背景技术
开发新能源和可再生能源,早已成为世界各国的共识。在可以预见的未来,光伏发电将逐步实现极大规模的开发和利用,容量范围从10MW到几个GW。迄今为止,获得工业应用的高压大容量光伏并网发电装置主要有两类方案:
方案1:单级式光伏并网发电装置,由多个光伏子系统并联组成,各光伏子系统包含光伏电池阵列、三相PWM逆变器、变压器。光伏并网发电装置也可以通过两级变压器升压接入高压配电网,变压器也可以采用低压侧多分裂的结构。我国某大型光伏电站即采用此结构,每10MW的容量由20台500kW的三相PWM逆变器经两级并联得到:①每2台三相PWM逆变器共1台1MVA的变压器,升压至10kV;②每10台1MVA的变压器共1台10MVA的变压器,升压至35kV。
方案2:两级式光伏并网发电装置,包含多组光伏电池阵列、多台DC/DC变换器、1台三相PWM逆变器、1台变压器。欧洲某光伏企业设计的光伏并网发电装置即采用此结构,发电容量可达3MW,三相PWM逆变器采用多IGBT并联的结构。
从效率、电能质量和可靠性三个方面考虑,以上两类方案应用于并网电压10~35kV容量10MW以上的光伏并网发电系统时,均难以实现综合性能的优化。
发明内容
为了克服现有方案的不足,本发明提出一种基于多重化技术的光伏并网发电装置,具有光伏电池阵列利用率高、功率变换效率高、并网电流总谐波畸变率小、可靠性高、成本低等优点。
本发明提供的基于多重化技术的光伏并网发电装置,它包括前后电连接的光伏功率输入单元I、直流母线电容器单元II、三相方波逆变器单元III、变压器单元IV和能够控制单位功率因数和并网电流的低畸变率的输出滤波电抗器单元V;其特征在于,所述三相方波逆变器单元III由2k(K≥2)台三相方波逆变器及对2k台所述三相方波逆变器的驱动脉冲予以集中控制的驱动脉冲控制器组成,所述变压器单元IV由2k(K≥2)台变压器组成,第i台所述三相方波逆变器的输出端对应连接第i台所述变压器的输入端;所述三相方波逆变器单元III中的DC/AC变换的开关频率等于电网额定频率,所述驱动脉冲控制器对2k台所述三相方波逆变器所输出的12k个驱动脉冲的相位依次相差π/6k,所述变压器单元IV对所述三相方波逆变器单元III的输出电压进行合成,再经过所述输出滤波电抗器单元V接入高压电网。
进一步的技术方案还可以是,每个所述三相方波逆变器采用三相全桥结构,即每个所述三相方波逆变器每个桥臂的两个功率半导体开关器件互补导通,以脉宽180°的方波驱动,所述驱动脉冲控制器对三个桥臂所输出的驱动脉冲的相位依次相差120°。
进一步的技术方案还可以是,2k台所述变压器的输入侧绕组全部采用Δ型接法且绕组匝数相同,其中k台所述变压器的输出侧绕组按照同名端串联后接Y型采用Y型接法,另外k台所述变压器的输出侧绕组按照同名端串联后接成Δ型,Δ/Δ型所述变压器输出侧的绕组匝数为Δ/Y型所述变压器输出侧的绕组匝数的
倍,2k台所述变压器输出侧绕组的Δ部分和Y部分串联组合后与所述输出滤波电抗器单元V相连;当所述三相方波逆变器与所对应的所述变压器数量一定时,所述变压器单元IV输出电压的基波有效值U
1与所述直流母线电容器单元II中的直流母线电压U
d成正比,即U
1=C·U
d,其中C为常量系数。
进一步的技术方案还可以是,所述驱动脉冲控制器通过对12k个驱动脉冲的同步脉冲相位与电网电压相位之间的相角差
进行实时调节,从而调节所述变压器单元IV输出电压的基波相位。
进一步的技术方案还可以是,所述驱动脉冲控制器通过对光伏并网发电装置输出的无功功率进行控制,从而实现对所述直流母线电压Ud的自动调节,亦即实现对所述变压器单元IV输出电压的基波有效值U1的自动调节。
进一步的技术方案还可以是,利用所述变压器单元IV的短路阻抗作为输出滤波电抗,因而可以省略专门设置的所述滤波电抗器单元V。
