CN103227474A - 一种基于固态变压器的光伏发电并网系统 - Google Patents

一种基于固态变压器的光伏发电并网系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，包括光伏阵列、固态变压器、输出滤波器、负载和电网，所述的固态变压器分别与光伏阵列、输出滤波器、负载连接，所述的输出滤波器与电网连接。与现有技术相比，本发明具有稳定性高、抗干扰性强、动态响应快、能实现能量双向流动等优点。

Description

一种基于固态变压器的光伏发电并网系统
技术领域
本发明涉及一种光伏发电并网系统，尤其是涉及一种基于固态变压器的光伏发电并网系统。
背景技术
近年来随着光伏电池造价成本的下降和光伏发电效率的提高，光伏发电的应用前景空前广阔，光伏发电并网是光伏发电的重要发展方向，与独立光伏发电系统相比，可以省去储能设备，更加集中地利用太阳能；但由于光伏发电具有随机性，间歇性，周期性，使得并网光伏电站及其接入系统的安全性，可靠性面临新的考验。
光伏发电并网系统经典的电路结构分为单级式无变压器结构，带工频变压器隔离的两级式结构和带高频变压器隔离的多级式结构；采用单级式无变压器结构的目的之一是结构简单，成本低，效率高，但输入输出没有电气隔离，输入电压范围小，控制不够灵活；采用带工频变压器隔离的两级式结构控制更加灵活，升压比大，实现了电气隔离，但工频变压器的存在增加了设备成本和体积；为克服此缺陷，又出现了带高频变压器隔离的多级式结构，但这种结构电路复杂，只适合于小功率场合，需要通过工频变压器升压才能并入10kV电网。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定性高、抗干扰性强、动态响应快、能实现能量双向流动的基于固态变压器的光伏发电并网系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，包括光伏阵列、固态变压器、输出滤波器、负载和电网，所述的固态变压器分别与光伏阵列、输出滤波器、负载连接，所述的输出滤波器与电网连接。
所述的固态变压器包括依次连接的三相全控整流器、DC-DC变换器、DC-AC逆变器，所述的光伏阵列的输出端接在三相全控整流器、DC-DC变换器之间；
所述的光伏阵列的输出电能优先通过三相全控整流器后供负载使用，若光伏阵列的输出电能大于负载所需电能，将剩余的电能依次通过DC-DC变换器、DC-AC逆变器、输出滤波器后输入到电网。
所述的DC-DC变换器包括依次连接的低压侧直流电容、单相全桥逆变器、高频变压器、单相全桥整流器、高压侧直流电容；所述的DC-AC逆变器为三相半桥逆变器。
所述的三相全控整流器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥逆变器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥整流器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的三相半桥逆变器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管。
所述的功率开关器件为IGBT、IGCT或MOSFET。
所述的输出滤波器为LC滤波器或LCL滤波器。
所述的单相全桥逆变器和单相全桥整流器均采用PWM控制。
所述的DC-AC逆变器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用高频变压器隔离的升压环节，省去了体积庞大的工频变压器，其控制更加灵活，在实现电压等级变换的同时达到电气隔离目的；
2、逆变环节直流侧电压稳定，克服了光伏阵列输出功率波动对系统造成的不利影响，实现网侧电流正弦化且为单位功率因数；
3、系统抗干扰性强，动态响应快，能实现能量双向流动；
4、适合于大规模光伏发电并网，不需要工频变压器就可实现10kV高压并网。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的DC-DC变换器的结构示意图；
图3为本发明的三相全控整流器的结构示意图；
图4为本发明的三相半桥逆变器的结构示意图；
图5为本发明的并网控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，包括光伏阵列1、固态变压器2、输出滤波器3、负载4和电网5，所述的固态变压器2分别与光伏阵列1、输出滤波器3、负载4连接，所述的输出滤波器3与电网5连接。所述的固态变压器2提供不同电压等级接口，各种分布式电源，负载4及储能设备等可以按需接入不同电压母线，实现发电，输电，用电的统一管理与优化利用，是未来可再生能源利用的一种理想方式。针对光伏发电并网系统自身的特点，本发明克服光伏阵列输出功率波动对系统造成的不利影响，该方案响应速度快，具有良好的抗干扰性，实现网侧电流正弦化且为单位功率因素。
如图1所示，所述的固态变压器2包括依次连接的三相全控整流器21、DC-DC变换器22、DC-AC逆变器23，所述的光伏阵列1的输出端接在三相全控整流器21、DC-DC变换器22之间；
所述的光伏阵列1的输出电能优先通过三相全控整流器21后供负载使用，若光伏阵列的输出电能大于负载所需电能，将剩余的电能依次通过DC-DC变换器22、DC-AC逆变器23、输出滤波器3后输入到电网5。
如图2所示，所述的DC-DC变换器22包括依次连接的低压侧直流电容224、单相全桥逆变器221、高频变压器222、单相全桥整流器223、高压侧直流电容225；所述的DC-AC逆变器23为三相半桥逆变器。
如图3、图4所示，所述的三相全控整流器21包括六个功率开关器件(S21、S22、S23、S24、S25、S26)和并联在功率开关器件两端的二极管(D21、D22、D23、D24、D25、D26)；所述的单相全桥逆变器包括四个功率开关器件(S11、S12、S13、S14)和并联在功率开关器件两端的二极管(D11、D12、D13、D14)；所述的单相全桥整流器包括四个功率开关器件(D15、D16、D17、D18)和并联在功率开关器件两端的二极管(S15、S16、S17、S18)；所述的三相半桥逆变器包括六个功率开关器件(S31、S32、S33、S34、S35、S36)和并联在功率开关器件两端的二极管(D31、D32、D33、D34、D35、D36)。所述的功率开关器件为IGBT、IGCT或MOSFET，所述的二极管为IGBT的体内二极管、IGCT的体内二极管、MOSFET的体内二极管或外接二极管。所述的输出滤波器为LC滤波器或LCL滤波器。高频变压器选用非晶合金材料作为铁芯材料，其主要功能是实现电压变换，能量传递和电器隔离，同时大幅度减小固态变压器的体积和重量。
本发明的运行方式为：当能量从光伏阵列向电网流动时，光伏阵列输出的直流电经低压侧直流电容稳压后，接入固态变压器提供的700V直流接口，通过单相全桥逆变器调制成高频低压交流电，再通过高频变压器升压变换为高频高压交流电，然后经过一个单相全桥整流器还原成18kV高压直流电，最后通过输出三相半桥逆变器变换为10kV的工频交流电，经滤波后并入10kV电网。
适用于上述基于固态变压器的光伏发电并网系统的控制目标如下：保持逆变器直流侧电压稳定，保证网侧单位功率因数运行，输出电流是正弦波且谐波分量小。
DC-DC变换器具体的控制方法为：该环节直接采用开环控制，单相全桥逆变器和单相全桥整流器均采用PWM控制，驱动信号为占空比为50％的互补触发脉冲。
DC-AC逆变器具体的控制方法如图5所示：采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。直流母线电压Udc经采样后与直流基准电压进行误差比较，误差信号经PI调节后得到基准电流
Figure BDA0000133293520000041
再与id进行误差比较，再经PI调节，通过计算就可得到ud，同样可计算出uq，由ud、uq以及锁相器所得到的角度就可以产生正弦调制波，再经过逻辑驱动电路产生逆变器的控制信号。

