CN103812117A - 一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置 - Google Patents

一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置 Download PDF

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江秀臣
韩蓓
汪可友
冯琳
杭丽君
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Abstract

一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置，包括：控制器、直流升压单元、H桥逆变单元、旁路开关、直流电压传感器、直流电流传感器、交流电压互感器、并网逆变器。本发明在电网发生故障引起电网电压跌落时，控制串联补偿器快速输出相应的补偿电压量，直接动态补偿电压跌落，使得负载端的电压保持不变，从而保护负载不受电网故障的影响，同时利用并网逆变器维持直流母线电压的稳定；利用了太阳能，解决了传统串联补偿器储能的问题，本发明并网逆变器采取前馈方式，因而不增加串补逆变单元的额外容量，因此具有光伏发电的前馈与快速补偿电网电压变化的特点，由于取消了串联变压器，使得体积更小、成本更低。

Description

一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置
技术领域
本发明涉及电能质量技术领域，特别是一种基于太阳能光伏发电的前馈型无串联变压器的电压补偿装置。
背景技术
发达国家对电能质量水平的要求很高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量，造成营销困难而损害公司形象及和用户的良好商业关系等，而且也会给医疗等重要用电部门的设备带来危害，引起严重的生产和运行事故，美国电力研究院(EPRI)研究显示,电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元(Electric PowerResearch Institute,1999)；日本等发达国家对电能质量要求也很高。随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求越来越高，电压骤降（陷落、跌落）是其中的主要问题，电压陷落不仅会引起电力系统的电压质量问题，也会危及用电设备的安全工作，电力系统故障，大型电机启动，支路电路短路等都会引起电压陷落，虽然电压陷落时间短，但是它会引起工业过程的中断或停工，而所引起工业过程的停工期间远远大于电压陷落事故的本身时间，因此所造成的损失很大。
传统的方法，如电压调节器并不能解决这些问题，而不间断电源UPS装置虽能解决这些问题，但是其成本和运行费用都极其昂贵，为了解决上述问题，国内外对动态电压补偿器开展了研究。相比于UPS，动态电压补偿器能有效解决电压陷落的问题。但是，储能问题也一直困扰着动态电压补偿器的问题，虽然有人提出最小能量注入法等先进的方法，但是额外的储能始终影响其进一步推广、发展。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压串联补偿装置，它充分利用了太阳能，电网正常时，它利用绿色的太阳能，将太阳能转换为电能，供给电网；当电网电压出现故障时，它输出相应的电压量，补偿电网电压的差值，确保负载电压不变化，因而保护了负载。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置，特点在于构成包括：控制器、直流升压单元、H桥逆变单元、旁路开关、直流电压传感器、直流电流传感器、交流电压互感器、并网逆变器；
上述部件的连接关系如下：
所述的控制器的直流升压控制端与直流升压单元相应的控制端相连，所述的控制器的H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元相应的控制端相连，所述的控制器的并网逆变控制端与所述的并网逆变器相应的控制端相连，所述的控制器的旁路开关控制端与所述的旁路开关的控制端相连；所述的控制器的直流电压输入端与所述直流电压传感器的输出端相连，所述的控制器的直流电流输入端与所述直流电流传感器的输出端相连，所述的控制器的交流电流输入端与所述交流电压互感器的输出端相连；
所述的直流升压单元的直流输入端与光伏电池板的输出端相连，所述的直流升压单元的直流输出端与所述的H桥逆变单元的直流母线端及并网逆变器的直流母线端相连，其输入控制端与所述控制器相应的直流升压控制端相连；
所述的H桥逆变单元的直流母线端与所述的直流升压单元的直流输出端及并网逆变器的直流母线端相连，H桥逆变单元的交流输出端与所述的旁路开关的两端相连；所述的旁路开关串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连；
所述的并网逆变器的交流输出端与电网公共点电压相并连；
所述的直流电压传感器的输入端与所述直流升压单元的直流输出端相连；
所述的直流电流传感器的输入端串接于所述直流升压单元的直流输出端；
所述的交流电压互感器的输入端与电网公共点电压相连。
所述的控制器由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理器、单片机或计算机。
一种利用所述的基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置进行补偿的方法，其特点在于，该方法包括下列具体步骤：
1）控制器测量交流供电电压US、直流升压单元输出的直流电压UPV与直流电流IPV；
2）计算直流升压单元输出有功功率PPV：PPV=UPV×IPV；
3）直流升压单元进行光伏发电的最大功率跟踪控制：