进一步的技术方案还可以是,所述输出滤波电抗器单元V由3台单相电抗器组成,每台所述单相电抗器串联在其中一相线路中。
进一步的技术方案还可以是,所述驱动脉冲控制器通过检测电网电压相位和频率f,结合无功功率扰动形成对光伏并网发电装置的孤岛保护。
应用于10~35kV容量10MW以上的光伏并网发电系统时,较之现有的技术方案,本发明装置采用DC/AC变换与对应变压器的组合,实现方波叠加式多重化技术,具有下述三个方面的优点:
(1)采用方波叠加式多重化技术,DC/AC变换的开关频率等于电网额定频率例如50Hz,有功损耗很小,光伏并网发电装置的总效率较高。
(2)采用方波叠加式多重化技术,利用所述变压器对所述三相方波逆变器的输出电压进行合成,所述变压器输出电压总谐波畸变率较小且最低次谐波阶次较高,并网电流总谐波畸变率很小。
(3)采用方波叠加式多重化技术,通过一套所述驱动脉冲控制器对12k个驱动脉冲的同步脉冲相位与电网电压相位之间的相角差
进行实时调节,结合无功功率扰动,从而调节所述变压器单元IV输出电压的基波相位,并网时不存在传统方案中孤岛保护的同步扰动问题,可靠性较高。
具体实施方式
下面结合附图和实例对应用本发明的具体技术方案作进一步详细说明。
如图1所示,本发明提出的新型基于多重化技术的光伏并网发电装置由光伏功率输入单元I、直流母线电容器单元II、三相方波逆变器单元III、变压器单元IV和输出滤波电抗器单元V组成。
所述光伏功率输入单元I由N组功率模块并联组成,各功率模块包括光伏电池阵列和DC/DC变换器。光伏电池分为N组阵列(PV#1,PV#2,……,PV#N),PV#i将光伏电池转化而来的电能传送给DC/DC变换器i(i=1,2,……,N),实现最大功率点跟踪和升压功能,并将电能传送给所述直流母线电容器单元II。所述光伏功率输入单元I可采用现有的DC/DC拓扑结构和最大功率点跟踪方法,采用N组功率模块并联的结构可以降低光伏电池组件串并联时由于电池参数、太阳辐照度和温度的差异带来的负面影响,能够有效地提高光伏电池阵列的利用率。
所述直流母线电容器单元II对N台DC/DC变换器输出的电能进行汇集,实现直流母线电压支撑和交直流能量解耦,将电能传送给所述三相方波逆变器单元III。
所述三相方波逆变器单元III由2k(K≥2)台三相方波逆变器及对2k台所述三相方波逆变器的驱动脉冲予以控制的驱动脉冲控制器(如图5所示)组成。为了实现光伏并网发电装置的高压大容量、较高的效率、较小的并网电流总谐波畸变率、较高的可靠性和较低的成本,所述三相方波逆变器单元III中的DC/AC变换的开关频率为额定频率如中国电网的50Hz。利用所述变压器单元IV对所述三相方波逆变器单元III的输出电压进行合成,经过所述输出滤波电抗器单元V,将电能传送给10~35kV配电网。所述变压器单元IV由2k(K≥2)台变压器组成,第i台所述三相方波逆变器对应连接第i台所述变压器(其中i是介于4到2K之间的任何顺序数);所述输出滤波电抗器单元V由3台单相电抗器组成,每台所述单相电抗器串联在其中一相线路中。
在所述三相方波逆变器单元III中,所述三相方波逆变器采用三相全桥结构,输入侧与所述直流母线电容器单元II相连,输出侧与对应的一台所述变压器相连。所述驱动脉冲控制器所输出的12k个驱动脉冲之间具有固定的相位关系,即各所述三相方波逆变器每个桥臂的两个功率半导体开关器件互补导通,以脉宽180°的方波驱动,三个桥臂驱动脉冲的相位依次相差120°,2k台所述三相方波逆变器的驱动脉冲的相位依次相差π/6k,运行中对12k个驱动脉冲的同步脉冲相位进行实时调节。所述三相方波逆变器单元III中第i台三相方波逆变器将电能传送给单元IV中第i台变压器。