Claims (8)

1.一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，包括光伏阵列、固态变压器、输出滤波器、负载和电网，所述的固态变压器分别与光伏阵列、输出滤波器、负载连接，所述的输出滤波器与电网连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的固态变压器包括依次连接的三相全控整流器、DC-DC变换器、DC-AC逆变器，所述的光伏阵列的输出端接在三相全控整流器、DC-DC变换器之间；
所述的光伏阵列的输出电能优先通过三相全控整流器后供负载使用，若光伏阵列的输出电能大于负载所需电能，将剩余的电能依次通过DC-DC变换器、DC-AC逆变器、输出滤波器后输入到电网。
3.根据权利要求2所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的DC-DC变换器包括依次连接的低压侧直流电容、单相全桥逆变器、高频变压器、单相全桥整流器、高压侧直流电容；所述的DC-AC逆变器为三相半桥逆变器。
4.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的三相全控整流器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥逆变器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥整流器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的三相半桥逆变器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管。
5.根据权利要求4所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的功率开关器件为IGBT、IGCT或MOSFET。
6.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的输出滤波器为LC滤波器或LCL滤波器。
7.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的单相全桥逆变器和单相全桥整流器均采用PWM控制。
8.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器的光伏发电并网系统，其特征在于，所述的DC-AC逆变器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。
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