光伏发电最大功率跟踪：判断本次直流升压单元输出有功功率PPV是否大于上次输出值，若是则继续增大占空比；否则，维持占空比不变；
4）设US0为电网正常时交流供电电压值：
若电网正常时，即交流供电电压US等于或高于正常电压US0的90%时，则控制旁路开关导通且控制H桥逆变单元无输出、控制并网逆变器将光伏发电注入电网，反馈给电网；
若电网故障，即交流供电电压US低于正常电压US0的90%时，则控制所述的H桥逆变单元，使其输出的电压Uj满足：Uj=(US0-US)，多余的光电通过控制并网逆变器向电网注入功率，若光伏发电不够，则可通过并网逆变器向其直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。
与现有技术相比，本发明的特点如下：
1．电网电压跌落时，串联输出电压，保护了重要负载；
2．取消了串联变压器，使得成本更低、体积更小；
3．利用太阳能光伏发电，解决电网电压跌落（骤降、陷落）的补偿的储能问题。
4．并网逆变器采取前馈方式，从而不增加串补逆变单元的额外容量。
附图说明
图1是本发明基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置的结构示意图。
图2是本发明的单相H桥逆变单元拓扑图。
图3是本发明的并网逆变器拓扑图。
图4是本发明串联补偿控制框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于太阳能光伏发电的前馈型无串联变压器的电压补偿装置的结构示意图。由图可见，一种基于太阳能光伏发电的前馈型无串联变压器的电压补偿装置，包括：控制器1、直流升压单元2、H桥逆变单元3、旁路开关4、直流电压传感器5、直流电流传感器6、交流电压互感器7、并网逆变器8。
上述部件的连接关系如下：
所述的控制器1的直流升压控制端与直流升压单元2相应的控制端相连，所述的控制器1的H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元3相应的控制端相连，所述的控制器1的并网逆变控制端与所述的并网逆变器8相应的控制端相连，所述的控制器1的旁路开关控制端与所述的旁路开关4的控制端相连；所述的控制器1的直流电压输入端与所述直流电压传感器5的输出端相连，所述的控制器1的直流电流输入端与所述直流电流传感器6的输出端相连，所述的控制器1的交流电流输入端与所述交流电压互感器7的输出端相连；
所述的直流升压单元2的直流输入端与光伏电池板的输出端相连，所述的直流升压单元2的直流输出端与所述的H桥逆变单元3的直流母线端及并网逆变器8的直流母线端相连，其输入控制端与所述控制器1相应的直流升压控制端相连；
所述的H桥逆变单元3的直流母线端与所述的直流升压单元2的直流输出端及并网逆变器8的直流母线端相连，H桥逆变单元3的交流输出端与所述的旁路开关4的两端相连；所述的旁路开关4串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连；
所述的并网逆变器8的交流输出端与电网公共点电压相并连；
所述的直流电压传感器5的输入端与所述直流升压单元2的直流输出端相连；
所述的直流电流传感器6的输入端串接于所述直流升压单元2的直流输出端；
所述的交流电压互感器7的输入端与电网公共点电压相连。
具体实现如下：
所述的旁路开关4，其每相由一对反并联晶闸管组成，其导通、关断有控制器1控制，所述的控制器1控制直流升压单元2对太阳能进行最大功率跟踪，将光伏发电输出的直流电升高为直流电，该直流升压单元2的输出端与所述的H桥逆变单元3与并网逆变器8的直流母线相连；该H桥逆变单元3的交流输出端与所述的旁路开关4的两端相连，所述旁路开关4串接在电网的输电线中，分别与电网供电端和负载端相连，并网逆变器8的交流输出端与电网相连；所述的控制器1的直流电压输入端与直流电压传感器5的输出端相连，所述的控制器1的直流电流输入端与直流电流传感器6的输出端相连，通过直流电压传感器5、直流电流传感器6分别测量直流升压单元2输出的直流电压、直流电流；所述的控制器1的交流电压输入端与交流电压互感器7输出端相连，通过交流电压互感器7测量电网交流供电电压。
电网正常时，所述控制器1控制旁路开关4导通，所述控制器1控制H桥逆变单元3使其输出交流电压为零，通过控制并网逆变器8，使风电通过并网逆变器8注入电网；电网电压低于正常电压的90%时，迅速关闭旁路开关4，且控制H桥逆变单元3进行串联电压补偿，通过并网逆变器2，将多余的光伏发电注入电网，而光伏发电不足时，通过电网向直流母线反馈功率，从而维持直流母线电压的恒定。
图4为串联补偿控制方法框图，通过所测的直流电压、直流电流，计算光伏发电输出的功率PPV，进行太阳能光伏发电最大功率跟踪控制；通过检测电网的交流电压，判断电网交流电压是否正常，当发现电网故障时，控制器1控制逆变单元3输出相应的交流电压变化量，控制并网逆变器8将光电注入到电网。
具体步骤如下：
1）控制器1测量交流供电电压US、直流升压单元2输出的直流电压UPV与直流电流IPV；
2）计算直流升压单元2输出有功功率PPV：PPV=UPV×IPV；
3）直流升压单元2进行光伏发电的最大功率跟踪控制：
光伏发电最大功率跟踪：判断本次直流升压单元2输出有功功率PPV是否大于上次输出值，若是则继续增大占空比；否则，维持占空比不变；
4）设US0为电网正常时交流供电电压值：
若电网正常时，即交流供电电压US等于或高于正常电压US0的90%时，则控制旁路开关4导通且控制H桥逆变单元3无输出、控制并网逆变器8将光伏发电注入电网，反馈给电网；
若电网故障，即交流供电电压US低于正常电压US0的90%时，则控制所述的H桥逆变单元3，使其输出的电压Uj满足：Uj=(US0-US)，多余的光电通过控制并网逆变器8向电网注入功率，若光伏发电不够，则可通过并网逆变器8向其直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。

