CN102723731A - 单向交流并网发电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源领域，公开了一种单向交流并网发电系统及其方法，用于清洁能源发电及UPS系统。本发明中，通过相位检测器对市电相位进行检测，利用高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转为与所述市电相位同步的正弦脉动直流。经全波整流后的市电与高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇于A点或B点后，输出给负载，使得能以较低的成本实现清洁能源的发电，并且避免了重复计费、谐波污染和孤岛效应等问题。进一步地，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压，使得太阳能、风能等清洁能源可以被优先使用。

Description

单向交流并网发电系统及其方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别涉及利用新能源的发电技术。

背景技术

2011年全球光伏需求量为26G瓦，但是今年全球产量超过30G瓦。其中中国光伏组件的产量占全球产量的60-70%。而中国的产量有95%需外贸来消化。美国政府已对中国光伏企业“双反”（反倾销、反补贴）调查，对这些产品征收5%以下的反补贴税。因此中国的光伏产业更需立足于国内市场才有望走出寒冬。虽然政府在新能源上有较大的力度，但受整体经济政策调控的影响，若单靠政府主导几个大型光伏发电站还是远不能解决问题的，只有大规模的民间自发使用光伏发电，如太阳能热水器那样才是解决问题的根本出路。目前，利用新能源的发电方式主要有双向并网发电和离网交替切换发电两种方式。

其中，双向并网发电方式如图1所示，市电和太阳能电池组共同为用户负载提供电流，多余的太阳能电池组所提供的电能将通过双向并网逆变器反馈至市电。但是，由于目前我国的输配电计费系统不支持终端用户双向并网发电，多余的电能馈入电网后用户反而需缴纳更多的电费。而且，双向并网发电系统还存在当逆变装置同市电失步时带来的巨大环路回流，严重污染电网，及给逆变器运行带来危害，同时，在双向交流并网发电系统中还存在有孤岛效应，不能够实时切断故障线路与发电系统的连接。如图1所示，从双向并网逆变器至市电的方向不仅存在重复计费的问题，同时也存在谐波污染和孤岛效应的问题。因此，双向并网发电方式的推广收到了较大的制约。

离网交替切换发电方式如图2所示，由太阳能电池组或市电为用户负载提供电流，在蓄电池亏电充电时系统切换成完全市电供电。然而，由于系统的切换需要一定的时长，因此该方式不能即时传送能量至负载。而且，采用离网式交替发电系统必然会使用到大容量的蓄电池组，带来系统成本的急剧上升，频繁的维护费用，及蓄电池充放电带来的能量损失，不符合终端用户市场的特点，无法全面推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单向交流并网发电系统及其方法，使得能以较低的成本实现清洁能源的发电，并且避免了重复计费、谐波污染和孤岛效应等问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种单向交流并网发电系统，包含：全波整流器、相位检测器、与该相位检测器相连的高压直流转正弦脉动直流器、所述相位检测器对市电相位进行检测，将检测到的市电相位输出给所述高压直流转正弦脉动直流器，供该高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转为与所述市电相位同步的正弦脉动直流；

所述单向交流并网发电系统还包含至少一个正弦脉动直流转交流器；

所述正弦脉动直流转交流器为一个时，所述全波整流器和所述高压直流转正弦脉动直流器并联于该正弦脉动直流转交流器；所述全波整流器对市电进行全波整流，经所述全波整流后的市电与所述高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇后，输入到所述正弦脉动直流转交流器；所述正弦脉动直流转交流器将输入电流转换为交流电后输出给负载；

所述正弦脉动直流转交流器为两个时，其中一个正弦脉动直流转交流器与所述高压直流转正弦脉动直流器相连，另一个正弦脉动直流转交流器与所述全波整流器相连；所述全波整流器将全波整流后的市电输出到与本全波整流器相连的正弦脉动直流转交流器；所述高压直流转正弦脉动直流器将输出电流输入到与本高压直流转正弦脉动直流器相连的正弦脉动直流转交流器，所述两个正弦脉动直流转交流器的输出电流交汇后输出给负载。

本发明的实施方式还提供了一种单向交流并网发电方法，包含以下步骤：

对市电相位进行检测，将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转换为与所述市电相位同步的正弦脉动直流；

将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电交汇后，通过正弦脉动直流转交流器将该交汇后的电流转换为交流电，并输出给负载；或者，

