CN104113076A - 一种分布式光伏发电并网接口装置 - Google Patents

一种分布式光伏发电并网接口装置 Download PDF

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宋卓然
沈方
宋颖巍
刘岩
张明理
梁毅
赵琳
蒋理
商文颖
候玉琤
程孟增
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Abstract

本发明公开了一种分布式光伏发电并网接口装置,包括检测单元、处理单元和驱动单元,所述检测单元包括第一电流电压检测装置、第二电流电压检测装置、第三电流电压检测装置以及过零检测装置;所述处理单元包括主程序模块、MPPT控制模块、电流合成模块以及混成控制模块,所述处理单元与所述第一电流电压检测装置、第二电流电压检测装置、第三电流电压检测装置、过零检测装置以及驱动单元相连接;所述驱动单元与所述处理单元相连接,能够将所述处理单元的电信号反馈至变换器进行电流电压的转换。本发明能够安全高效的实现分布式光伏发电的并网。

Description

一种分布式光伏发电并网接口装置
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域,具体涉及分布式电源并网中的一种接口装置。
背景技术
分布式光伏发电是指区别于以往集中式、大规模光伏发电的建设方法,一般建在用户侧,所发出的电力以自用为主,多余的电量输送给公共电网。其特点具有发电容量相对小,主要接入城市配电网,接入的电压等级不超过10kV,发电场所靠近负荷区域,电能利用率高等特点。目前主要应用在工业厂房、公共建筑和居民建筑的屋顶上。分布式光伏发电降低了光伏发电接入的门滥,且避开了集中建设带来的并网困难,损耗大,对电网冲击大这样的不利因素,更加充分的利用了太阳能资源,促进了绿色能源的发展。
但分布式光伏发电目前也有自身发展的困难,特别是并入城市配电网后,改变了配电网原有的受电结构,变为多电源结构。改变了以往配电网几十年来单一受电结构的模式,因此如何解决分布式光伏发电并网给电力系统带来的电压波动、谐波注入、继电保护设备的影响;如何根据分布式光伏电源的容量,选择接入的电压等级和并网的方式;如何建设引入了分布式光伏电源的智能配电网调度系统,共同作用减少分布式光伏接入对城市配电网带来的不利影响,保障城市配电网的安全运行,成为了亟待解决的重要问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有分布式光伏发电并网接口装置中存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明其中目的是提供一种分布式光伏发电并网接口装置,该装置能够安全高效的实现分布式光伏发电的并网。
为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:一种分布式光伏发电并网接口装置,其包括检测单元、处理单元和驱动单元,所述检测单元包括第一电流电压检测装置、第二电流电压检测装置、第三电流电压检测装置以及过零检测装置;所述处理单元与所述第一电流电压检测装置、第二电流电压检测装置、第三电流电压检测装置、过零检测装置以及驱动单元相连接;所述驱动单元与所述处理单元相连接,能够将所述处理单元的电信号反馈至DC-DC变换器;所述处理单元根据输入信号,分析是否形成功率事件,然后根据不同的功率事件选择相应的控制规律生成PWM信号,经驱动单元控制DC/DC变换器中的功率开关管;设定D为所述功率开关管的占空比,将步长ΔD按大小分成两个等级:第一步长ΔD1和第二步长ΔD2,第一步长大于第二步长,对于因外部条件突然变化引起光伏阵列工作点远离最大功率点的情形适合用第一步长ΔD1作为扰动去调节功率开关管的占空比D;采用第二步长ΔD2作为扰动去调节功率开关管的占空比D适用于光伏阵列的工作点刚好落在最大功率点附近时;由于运行在Pm两侧时的工作点的ΔP/ΔU的符号刚好相反,定义:函数S1=(ΔP(k-1)/ΔU(k-1))*(ΔPk/ΔUk);函数S2=(Pk-Pk-1)*(Uk-Uk-1),S1和S2的符号能够确定光伏阵列运行工作点的基本位置,并利用下列逻辑条件来定义MPPT控制的功率事件:
其中,Pm为最大输出功率;ΔPk为第k个运行在Pm两侧时的功率工作点的变化量,k取自然数;ΔUk为第k个运行在Pm两侧时的电压工作点的变化量;EMPPT1,EMPPT12,EMPPT3,EMPPT4为最大功率点跟踪事件。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:所述第一电流电压检测装置与光伏列阵相连接,自光伏列阵发出的电经第一电流电压检测装置检测到信号转变为所述处理单元能够感知和处理的直流电压量。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:所述第二电流电压检测装置为直流电流电压检测装置,自光伏列阵发出的电经DC/DC变换器转换后,由第二电流电压检测装置检测到信号并转变为处理单元能够感知和处理的直流电压量。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:所述第三电流电压检测装置为交流电流电压检测装置,由第三电流电压检测装置检测到信号并转变为所述处理单元能够感知和处理的直流电压量。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:如果事件EMPPT1发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且远离最大功率点,应该大步长的减小D来提高光伏阵列的输出电压,所述处理单元使得Dk+1=Dk-ΔD1;如果事件EMPPT2发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且远离最大功率点,应该大步长的增大D来降低光伏阵列的输出电压,所述处理单元使得Dk+1=Dk+ΔD1;如果事件EMPPT3发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且就在最大功率点附近,应该小步长的减小D来提高光伏阵列的输出电压,所述处理单元使得Dk+1=Dk-ΔD2;如果事件EMPPT4发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且就在最大功率点附近,应该小步长的增大D来降低光伏阵列的输出电压,所述处理单元使得Dk+1=Dk+ΔD2;Dk表示当前占空比,Dk+1表示调节后占空比。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:处理单元输出的PWM信号经驱动单元去控制DC/DC变换器的功率开关的通断,处理单元输出的PWM信号先通过三极管放大,然后采用光纤传输至光接收端,再将其转换为电信号,最后输入所述驱动单元中,所述驱动单元对所述PWM信号进行处理,并驱动所述DC/DC变换器中的功率开关管。
作为本发明所述分布式光伏发电并网接口装置的一种优选方案,其中:其还包括保护单元,保护单元与处理单元相连接,其包括过压/欠压保护、过流保护、短路保护和过热保护,其中,过压/欠压保护,根据处理单元实时检测得到的输入直流、交流电压,若超出规定的范围,将停止输出PWM信号,使并网接口装置停止工作,而过流保护,并网接口装置输出交流电流信号经电流互感器转变为电压信号,经信号调理电路送入处理单元通道,处理单元处理并计算出有效值,若有效值不在规定的范围内,将停止输出PWM信号,使并网接口装置停止工作,同时短路保护,若系统出现短路故障,处理单元在规定的时间内停止输出PWM信号,使并网接口停止工作。
本发明提供了一种分布式光伏发电并网接口装置,该装置采用混成控制的变占空比控制策略对光伏阵列进行MPPT控制;采用混成控制策略对分布式光伏发电并网接口的输出电流进行控制,使并网功率接口能够根据天气的变化选择运行在最佳模式,实现安全高效并网。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施方式分布式光伏发电并网接口装置的实际并网应用示意图;
图2是本发明所述处理单元结构示意图;
图3是本发明所述主程序模块控制流程示意图;
图4是本发明所述MPPT(Maximum Power Point Tracking,最大功率点跟踪)模块控制流程示意图;
图5是本发明所述混成控制模块控制流程示意图;
图6是本发明第二实施方式分布式光伏发电并网接口装置的实际并网应用示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
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实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示,所述光伏发电并网接口装置包括检测单元100、处理单元200、驱动单元300。本发明第一实施方式其实是利用包括了检测单元、处理单元和驱动单元在内的设备进行分布式光伏发电并网,所述光伏发电阵列400将太阳能转换成直流电,所述DC/DC变换器500将所述光伏发电阵列400提供的直流电进行直流-直流调节得到更为稳定的直流电。所述DC/AC逆变器600将DC/DC变换器500转变为交流电,随后经过电感700接入负载和主电网800。
