CN102857089A - 光伏并网逆变器的辅助电源及包含该辅助电源的光伏发电并网系统 - Google Patents

光伏并网逆变器的辅助电源及包含该辅助电源的光伏发电并网系统 Download PDF

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Abstract

一种光伏并网逆变器的辅助电源及包含该辅助电源的光伏发电并网系统，该辅助电源同时从电网交流侧和光伏电池组件直流侧取电，其主要包括依次串联连接到电网交流侧的工频隔离变压器(210)、单相整流桥(211)、功率变换器(212)以及输出，其特征在于：该辅助电源还包括一个在光伏电池组件的直流侧和辅助电源的直流母线侧之间连接的串联线性稳压电路，该串联线性稳压电路采用负反馈的方式实现了低电压穿越期间辅助电源持续取电并且避免了光伏电池组件直流侧电压升高。本发明同时解决了光伏并网逆变器低电压穿越期间的辅助电源取电的问题和光伏电池组件直流侧电压容易升高至开路电压的问题，从而可以达到最小的成本投入，获得理想的结果，并且电路简单易实现，成本低。

Description

光伏并网逆变器的辅助电源及包含该辅助电源的光伏发电并网系统
技术领域
本发明涉及在包括太阳能并网逆变器(也称作光伏并网逆变器)的公用电网(utility power grid)中控制低电压穿越的系统和设备。更具体地说，本发明涉及光伏并网逆变器的辅助电源及包含该辅助电源的光伏发电并网系统。 
背景技术
目前而言，新的电网规则要求在电网电压跌落时，大功率光伏并网逆变器能像传统的火电、水电发电机一样不脱网运行，并且要向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网电压恢复，从而“穿越”这个低电压时期(区域)，这就是低电压穿越(LVRT)。 
通常希望光伏并网逆变器能够满足下面的要求： 
1.必须具有在电压跌至20％额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力； 
2.在电网发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90％，且必须保持并网运行。 
要达到上述要求，对光伏并网逆变器的很多方面都提出了更严格的要求，很重要的一点是其内部的辅助电源在低电压穿越期间不能掉电，否则光伏逆变器控制电路会因没有输入电源而无法正常工作则不能满足低电压穿越的要求。 
对光伏并网逆变器而言，为满足低电压穿越的要求，目前面临如下难题： 
问题A：并网逆变器辅助电源通常是从电网交流侧取电，低电压穿越期间辅助电源会发生掉电。 
问题B：低电压穿越期间，由于并网逆变器是被要求向电网侧发无功，逆变器几乎不从光伏电池组件直流侧抽取能量，直流侧很容易因空载而升高到光伏电池组件的开路电压，超过逆变器工作允许的直流输入电压而导致逆变器跳闸故障。 
为解决问题A，通常的方法是： 
方法A1：辅助电源同时从光伏电池组件直流侧和电网直流母线侧取电，非低电压穿越期间，辅助电源从电网直流母线侧取电，低电压穿越期间，辅助电源从光伏电池组件直流侧取电。 
方法A2：机内增加小型的UPS，在低电压穿越期间为辅助电源供电。 
方法A3：将机内的储能电容容值设计的更大或选用超级电容。 
为解决问题B，通常的方法是： 
方法B1：选配开路电压较低的光伏电池组件。 
方法B2：增加crowbar(在逆变器发生电网故障时以大功率电阻释放大电流起保护作用的电路)等假负载电路，在低电压穿越期间给光伏组件一定的假负载避免开路电压过高。 
为解决低电压穿越期间的辅助电源取电问题，方法A1会增加辅助电源的设计难度和成本，因为光伏组件侧的直流电压会高达800V甚至1000V，而电网母线侧直流电压一般为540V左右，如此宽范围的输入电压会增大辅助电源的设计难度，且MOSFET等功率开关器件都需要选用高耐压的，成本较高。另外，用户通常希望辅助电源从逆变器外部的交流站用电源取电，从而避免减少逆变器的发电量；方法A2成本较高，且UPS内的电池在恶劣环境下寿命较低；方法A3同样是成本较高，因为辅助电源功率通常要达到数千瓦，其供电设备包括控制系统，散热系统及接触器等电气部件，如果要满足数秒的储能，需要储能电容容量较大。 
为解决低电压穿越期间光伏组件侧直流电压升高逆变器跳闸故障的问题，方法B1限制了逆变器一定的应用范围。方法B2虽然会产生一定的能量浪费，但是目前普遍采用的一种方法。 
发明内容
针对上述提出的低电压穿越要解决的两个技术问题，本发明提出了一种合二为一同时解决这两个问题的方案，即通过设计一个将假负载和低电压穿越期间的辅助电源合二为一的装置，采用一种技术手段同时解决上述两个问题，从而可以达到最小的成本投入，获得理想的结果。电路简单易实现，总成本最低。 