将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电分别通过两个正弦脉动直流转交流器转换成交流电，并将各自转换后的交流电交汇后输出给负载。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过相位检测器对市电相位进行检测，利用高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转为与所述市电相位同步的正弦脉动直流。经全波整流后的市电与高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇后，输入到正弦脉动直流转交流器，将交汇的电流转换为交流电后输出给负载。由于清洁能源转换成的电流转换为交流电后输出给负载，因此不会产生流至市电方向的电流。也就是说，能量仅能单向流动至负载，清洁能源所产生的电能不会传向电网故不存在孤岛效应,也不会有直流分量向电网传输的电量，保证了主干网的电能质量，进一步保证了清洁能源的利用率。这是由电路拓扑结构所决定的。比现有双向并网装置更容易及安全地规避孤岛效应的危害，并且，由于能量只能流向负载，因此不会产生环路回流，有效避免了谐波污染。而且，也无需更改现有的电费计量方式，可最大限度及以最快方式向终端客户推广清洁能源使用，适用一切传统负载。另外，采用该单向交流并网发电系统，无需蓄电池支持直接发电。相对现有的交替切换离网式发电系统必须使用大容量的蓄电池组，带来系统成本的急剧上升，频繁的维护费用，及蓄电池充放电带来的能量损失和系统可靠性降低等问题，该单向交流并网发电系统大大降低了实现成本，从而有利于清洁能源的快速推广。

另外，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压，使得太阳能、风能等清洁能源可以被优先使用，不足部分可由市电柔性补充，使得清洁能源无需按最大用电负荷进行配置，也不必一定要配置蓄电瓶，从而充分发挥了清洁能源的利用率，降低了系统造价。

另外，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，也可低于经全波整流后的市电的电压，使得市电可以被优先使用，成为一种UPS系统（不间断电源系统）。

另外，单向交流并网发电系统还包含：直流转直流单向隔离器，该直流转直流单向隔离器与高压直流转正弦脉动直流器相连，该直流转直流单向隔离器将由清洁能源得到的直流电流进行升压后，输出给高压直流转正弦脉动直流器。

附图说明

图1是现有技术中的双向并网发电方式的示意图；

图2是现有技术中的离网交替切换发电方式的示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的单向交流并网发电系统结构示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的高压直流转正弦脉动直流器的电气原理图；

图5是根据本发明第一实施方式中的正弦脉动直流转交流器的电气原理图；

图6是根据本发明第四实施方式的单向交流并网发电系统结构示意图；

图7是根据本发明第五实施方式的单向交流并网发电方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种单向交流并网发电系统。本实施方式的目的在于，解决以下技术问题：

1.解决双向交流并网发电方式普通中国终端用户面临的重复计费问题；

2.规避在双向交流并网发电中存在的孤岛效应：不能够实时切断故障线路与发电系统的连接；

3.避免了双向交流并网发电方式传输中的回路环流效应，避免了对电网的污染；

4.避免离网交替切换发电方式必须使用蓄电池作为储能装置带来的成本增加和效率损失。

本实施方式的单向交流并网发电系统的具体结构如图3所示，包含：直流转直流单向隔离器、全波整流器、相位检测器、与该相位检测器相连的高压直流转正弦脉动直流器、与全波整流器和高压直流转正弦脉动直流器并联的正弦脉动直流转交流器。

具体地说，直流转直流单向隔离器与高压直流转正弦脉动直流器相连，该直流转直流单向隔离器将由清洁能源（如风能、太阳能等清洁能源）得到的直流电流进行升压后，输出给高压直流转正弦脉动直流器。比如说，太阳能经过最大功率跟踪（MPPT）的直流转直流单向隔离器后，进入高压直流转正弦脉动直流器。该直流转直流单向隔离器本身属于现有的装置，其具体结构在此不再赘述。

相位检测器对市电相位进行检测，将检测到的市电相位输出给高压直流转正弦脉动直流器，供该高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压直流，转为与市电相位同步的正弦脉动直流。该相位检测器、高压直流转正弦脉动直流器本身属于现有的装置，其具体结构在此不再赘述。

全波整流器对市电进行全波整流，经全波整流后的市电与高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇后，输入到正弦脉动直流转交流器，该正弦脉动直流转交流器将输入电流转换为交流电后输出给负载。该全波整流器本身属于现有的装置，其具体结构在此不再赘述。

也就是说，如图3所示，清洁能源经直流转直流单向隔离器，进入高压直流转正弦脉动直流器，与市电通过全波整流器，汇集到正弦脉动直流转交流器之前的A处，起到能量单向传输及补充作用。其中，通过相位检测器，经数字处理同步市电及逆变工频周期，以保证合并后的能量在经过电子换向装置（正弦脉动直流转交流器）后变成与市电同频同相的正弦波交流电，进入终端用户。

其中，高压直流转正弦脉动直流器由电子开关构成半桥，输入高压直流，按正弦脉宽调整SPWM规律控制，输出正弦直流脉动电压，如图4所示。正弦脉动直流转交流器由电子开关构成全桥换向电路，按工频周期进行控制切换，输入正弦直流脉动电压输出交流电，如图5所示。