参见图1,在这一实施方式中,所述检测单元100包括第一电流电压检测装置101、第二电流电压检测装置102、第三电流电压检测装置103以及过零检测装置104。第一电流电压检测装置101、第二电流电压检测装置102、第三电流电压检测装置103以及过零检测装置104能够将检测到的信号转变为处理单元200能够感知和处理的直流电压量。
第一电流电压检测装置101与光伏列阵400相连,自光伏列阵400发出的电经第一电流电压检测装置101检测到信号转变为处理单元200能够感知和处理的直流电压量。分布式光伏发电并网接口装置需要检测的信号有:直流母线电压、直流输入电流、升压电路(也可以称之为DC/DC变换器500)输出直流电压、分布式光伏发电并网接口装置输出交流电压、输出交流电流,这些信号经检测单元100进入处理单元200中进行处理。检测单元100的功能就是把检测到的信号转变为处理单元200能够感知和处理的0~3.3V的直流电压量。
在这一实施方式中,第二电流电压检测装置102设定为直流电流电压检测装置,自光伏列阵400发出的电经DC/DC变换器500转换后,由第二电流电压检测装置102检测到信号并转变为处理单元200能够感知和处理的直流电压量。第二电流电压检测装置102内设置有第二电压互感器,该第二电压互感器对直流电压信号进行检测。
第二电流电压检测装置102也能够对直流电流检测,其中第二电压互感器对直流电流信号进行检测,其输入和输出之比是50A/4V。
第三电流电压检测装置103设定为交流电流电压检测装置,自光伏列阵400发出的电经DC/DC变换器500转换为直流电后,经DC/AC逆变器600转换为交流电,而后经电感700接入负载和主电网800,第三电流电压检测装置103检测到信号并转变为处理单元200能够感知和处理的直流电压量。第三电流电压检测装置103内设置有第三电压互感器,该第三电压互感器对直流电压信号进行检测,第三电流电压检测装置103对交流电压进行检测,因为在该实施例中,处理单元200仅识别正的电压信号,所以针对负的电压信号应该先对其进行适当的处理,首先把第三电压互感器输出的电压信号升高至0~3.3V范围中,然后送入处理单元200的处理通道。
第三电流电压检测装置103同时也能够对交流电流进行检测,检测交流电流处理方法和交流电压检测处理方法一样。
过零检测装置104在锁相环中起着重要作用,如果处理不正确,会产生环流,严重时会导致并网接口烧坏。由于实践中,第二电压互感器、第三电压互感器的响应时间为40us左右,因此可大致认为第二电压互感器、第三电压互感器的输出电压和主电网800的电压相位相同,故只要检测第二电压互感器、第三电压互感器过零时刻即可。
如图2所示,在这一实施方式中,分布式光伏发电并网接口装置还包括了处理单元200,而处理单元200包括主程序模块201、MPPT控制模块202、电流合成模块203以及混成控制模块204。
主程序模块201保证了分布式光伏发电安全高效并网,如图3所示,分布式光伏发电并网接口装置接收到电力调度机构下达的指令后,主程序模块201先进行系统自检,进行故障检测,若发现故障时,将第一时间进行故障报警并进行故障处理;若检测无故障,则允许运行,通过检测单元100进行电流电压检测,此时,若检测失败,则返回进行故障检测;若检测完毕且正常,则依次进入电流合成阶段、混成控制阶段以及显示数据计算阶段并允许下次检测。
光伏列阵400不管是在输出电压最大时还是在输出电流最大时,输出功率都很小。但在某一日照强度和环境温度下,光伏电池存在某一特定输出电压,在这一特定电压下的光伏阵列输出功率最大,因此,从理论上分析,可以通过控制光伏列阵400的输出电压来控制光伏列阵400的输出功率。如图4所示,在这一实施例中,处理单元200根据输入信号,分析是否形成功率事件,然后根据不同的功率事件选择相应的控制规律生成PWM(脉宽调制)信号,经驱动单元300控制升压电路中的功率开关管,从而实现MPPT控制。
本实施例中,设定D为功率开关管的占空比(即PWM信号的占空比),将步长ΔD按大小分成两个等级:大步长ΔD1(或者可以称之为第一步长)和小步长ΔD2(可以称之为第二步长,第一步长大于第二步长),对于因外部条件突然变化引起光伏阵列工作点远离最大功率点的情形适合用大步长ΔD1作为扰动去调节功率开关管的占空比D,该方法可以快速响应外部条件的变化;采用小步长ΔD2作为扰动去调节D适用于光伏阵列的工作点刚好落在最大功率点附近时,该方法可以减小系统的功率振荡。由于运行在Pk两侧时的工作点的ΔP/ΔU的符号刚好相反。定义:函数S1=(ΔP(k-1)/ΔU(k-1))*(ΔPk/ΔUk);函数S2=(Pk-Pk-1)*(Uk-Uk-1)。S1和S2的符号能够确定光伏阵列运行工作点的基本位置。现用下列逻辑条件来定义MPPT控制的功率事件,并详细分析MPPT的混成控制规律:
其中,EMPPT1,EMPPT2,EMPPT3和EMPPT4为最大功率点跟踪事件。如果事件EMPPT1发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且远离最大功率点,应该大大的减小D来提高光伏阵列的输出电压,此时设置Dk+1=Dk-ΔD1,将其带入升压电路工作原理关系式Upv=(1-D)U0中可得:
Upv(k+1)=(1-Dk+ΔD1)U0
如果事件EMPPT2发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且远离最大功率点,应该大大的增大D来降低光伏阵列的输出电压,此时设置Dk+1=Dk+ΔD1,将其带入升压电路工作原理关系式Upv=(1-D)U0中可得:
Upv(k+1)=(1-Dk-ΔD1)U0
如果事件EMPPT3发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且就在最大功率点附近,应该稍微的减小D来提高光伏阵列的输出电压,此时设置Dk+1=Dk-ΔD2,将其带入升压电路工作原理关系式Upv=(1-D)U0中可得:
Upv(k+1)=(1-Dk+ΔD2)U0
如果事件EMPPT4发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且就在最大功率点附近,应该稍微的增大D来降低光伏阵列的输出电压,此时设置Dk+1=Dk+ΔD2,将其带入升压电路工作原理关系式Upv=(1-D)U0中可得:
Upv(k+1)=(1-Dk-ΔD2)U0
Dk表示k次的PWM信号的占空比,或者也可以称之为当前占空比,Dk+1表示k+1次的PWM信号的占空比,或者也可以称之为调节后占空比,k为自然数。
MPPT控制模块202就是根据上述混成控制规律对光伏阵列400的输出功率进行实时动态跟踪控制的,使得光伏阵列尽可能多的运行在最大功率点附近,大大提高光伏电池利用率以实现高效并网。
参见图5,在该实施例中,MPPT控制模块202首先接受到来自光伏阵列400的输出电压和输出电流,在检测单元100中可检测到光伏阵列400输出功率和输出电压的变化情况,而处理单元200中混成控制模块204先通过判断事先定义的事件是否形成,事先定义的事件一旦发生,再按照事件类型根据混成控制规律由电流合成模块203决定该如何调节控制量D,最后由混成控制模块204将控制量输入PWM发生器产生PWM信号去控制升压电路的功率开关管的通断。
驱动单元300能够将处理单元200的电信号反馈至DC-DC变换器。处理单元200输出的PWM信号经驱动单元300去控制电路的通断,首先经光模块隔离,由于功率变换带来的干扰因素能够耦合到驱动单元300的另一端,所以通过光纤传输的PWM信号能使系统可靠的电气隔离。因此,PWM信号先通过三极管放大,然后采用光纤传输至光接收端,再将其转换为电信号,最后输入驱动单元300中对信号进行一系列处理,完成驱动的任务。
在另一个实施例中,参见图6,分布式光伏发电并网接口装置还包括保护单元900,保护单元900与处理单元200相连接,其包括过压/欠压保护、过流保护、短路保护和过热保护。其中,过压/欠压保护,根据处理单元200实时检测得到的输入直流、交流电压,若超出规定的范围,将停止输出PWM信号,使并网接口停止工作。而过流保护,并网接口输出交流电流信号经电流互感器转变为电压信号,经信号调理电路送入处理单元200通道,处理单元200处理并计算出有效值,若有效值不在规定的范围内,将停止输出PWM信号,使并网接口停止工作。同时短路保护,若系统出现短路故障,处理单元200在规定的时间内停止输出PWM信号,使并网接口停止工作。过热保护则采用温度传感器实现过热保护。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:包括检测单元(100)、处理单元(200)和驱动单元(300),
所述检测单元(100)包括第一电流电压检测装置(101)、第二电流电压检测装置(102)、第三电流电压检测装置(103)以及过零检测装置(104);
所述处理单元(200)与所述第一电流电压检测装置(101)、第二电流电压检测装置(102)、第三电流电压检测装置(103)、过零检测装置(104)以及驱动单元(300)相连接;
所述驱动单元(300)与所述处理单元(200)相连接,能够将所述处理单元(200)的电信号反馈至DC-DC变换器(500);