Claims (3)

1.一种基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置，特征在于构成包括：控制器（1）、直流升压单元（2）、H桥逆变单元（3）、旁路开关（4）、直流电压传感器（5）、直流电流传感器（6）、交流电压互感器（7）、并网逆变器（8）；
上述部件的连接关系如下：
所述的控制器（1）的直流升压控制端与直流升压单元（2）相应的控制端相连，所述的控制器（1）的H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元（3）相应的控制端相连，所述的控制器（1）的并网逆变控制端与所述的并网逆变器（8）相应的控制端相连，所述的控制器（1）的旁路开关控制端与所述的旁路开关（4）的控制端相连；所述的控制器（1）的直流电压输入端与所述直流电压传感器（5）的输出端相连，所述的控制器（1）的直流电流输入端与所述直流电流传感器（6）的输出端相连，所述的控制器（1）的交流电流输入端与所述交流电压互感器（7）的输出端相连；
所述的直流升压单元（2）的直流输入端与光伏电池板的输出端相连，所述的直流升压单元（2）的直流输出端与所述的H桥逆变单元（3）的直流母线端及并网逆变器（8）的直流母线端相连，其输入控制端与所述控制器（1）相应的直流升压控制端相连；
所述的H桥逆变单元（3）的直流母线端与所述的直流升压单元（2）的直流输出端及并网逆变器（8）的直流母线端相连，H桥逆变单元（3）的交流输出端与所述的旁路开关（4）的两端相连；所述的旁路开关（4）串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连；
所述的并网逆变器（8）的交流输出端与电网公共点电压相并连；
所述的直流电压传感器（5）的输入端与所述直流升压单元（2）的直流输出端相连；
所述的直流电流传感器（6）的输入端串接于所述直流升压单元（2）的直流输出端；
所述的交流电压互感器（7）的输入端与电网公共点电压相连。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置，其特征在于，所述的控制器（1）由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理器、单片机或计算机。
3.一种利用权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型的电压补偿装置进行补偿的方法，其特征在于，该方法包括下列具体步骤：
1）控制器（1）测量交流供电电压US、直流升压单元（2）输出的直流电压UPV与直流电流IPV；
2）计算直流升压单元（2）输出有功功率PPV：PPV=UPV×IPV；
3）直流升压单元（2）进行光伏发电的最大功率跟踪控制：
光伏发电最大功率跟踪：判断本次直流升压单元（2）输出有功功率PPV是否大于上次输出值，若是则继续增大占空比；否则，维持占空比不变；
4）设US0为电网正常时交流供电电压值：
若电网正常时，即交流供电电压US等于或高于正常电压US0的90%时，则控制旁路开关（4）导通且控制H桥逆变单元（3）无输出、控制并网逆变器（8）将光伏发电注入电网，反馈给电网；
若电网故障，即交流供电电压US低于正常电压US0的90%时，则控制所述的H桥逆变单元（3），使其输出的电压Uj满足：Uj=(US0-US)，多余的光电通过控制并网逆变器（8）向电网注入功率，若光伏发电不够，则可通过并网逆变器（8）向其直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。
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