不难发现，在本实施方式中，由于清洁能源转换成的电流转换为交流电后输出给负载，因此不会产生流至市电方向的电流。也就是说，能量仅能单向流动至负载，清洁能源所产生的电能不会传向电网故不存在孤岛效应。比现有双向并网装置更容易及安全地规避孤岛效应的危害，并且，由于能量只能流向负载，因此不会产生环路回流，有效避免了谐波污染。而且，也无需更改现有的电费计量方式，可最大限度及以最快方式向终端客户推广清洁能源使用，适用一切传统负载。另外，采用该单向交流并网发电系统，无需蓄电池支持直接发电。相对现有的交替切换离网式发电系统必须使用大容量的蓄电池组，带来系统成本的急剧上升，频繁的维护费用，及蓄电池充放电带来的能量损失和系统可靠性降低等问题，该单向交流并网发电系统大大降低了实现成本，从而有利于清洁能源的快速推广。

另外，由于全波整流器的阻断直流分量不能向电网传输的电量，保证了主干网的电能质量，进一步保证了清洁能源的利用率。

本发明的第二实施方式涉及一种单向交流并网发电系统。第二实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压。

比如说，清洁能源经DC/DC（直流转直流）隔离后成单向传输的直流，经高压直流转正弦脉动直流器后的开路电压为380峰值V，交流市电经全波整流后的电压为320峰值V。由于清洁能源经DC/DC（直流转直流）隔离后成单向传输的直流，经高压直流转正弦脉动直流器后的开路电压，高于交流市电经全波整流后的电压，因此太阳能、风能等清洁能源可以被优先使用，不足部分可由市电柔性补充，使得清洁能源无需按最大用电负荷进行配置，也不必一定要配置蓄电瓶，从而充分发挥了清洁能源的利用率，降低了系统造价。

本实施方式的能量单向传输的市电/清洁能源（太阳能、风能）柔性互补交流单向并网发电方式，适用于传统能源发电系统同清洁能源同时按清洁能源优先配比向终端用户的一切传统负载提供能源的场合。清洁能源（如太阳能、风能）发电时其能量只能向负载传输，而不会转向市电系统，所接入的市电也只能向负载传输，起到补充清洁能源不足部分并且清洁能源永远处于被优先使用的状态。规避双向交流并网发电方式在无双向计费电表供电系统中重复计费的问题，避免交流电能量双向传输对电网造成的潜在危害，又可以不使用蓄电池，利用市电补充清洁能源的不足及稳定供电电压。

本发明的第三实施方式涉及一种单向交流并网发电系统。第三实施方式与第二实施方式大致相同，区别之处在于，在本发明第二实施方式中，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压。而在本发明第三实施方式中，高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，低于经全波整流后的市电的电压，使得市电可以被优先使用成为一种UPS系统。

本发明的第四实施方式涉及一种单向交流并网发电系统。第四实施方式与第一实施方式大致相同，区别之处在于，在第一实施方式中，单向交流并网发电系统包含一个正弦脉动直流转交流器，经全波整流后的市电与高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇后，输入到该正弦脉动直流转交流器。而在本实施方式中，单向交流并网发电系统包含两个正弦脉动直流转交流器。其中一个正弦脉动直流转交流器与所述高压直流转正弦脉动直流器相连，另一个正弦脉动直流转交流器与所述全波整流器相连。全波整流器将全波整流后的市电输出到与本全波整流器相连的正弦脉动直流转交流器；所述高压直流转正弦脉动直流器将输出电流输入到与本高压直流转正弦脉动直流器相连的正弦脉动直流转交流器，两个正弦脉动直流转交流器的输出电流交汇后输出给负载，如图6所示。

不难发现，本实施方式与第一实施方式的区别在于市电与清洁能源转换成的电流的交汇点不同，在第一实施方式中两种电流交汇于A点，而在本实施方式中两种电流交汇于B点，但其实现原理相同，因此本实施方式也能达到第一实施方式的技术效果，在此不再赘述。

本发明第五实施方式涉及一种单向交流并网发电方法，具体流程如图7所示。

在步骤701中，对由清洁能源得到的直流电流进行升压。具体地，通过一个直流转直流单向隔离器对由清洁能源得到的直流电流进行升压。在本实施方式中，清洁能源包含风能和/或太阳能。

接着，在步骤702中，对市电相位进行检测，将由清洁能源转换成的高压直流，转换为与市电相位同步的正弦脉动直流。比如说，通过相位检测器对市电相位进行检测，将检测到的市电相位输出给所述高压直流转正弦脉动直流器，由该高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转为与市电相位同步的正弦脉动直流。

在步骤703中，将该正弦脉动直流与经全波整流后的市电交汇后，通过正弦脉动直流转交流器将该交汇后的电流转换为交流电，并输出给负载。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明的第六实施方式涉及一种单向交流并网发电方法。第四实施方式在第三实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第四实施方式中，与市电相位同步的正弦脉动直流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压，以保证清洁能源处于优先使用的状态。