本发明具体采用了以下技术方案：一种光伏并网逆变器的辅助电源，该辅助电源同时从电网交流侧和光伏电池组件直流侧取电，其主要包括依次串联连接的单相整流桥、功率变换器以及输出，其中，该辅助电源的直流母线侧还通过一个串联线性稳压电路连接到光伏电池组件的直流侧，所述的串联线性稳压电路采用负反馈的方式实现了低电压穿越期间辅助电源持续取电并且避免了光伏电池组件直流侧电压升高。 
本发明还提供了一种光伏发电并网系统，其包括太阳能电池组件直流输入、并网逆变器直流环节、三相逆变桥、并网逆变器输出滤波器、工频隔离变压器以及电网，其还包括本发明上述光伏并网逆变器的辅助电源。 
本发明所提出的方案能巧妙地同时解决光伏并网逆变器低电压穿越期间的辅助电源取电的问题和光伏电池组件直流侧电压容易升高至开路电压的问题。 
本发明所提出的方案简单，易实现，成本最低。 
通过结合附图阅读以下描述，本发明的其它实施方案和方面将变得显而易见。 
附图简述 
在这样概括地描述了本发明之后，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制，并且其中： 
图1是现有技术的光伏并网逆变器中常规辅助电源方案框图，其中辅助电源从电网交流侧取电。 
图2是光伏发电并网系统及用于光伏并网逆变器中的本发明的辅助电源方案框图。 
图3是设置在光伏电池组件直流侧和辅助电源直流母线侧之间的串联稳压电路图，是用硬件方法实现的。该稳压电路采用负反馈方式，因此也称作负反馈稳压电路。 
图4是设置在光伏电池组件直流侧和辅助电源直流母线侧之间的串联稳压电路框图，是用软件方法实现的。该稳压电路采用负反馈方式，因此也称作负反馈稳压电路。 
具体实施方式
1、技术方案： 
光伏并网逆变器中，辅助电源通常采用图1所示的方案，辅助电源从电网交流侧取电。 
本发明提出了一种光伏发电并网系统，包括太阳能电池组件直流输入(201)、并网逆变器直流环节(202)、三相逆变桥(203)、并网逆变器输出滤波(204)、工频隔离变压器(205、210)以及电网(206)，其还包括一种全新的光伏并网逆变器的辅助电源方案，该方案能合二为一地同时解决低电压穿越期间的辅助电源取电的问题和低电压穿越期间光伏电池组件直流侧电压易升高至开路电压的问题，见图2所示。该辅助电源同时从电网交流侧和光伏电池组件直流侧取电，其主要包括依次串联连接的单相整流桥211、功率变换器212以及输出，该辅助电源的直流母线侧还通过一个串联线性稳压电路连接到光伏电池组件的直流侧，所述的串联线性稳压电路采用负反馈的方式实现了低电压穿越期间辅助电源持续取电并且避免了光伏电池组直流侧电压升高。 
相比较常规的辅助电源方案，本方案增加了一个大功率串联线性稳压电路，即从光伏逆变器辅助电源的直流母线侧，串联一个由数千瓦或更大功率的大功率电阻207和一个稳压调整管208及负反馈稳压控制电路209构成的负反馈稳压电路到光伏电池组件的直流侧。 
根据本发明的第一个技术方案，提供一种光伏并网逆变器的辅助电源，该辅助电源同时从电网交流侧和光伏电池组件直流侧取电，其主要包括依次串联连接的单相整流桥(211)、功率变换器(212)以及输出(213、214、215)，其特征在于：该辅助电源的直流母线侧还通过一个串联线性稳压电路连接到光伏电池组件的直流侧，所述的串联线性稳压电路采用负反馈的方式实现了低电压穿越期间辅助电源持 续取电并且避免了光伏电池组件直流侧电压升高。在优选的情况下，所述功率变换器(212)内包含有高频隔离变压器。 
在优选的情况下，所述的串联线性稳压电路是从辅助电源的直流母线侧串联一个由大功率电阻(207)和一个稳压调整管(208)及一个负反馈稳压控制电路(209)构成的负反馈稳压电路到光伏电池组件的直流侧，其中该大功率电阻用于低电压穿越期间当能量从光伏电池组件直流侧流向辅助电源母线直流侧时消耗部分能量，该稳压调整管用于低电压穿越期间，为能量从光伏组件直流侧流向辅助电源母线直流侧提供通路。 
在优选的情况下，所述的负反馈稳压控制电路(209)通过检测辅助电源直流母线侧的电压来控制稳压调整管(208)的导通压降从而达到在低电压穿越期间将辅助电源直流母线电压稳定在预设值的目的，当辅助电源的输入电网电压在正常范围的时候，该线性稳压电路由于调节器负反馈饱和，稳压调整管(208)处于截至状态，光伏电池组件直流侧的电流不提供给辅助电源；当低电压穿越发生时，辅助电源交流输入电压跌落至预设值后，串联线性稳压电路自动将辅助电源输入维持在预设值，能量从光伏电池组件直流侧经过大功率串联电阻(207)及稳压调整管(208)流入辅助电源。 
一般来说，所述稳压调整管为MOSFET、IGBT或三极管，但是，也能够使用具有类似功能的其它设备。 
