实施例中，系统控制器4可以是基于FPGA、DSP、ARM、单片机或计算机等开发的系统，包含了电压采集及电流采集等功能；产生控制信号给所有可控开关，可以根据实际情况选择不同的工作模式和实现工作模式的转换。

基于上述各实施例，本发明的光伏发电稳压装置具有以下三种不同的工作模式：

第一种工作模式：通过系统控制器4将光伏发电系统1输出的直流电源与电网5输出的交流电串联后，向负载9提供稳定的电压。

在第一种工作模式下：光伏发电系统1输出的直流电源经过MPPT 2、可控电力变流器6、LC低通滤波器7和隔离变压器8后，可以被用于补偿电网5的欠压电压并把电压稳定在负载9额定的工作范围内，不从电网端抽取多余的电力，保证了电网5供电的效率；在某些情况下，电网5的电压严重超过负载9的工作电压，光伏发电系统1输出的直流电源经过MPPT 2、可控电力变流器6、LC低通滤波器7和隔离变压器8后，也可以被用于抵消电网5过高的电压以保证负载9的安全。

第二种工作模式：利用直流电源或电网交流电源中的一种电源向负载9稳定供电的工作模式，即利用光伏发电系统1输出的直流电源经过可控电力变流器6、LC低通滤波器7和隔离变压器8单独向负载9供电，或利用光伏发电系统1输出的直流电源经过可控电力变流器6、LC低通滤波器7和隔离变压器8单独向电网5输电。

在第二种工作模式下有两种情况：第一种情况是利用光伏发电系统1输出的直流电源单独给负载9供电并把多余的电量输入电网5，也可以利用光伏发电系统1输出的直流电源单独给负载9供电并把电网5旁路；第二种情况是当光伏发电系统1输出的直流电源极度不足时，把该直流电源旁路，利用电网5本身的电力经过可控电力变流器6、LC低通滤波器7和隔离变压器8调节电网5过高或过低的电压，以满足负载9的运行条件，此时，经过可控电力变流器6的交流电降压不经过整流和逆变，从而大大提高了可控电力变流器6的转换效率。

第三种工作模式：把本发明的光伏发电稳压装置旁路输出，即不经过电力连接电路直接把电网5的交流电源和负载9连接。

在第三种工作模式下：在光伏发电系统1输出的直流电源严重不足，但是电网5能稳定地满足负载9运行要求的情况下，把该直流电源旁路，不经过任何电力调节，利用电网5直接给负载9供电。

本发明在使用时，当利用光伏发电系统1给电网5和负载9供电时(如图2所示)，交直流切换开关3把MPPT 2与可控电力变流器6连接，此时可控电力变流器6的输入是直流电源，可控电力变流器6运行在DC/AC(直流电源转换成交流电源)的形式。可控电力变流器6输出的AC电源经过LC低通滤波器7和隔离变压器8，再与电网5的电压叠加或相减以满足负载9的运行要求。可控电力变流器6在此工作模式下的输入电源永远是正电压。

当本发明的可控电力变流器6运行在AC/AC(交流电源转换成另一交流电源)的形式时，即将电网5的交流电源转换为另一较小电压的交流电源。利用了电网5本身的电力经过可控电力变流器6调节电网5过高或过低的电压以满足负载9的运行要求(如图3和图4所示)。此时，电网5的一部分电流直接流向负载9，一部分电流流入可控电力变流器6。当电网5的电压过低，可控电力变流器6从电网5提取一部份电能并经过隔离变压器8的二级绕组叠加在电网5的电压之上，以提供负8的额定工作电压(如图3(1)～图3(4)所示)。当可控电力变流器6输入端电压是正电压时，可控半导体开关器件S1、S2导通，电流经过二极管D3、可控半导体开关器件S1、二极管D2、LC低通滤波器7、隔离变压器8的初级绕组、二极管D14、可控半导体开关器件S2、二极管D15及电网5，此时隔离变压器8初级绕组的内置电感开始充电(如图3(1)所示)。断开可控半导体开关器件S1、导通可控半导体开关器件S2、S4，此时隔离变压器8绕组的电感放电，电流经过D14、S2、D15、D8、S4、D6、LC低通滤波器7及隔离变压器8的初级绕组(如图3(2)所示)。可控半导体开关器件S1和S4的开关频率被控制在10千赫兹以上，可控半导体开关器件S2在此工作情况下保持导通。当可控电力变流器6的输入电压是负电压时(如图3(3)和图3(4)所示)，经过可控电力变流器6转换到隔离变压器8二级绕组上的电压波形与电网5的电压波形同相位及相加。