本发明的第七实施方式涉及一种单向交流并网发电方法。第七实施方式与第六实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第六实施方式中，与市电相位同步的正弦脉动直流的开路电压，高于经全波整流后的市电的电压，以保证清洁能源处于优先使用的状态。而在本发明第七实施方式中，与市电相位同步的正弦脉动直流的开路电压，低于经全波整流后的市电的电压，使得市电可以被优先使用，成为一种UPS系统。

本发明的第八实施方式涉及一种单向交流并网发电方法。第八实施方式与第五实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第五实施方式中，将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电交汇后，通过正弦脉动直流转交流器将该交汇后的电流转换为交流电，并输出给负载。而在本实施方式中，将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电分别通过两个正弦脉动直流转交流器转换成交流电，并将各自转换后的交流电交汇后输出给负载。

不难发现，本实施方式为与第四实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第四实施方式互相配合实施。第四实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第四实施方式中。

需要说明的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种单向交流并网发电系统，其特征在于，包含：全波整流器、相位检测器、与该相位检测器相连的高压直流转正弦脉动直流器、所述相位检测器对市电相位进行检测，将检测到的市电相位输出给所述高压直流转正弦脉动直流器，供该高压直流转正弦脉动直流器将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转为与所述市电相位同步的正弦脉动直流；

所述单向交流并网发电系统还包含至少一个正弦脉动直流转交流器；

所述正弦脉动直流转交流器为一个时，所述全波整流器和所述高压直流转正弦脉动直流器并联于该正弦脉动直流转交流器；所述全波整流器对市电进行全波整流，经所述全波整流后的市电与所述高压直流转正弦脉动直流器的输出电流交汇后，输入到所述正弦脉动直流转交流器；所述正弦脉动直流转交流器将输入电流转换为交流电后输出给负载；

所述正弦脉动直流转交流器为两个时，其中一个正弦脉动直流转交流器与所述高压直流转正弦脉动直流器相连，另一个正弦脉动直流转交流器与所述全波整流器相连；所述全波整流器将全波整流后的市电输出到与本全波整流器相连的正弦脉动直流转交流器；所述高压直流转正弦脉动直流器将输出电流输入到与本高压直流转正弦脉动直流器相连的正弦脉动直流转交流器，所述两个正弦脉动直流转交流器的输出电流交汇后输出给负载。

2.根据权利要求1所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，所述单向交流并网发电系统还包含：直流转直流单向隔离器；

所述直流转直流单向隔离器与所述高压直流转正弦脉动直流器相连，该直流转直流单向隔离器将由清洁能源得到的直流电流进行升压后，输出给所述高压直流转正弦脉动直流器。

3.根据权利要求1所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，所述高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，高于经所述全波整流后的市电的电压。

4.根据权利要求1所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，所述高压直流转正弦脉动直流器的输出电流的开路电压，低于经所述全波整流后的市电的电压。

5.根据权利要求1所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，所述高压直流转正弦脉动直流器由电子开关构成半桥，输入高压直流，按正弦脉宽调整SPWM规律控制，输出正弦直流脉动电压。

6.根据权利要求1所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，

所述正弦脉动直流转交流器由电子开关构成全桥换向电路，按工频周期进行控制切换，输入正弦直流脉动电压输出正弦交流电与市电同频同相。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的单向交流并网发电系统，其特征在于，

所述清洁能源包含风能和/或太阳能。

8.一种单向交流并网发电方法，其特征在于，包含以下步骤：

对市电相位进行检测，将由清洁能源转换成的高压直流，转换为与所述市电相位同步的正弦脉动直流；

将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电交汇后，通过正弦脉动直流转交流器将该交汇后的电流转换为交流电，并输出给负载；或者，

将所述正弦脉动直流与经全波整流后的市电分别通过两个正弦脉动直流转交流器转换成交流电，并将各自转换后的交流电交汇后输出给负载。

9.根据权利要求8所述的单向交流并网发电方法，其特征在于，在将由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，转换为与所述市电相位同步的正弦脉动直流的步骤之前，还执行以下步骤：

对所述由清洁能源得到的直流电流进行升压；

所述由清洁能源转换成的高压正弦脉动直流，为经所述升压后的电流。

10.根据权利要求8所述的单向交流并网发电方法，其特征在于，所述与市电相位同步的正弦脉动直流的开路电压，高于经所述全波整流后的市电的电压。

11.根据权利要求8所述的单向交流并网发电方法，其特征在于，所述与市电相位同步的正弦脉动直流的开路电压，低于经所述全波整流后的市电的电压。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的单向交流并网发电方法，其特征在于，

所述清洁能源包含风能和/或太阳能。

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