在优选的情况下，负反馈稳压控制电路(209)包括：差分电路，其中辅助电源直流母线电压作为差分信号输入，采集到的母线电压信号作为低电压输入送入到下一级的负反馈稳压调整电路中；负反馈稳压调整电路，其是一个PI调节电路，其反相端接辅助电源母线电压采样信号，同相端接由电阻R5、R6分压得到的基准电压，该基准电压对应为稳压预设值；电阻R8，负反馈稳压调整电路的输出通过该电阻R8串联连接到稳压调整管(208)的基极。 
在优选的情况下，所述的差分电路由电阻R1、R2、R3和运算放大器U1组成，其中电阻R3跨接在运算放大器U1的反相输入端和输出端，电阻R1连接到运算放大器U1的反相输入端，电阻R2连接到运算放大器U1的正相输入端。 
在优选的情况下，所述的基准电压设定为辅助电源的工作电压的下限。 
在优选的情况下，所述的负反馈调整电路由电阻R4、电阻R7和电容C1、电容C2及运算放大器U2构成，其中电阻R7串联电容C1再与电容C2并联的支路跨接在运算放大器U2的反相输入端和输出端，电阻R4连接到运算放大器U2的反相输入端。 
在优选的情况下，所述的负反馈稳压调整电路以处理器芯片为载体由软件算法实现。另外，在优选的情况下，所述的处理器芯片为单片机或DSP。 
一般情况下，大功率电阻207具有1-90千瓦，优选3-80千瓦，更优选5-70千瓦，再更优选8-65千瓦，进一步优选10-60千瓦的额定功率。 
另外大功率电阻207具有50-800千瓦，优选70-700千瓦，更优选90-600千瓦，进一步 优选100-500千瓦，再更优选120-400千瓦的瞬态功率。另外大功率电阻207具有0.1-50欧姆的电阻，优选0.2-40欧姆，更优选0.3-30欧姆，进一步优选0.4-20欧姆，再更优选0.5-15欧姆。 
该负反馈稳压控制电路通过检测辅助电源直流母线侧的电压来控制稳压调整管208的导通压降从而达到在低电压穿越期间将辅助电源直流母线电压稳定在预设值的目的，当辅助电源的输入电网电压在正常范围的时候，该线性稳压电路由于调节器负反馈饱和，稳压调整管208处于截至状态，光伏电池组件直流侧的电流不提供给辅助电源。当低电压穿越发生时，辅助电源交流输入电压跌落至预设值后，线性稳压电路自动将辅助电源输入维持在预设值，能量从光伏电池组件直流侧经过大功率串联电阻及稳压调整管208流入辅助电源。 
由于光伏电池组件侧的直流电压往往数倍于辅助电源输入端的电压，并且由于该电路是线性稳压电路，因此假设辅助电源只需要1000W的能量，则上述线性稳压电路将从光伏组件侧抽取数倍于辅助电源所需的能量，即抽取数千瓦的功率。这部分功率作用于串联的大功率电阻207和稳压调整管208上面，刚好可以用于低电压穿越期间给光伏组件提供一定的假负载，从而避免光伏组件电压因空载而升至开路电压。 
根据本发明的第二个技术方案，提供一种光伏发电并网系统，包括太阳能电池组件直流输入(201)、并网逆变器直流环节(202)、三相逆变桥(203)、并网逆变器输出滤波(204)、工频隔离变压器(205、210)以及电网(206)，它还包括以上所述的光伏并网逆变器的辅助电源。 
2、本发明技术方案带来的有益效果： 
本发明所提出的技术方案简单易实现，能同时解决低电压穿越期间的两个技术问题，且成本最低。 
3、附图及说明： 
本发明巧妙地在光伏电池组件直流侧和辅助电源直流母线侧之间增加了一种串联线性稳压电路，同时解决了低电压穿越期间的辅助电源取电和光伏电池组直流侧电压升高的问题，该稳压电路采用负反馈方式，既可以用硬件实现也可以用软件实现，其中硬件实现方法更简单。 
图3为用全硬件的方法实现该稳压电路的硬件电路图。图3的负反馈稳压电路原理图(硬件)中，负反馈稳压控制电路209包括：电阻R1、R2、R3和运算放大器U1组成差分电路，其中电阻R3跨接在运算放大器U1的反相输入端和输出端，电阻R1连接到运算放大器U1的反相输入 端，电阻R2连接到运算放大器U1的正相输入端，辅助电源直流母线电压作为差分信号输入，采集到的母线电压信号作为低电压输入送入到下一级负反馈稳压调整电路中；电阻R4、R7和电容C1、C2及运算放大器U2构成负反馈稳压调整电路，其中电阻R7串联电容C1再与电容C2并联的支路跨接在运算放大器U2的反相输入端和输出端，电阻R4连接到运算放大器U2的反相输入端，它实际上是一个PI调节电路，反相端接辅助电源母线电压采样信号，同相端接基准电压，由电阻R5、R6分压得到，对应为稳压预设值，一般设定为辅助电源的工作电压的下限，假设通常情况下辅助电源正常工作的直流输入电压范围为180VDC～320VDC，辅助电源母线电压采样电路中的衰减率为1/50，则将预设值设定在180VDC，即基准电压VRF为3.6V；电阻R8，负反馈稳压调整电路的输出通过该电阻R8串联连接到调整晶体管Q1的基极。图3中的调整晶体管Q1就是图2中的稳压调整管208，为MOSFET、IGBT或三极管，用于低电压穿越期间，为能量从光伏组件直流侧流向辅助电源母线直流侧提供通路，R8为其基极串联电阻。大功率电阻R0就是图2中的大功率电阻207，用于低电压穿越期间，当能量从光伏电池组件直流侧流向辅助电源母线直流侧时消耗部分能量。 