当电网的电压过高时(如图4(1)～图4(4)所示)，可控电力变流器6从电网5提取一部份电能并经过隔离变压器8的二级绕组与电网5的电压相抵，以达到负8的额定工作电压。

当本发明的可控电力变流器6变流器运行在AC/AC转换模式下时(如图5所示)。负载9电流是一稳定的值(如图5(a)所示)。在0.25秒之前，电网5的电压比负载9所需求的电压高(如图5(b)所示)，为了使负载9得到符合运行要求的电压，可控电力变流器6输出一个与电网5的电压反相位的电压，其数值是负载9电压与电网5电压的差。此时可控半导体开关器件S2处于高频的开关状态，而可控半导体开关器件S4是处于导通状态。在0.25秒之后，电网5的电压变为比负载9所需求的电压低(如图5(b)所示)，为了使负载9得到符合运行要求的电压，可控电力变流器6输出一个与电网5的电压同相位的电压，其数值是负载9电压与电网5电压的差。此时可控半导体开关器件S4处于高频的开关状态，而可控半导体开关器件S2是处于导通状态(如图5(c)、图5(d)所示)。由此可知，无论是在电网电压过高或过低的情况，本发明都能为负载9提供稳定的运行电压。

综上所述，本发明是采用光伏发电系统1做直流电源，需要增加MPPT 2在光伏发电系统1的末端，以便于最好地利用可转换的太阳能。从光伏发电系1得到的DC电源经过可控电力变流器6变流后的AC电源可能包含了DC的成分，本发明利用了一个1∶1的50赫兹隔离变压器8把此AC电源中的DC成分隔离，只允许AC电能流向电网5和负载9，保证了注入电网5和负载9所用AC电力的质量。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种光伏发电稳压装置，其特征在于：它包括一光伏发电系统、一最大功率点跟踪控制器、一交直流切换开关、一系统控制器、一电网、一可控电力变流器、一LC低通滤波器、一隔离变压器、一负载和一电压传感器；

所述光伏发电系统输出的直流电源经所述最大功率点跟踪控制器后分别输入所述交直流切换开关的直流电源输入端，及所述系统控制器内，所述交直流切换开关的交流电源输入端连接所述电网，所述交直流切换开关输出端连接所述可控电力变流器输入端；所述可控电力变流器的输出端经所述LC低通滤波器后连接所述隔离变压器的初级绕组，所述隔离变压器的二级绕组与所述电网和负载串联；所述负载侧经所述电压传感器连接所述系统控制器，所述系统控制器控制所述交直流切换开关和可控电力变流器工作。

2.如权利要求1所述的一种光伏发电稳压装置，其特征在于：所述系统控制器包括一太阳能输出功率侦测器、一信号发生器、一三角波信号发生器和一PWM发生器；所述太阳能输出功率侦测器的输入端连接所述最大功率点跟踪控制器，输出端分别连接所述交直流切换开关和信号发生器的输入端；所述信号发生器输出的信号乘以所述电压传感器输出电压与预先设定参考电压的差值，得到的信号依次输入所述三角波信号发生器和PWM发生器后，得到的控制信号输入所述可控电力变流器。

3.如权利要求1所述的一种光伏发电稳压装置，其特征在于：所述隔离变压器采用50赫兹的1∶1的隔离变压器。

4.如权利要求2所述的一种光伏发电稳压装置，其特征在于：所述隔离变压器采用50赫兹的1∶1的隔离变压器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种光伏发电稳压装置，其特征在于：所述可控电力变流器包括四个桥接的双向可控半导体开关器件，每个所述半导体开关器件均由四个快恢复二极管组和一个场效应管组成，四个所述二极管桥接后，其共阳极连接所述场效应管的源极，共阴极连接所述场效应管的漏极，所述场效应管的栅极连接所述系统控制器中的PWM发生器。