所述处理单元(200)根据输入信号,分析是否形成功率事件,然后根据不同的功率事件选择相应的控制规律生成PWM信号,经驱动单元(300)控制DC/DC变换器(500)中的功率开关管;设定D为所述功率开关管的占空比,将步长ΔD按大小分成两个等级:第一步长ΔD1和第二步长ΔD2,第一步长大于第二步长,对于因外部条件突然变化引起光伏阵列工作点远离最大功率点的情形适合用第一步长ΔD1作为扰动去调节功率开关管的占空比D;采用第二步长ΔD2作为扰动去调节功率开关管的占空比D适用于光伏阵列的工作点刚好落在最大功率点附近时;由于运行在Pm两侧时的工作点的ΔP/ΔU的符号刚好相反,定义:函数S1=(ΔP(k-1)/ΔU(k-1))*(ΔPk/ΔUk);函数S2=(Pk-Pk-1)*(Uk-Uk-1),S1和S2的符号能够确定光伏阵列运行工作点的基本位置,并利用下列逻辑条件来定义MPPT控制的功率事件:
其中,Pm为最大输出功率;ΔPk为第k个运行在Pm两侧时的功率工作点的变化量,k取自然数;ΔUk为第k个运行在Pm两侧时的电压工作点的变化量;EMPPT1,EMPPT12,EMPPT3,EMPPT4为最大功率点跟踪事件。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:
所述第一电流电压检测装置(101)与光伏列阵(400)相连接,自光伏列阵(400)发出的电经第一电流电压检测装置(101)检测到信号转变为所述处理单元(200)能够感知和处理的直流电压量。
3.根据权利要求1所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:
所述第二电流电压检测装置(102)为直流电流电压检测装置,自光伏列阵(400)发出的电经DC/DC变换器(500)转换后,由第二电流电压检测装置(102)检测到信号并转变为处理单元(200)能够感知和处理的直流电压量。
4.根据权利要求1所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:
所述第三电流电压检测装置(103)为交流电流电压检测装置,由第三电流电压检测装置(103)检测到信号并转变为所述处理单元(200)能够感知和处理的直流电压量。
5.根据权利要求1所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:
如果事件EMPPT1发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且远离最大功率点,应该大步长的减小D来提高光伏阵列的输出电压,所述处理单元(200)使得Dk+1=Dk-ΔD1
如果事件EMPPT2发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且远离最大功率点,应该大步长的增大D来降低光伏阵列的输出电压,所述处理单元(200)使得Dk+1=Dk+ΔD1
如果事件EMPPT3发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点左侧且就在最大功率点附近,应该小步长的减小D来提高光伏阵列的输出电压,所述处理单元(200)使得Dk+1=Dk-ΔD2
如果事件EMPPT4发生,则说明当前光伏阵列工作点落在最大功率点右侧且就在最大功率点附近,应该小步长的增大D来降低光伏阵列的输出电压,所述处理单元(200)使得Dk+1=Dk+ΔD2
Dk表示当前占空比,Dk+1表示调节后占空比。
6.根据权利要求5所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:
处理单元输出的PWM信号经驱动单元去控制DC/DC变换器(500)的功率开关的通断,处理单元输出的PWM信号先通过三极管放大,然后采用光纤传输至光接收端,再将其转换为电信号,最后输入所述驱动单元(300)中,所述驱动单元(300)对所述PWM信号进行处理,并驱动所述DC/DC变换器中的功率开关管。
7.根据权利要求1所述的分布式光伏发电并网接口装置,其特征在于:其还包括保护单元(900),保护单元(900)与处理单元(200)相连接,其包括过压/欠压保护、过流保护、短路保护和过热保护,其中,过压/欠压保护,根据处理单元(200)实时检测得到的输入直流、交流电压,若超出规定的范围,将停止输出PWM信号,使并网接口装置停止工作,而过流保护,并网接口装置输出交流电流信号经电流互感器转变为电压信号,经信号调理电路送入处理单元(200)通道,处理单元(200)处理并计算出有效值,若有效值不在规定的范围内,将停止输出PWM信号,使并网接口装置停止工作,同时短路保护,若系统出现短路故障,处理单元(200)在规定的时间内停止输出PWM信号,使并网接口停止工作。
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