此电路工作原理如下：非低电压穿越状态下，辅助电源直流母线采样电压比基准电压高很多，运算放大器达到深度负饱和，U1输出接近负电源的低电平，Q1处于关断状态，能量不能从光伏电池组件直流侧流向辅助电源母线直流侧；低电压穿越期间，由于电网电压会跌至20％额定电压，辅助电源直流母线采样电压比基准电压低，运算放大器退出负饱和区，进入线性放大区或正饱和区，U1输出高电平，Q1导通，此时能量从光伏电池组件直流侧流向辅助电源母线直流侧，同时由于R0阻值较大，可以消耗部分能量，从而避免了因为逆变器往电网侧发无功，光伏电池组件直流侧很容易因空载而升高到开路电压的情况，同时光伏电池组件直流侧向辅助电源母线直流侧进行充电，在低电压穿越期间，由于负反馈的作用，辅助电源的直流母线可以稳定在其工作电压的下限，因为PI调节电路的作用，所以只要辅助电源的直流母线电压值低于预设值，Q1管就会导通直至辅助电源的直流母线电压达到预设值，从而避免了因为电网电压降得太低甚至掉电，控制回路因为失电而无法正常工作的情况，可见该方案可以同时解决低电压穿越期间逆变器需要解决的两个技术问题。 
图4为用软件的方法实现该稳压电路的原理框图。图4的负反馈稳压电路原理框图(软件)与图3相比，仅负反馈稳压调整电路不一样，图4中PI调节器以处理器芯片如单片机或DSP等为载体，由软件算法实现，辅助电源直流母线电压采样电路和调整管驱动电路及假负载电路均与图3相同。 
此电路工作原理：辅助电源直流母线采样电路采样到的电压信号作为数字PI调节器的反馈输入，调节器的给定为基准电压，同样对应稳压预设值，数字PI调节器的输出作为调整管Q1的基极输入，低电压穿越期间用以控制调整管的导通压降从而达到将辅助电源直流母线稳 定在预设值附近的目的，同时能量从光伏电池组件直流侧经由大功率电阻流向辅助电源直流母线侧，假负载电阻上消耗了部分能量，从而光伏电池组件直流侧电压就不会升高至开路电压。 

Claims (27)

1.一种光伏并网逆变器的辅助电源，该辅助电源同时从电网交流侧和光伏电池组件直流侧取电，其主要包括依次串联连接的单相整流桥(211)、功率变换器(212)以及输出(213、214、215)，其特征在于：该辅助电源的直流母线侧还通过一个串联线性稳压电路连接到光伏电池组件的直流侧，所述的串联线性稳压电路采用负反馈的方式实现了低电压穿越期间辅助电源持续取电并且避免了光伏电池组件直流侧电压升高。
2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述功率变换器(212)内包含有高频隔离变压器。
3.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的串联线性稳压电路是从辅助电源的直流母线侧串联一个由大功率电阻(207)和一个稳压调整管(208)及一个负反馈稳压控制电路(209)构成的负反馈稳压电路到光伏电池组件的直流侧，其中该大功率电阻用于低电压穿越期间当能量从光伏电池组件直流侧流向辅助电源母线直流侧时消耗部分能量，该稳压调整管用于低电压穿越期间，为能量从光伏组件直流侧流向辅助电源母线直流侧提供通路。
4.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的负反馈稳压控制电路(209)通过检测辅助电源直流母线侧的电压来控制稳压调整管(208)的导通压降从而达到在低电压穿越期间将辅助电源直流母线电压稳定在预设值的目的，当辅助电源的输入电网电压在正常范围的时候，该线性稳压电路由于调节器负反馈饱和，稳压调整管(208)处于截至状态，光伏电池组件直流侧的电流不提供给辅助电源；当低电压穿越发生时，辅助电源交流输入电压跌落至预设值后，串联线性稳压电路自动将辅助电源输入维持在预设值，能量从光伏电池组件直流侧经过大功率串联电阻(207)及稳压调整管(208)流入辅助电源。
5.根据权利要求4所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述稳压调整管为MOSFET、IGBT或三极管。
6.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有1-90千瓦的额定功率。