在所述变压器单元IV中,各所述变压器输入侧采用Δ型接法且绕组匝数相同,与对应的一台所述三相方波逆变器相连,其中k台的输出侧绕组采用Y型接法,另外k台的输出侧绕组采用Δ型接法,Δ/Δ型变压器输出侧绕组匝数为Δ/Y型变压器输出侧绕组匝数的倍。第K+1到第2K台共k台变压器输出侧各相绕组按照同名端串联后接成Δ型,第1到第K台共k台变压器输出侧各相绕组按照同名端串联后接Y型,2k台所述变压器的输出侧绕组的Δ部分和Y部分按图2串联起来。2k台所述变压器输入侧电压为较低的方波电压,第i+1台变压器输入的方波电压的相位比第i台变压器输入的方波电压的相位滞后π/6k,利用多重化进行方波叠加,所述变压器单元IV的A、B、C端口得到波形接近正弦的阶梯波电压,其基波分量接近10~35kV配电网电压。所述变压器单元IV经过所述输出滤波电抗器单元V将电能传送给配电网。
所述三相方波逆变器和变压器的数量2k一定时,所述变压器单元IV输出电压的基波有效值U
1与直流母线电压U
d成正比,即:U
1=C·U
d,其中,C为常量系数。所述变压器单元IV输出电压的基波相位取决于同步脉冲相位与电网电压相位之间的相角差
通过对光伏并网发电装置输出的无功功率进行控制,即可实现所述直流母线电压U
d的自动调节,亦即对所述变压器单元IV输出电压的基波有效值U
1的自动调节。通过调节同步脉冲相位与电网电压相位之间的相角
即可调节所述变压器单元IV输出电压的基波相位。
在输出滤波电抗器单元V中,3台单相电抗器(Lfa、Lfb、Lfc)分别连接在所述变压器单元IV的A、B、C输出端口和配电网A、B、C三相之间,将所述变压器单元IV输出的电能传送给配电网,并对变压器单元IV输出电压的谐波分量进行抑制。其次还可以是,通过对所述变压器单元IV的短路阻抗进行合理设计,可以将其用作输出滤波电抗,此时可以省略所述输出滤波电抗器单元V,如图3所示。
由于所述变压器单元IV输出电压的总谐波畸变率较小且最低次谐波阶次较高,利用所述输出滤波电抗器单元V或所述变压器单元IV本身的短路阻抗,即可获得很小的并网电流总谐波畸变率。光伏并网发电装置只需要一套所述驱动脉冲控制器的控制,通过检测电压、检测频率和无功功率扰动相结合,实现光伏并网发电装置的孤岛保护,实现并网时不存在传统方案中孤岛保护的同步扰动问题,可靠性较高。
图4给出一个K=2实施方案,光伏并网发电装置的主电路参数:并网电压10kV;光伏功率输入单元I由100组功率模块并联组成,各功率模块中,光伏电池阵列110kWp,满载时最大功率点电压约为500~800V,DC/DC变换器额定功率100kW;直流母线电容器单元II的直流母线电压正常运行时控制在1800V左右;三相方波逆变器单元III由4台三相方波逆变器组成,各三相方波逆变器额定功率2.5MW,4台三相方波逆变器驱动脉冲的相位依次相差15°;变压器单元IV由4台变压器组成,容量均为2.5MVA,T
1和T
2采用Δ/Y接法,变比为1,T
3和T
4采用Δ/Δ接法,变比为
输出滤波电抗器单元V由3台单相电抗器组成,各电抗器的电感值均为5mH。
如图5所示,所述驱动脉冲控制器对所述三相方波逆变器的控制方案为,利用锁相环PLL实时得到电网电压u
a的相位
和频率f,生成dq坐标变换所需的cosωt和sinωt;通过对并网电流i
a、i
b、i
c进行dq坐标变换,可以得到有功分量的反馈值i
d和无功分量的反馈值i
q;无功分量的指令值
正常工作时设置为0,无功功率扰动时设置为某一固定值;无功分量的指令值
和反馈值i
q相比较,误差信号Δi
q经过PI调节器得到同步脉冲相位与电网电压相位之间的相角差
根据
f,利用FPGA即可生成24个驱动脉冲,经过驱动保护电路,控制4台三相方波逆变器中的功率半导体开关器件的开通和关断。