7.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有3-80千瓦的额定功率。
8.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有5-70千瓦的额定功率。
9.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有8-65千瓦的额定功率。
10.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有10-60千瓦的额定功率。
11.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有50-800千瓦的瞬态功率。
12.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有70-700千瓦的瞬态功率。
13.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有90-600千瓦的瞬态功率。
14.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有100-500千瓦的瞬态功率。
15.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有120-400千瓦的瞬态功率。
16.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有0.1-50欧姆的电阻。
17.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有0.2-40欧姆的电阻。
18.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有0.3-30欧姆的电阻。
19.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有0.4-20欧姆的电阻。
20.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：大功率电阻(207)具有0.5-15欧姆的电阻。
21.根据权利要求3-20中任一项所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：负反馈稳压控制电路(209)包括：差分电路，其中辅助电源直流母线电压作为差分信号输入，采集到的母线电压信号作为低电压输入送入到下一级的负反馈稳压调整电路中；负反馈稳压调整电路，其是一个PI调节电路，其反相端接辅助电源母线电压采样信号，同相端接由电阻R5、R6分压得到的基准电压，该基准电压对应为稳压预设值；电阻R8，负反馈稳压调整电路的输出通过该电阻R8串联连接到稳压调整管(208)的基极。
22.根据权利要求21所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的差分电路由电阻R1、R2、R3和运算放大器U1组成，其中电阻R3跨接在运算放大器U1的反相输入端和输出端，电阻R1连接到运算放大器U1的反相输入端，电阻R2连接到运算放大器U1的正相输入端。
23.根据权利要求21所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的基准电压设定为辅助电源的工作电压的下限。
24.根据权利要求21所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的负反馈调整电路由电阻R4、电阻R7和电容C1、电容C2及运算放大器U2构成，其中电阻R7串联电容C1再与电容C2并联的支路跨接在运算放大器U2的反相输入端和输出端，电阻R4连接到运算放大器U2的反相输入端。
25.根据权利要求21所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的负反馈稳压调整电路以处理器芯片为载体由软件算法实现。
26.根据权利要求25所述的光伏并网逆变器的辅助电源，其特征在于：所述的处理器芯片为单片机或DSP。
27.一种光伏发电并网系统，包括太阳能电池组件直流输入(201)、并网逆变器直流环节(202)、三相逆变桥(203)、并网逆变器输出滤波(204)、工频隔离变压器(205、210)以及电网(206)，其特征在于：还包括权利要求1-26中任一项所述的光伏并网逆变器的辅助电源。
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