CN104901578B - 分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口 - Google Patents

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Abstract

本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口由DC/DC变流器、DC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成，其中，DC/DC变流器采用双可控功率器件并联的BUCK‑BOOST斩波电路，DC/AC变流器采用全控型单相电压逆变器电路，柔性串并联转换电路由固态开关组成。本发明的功率接口可以根据外部信息和指令自动调节分布式光伏电源与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑，拥有有功功率传输、无功功率补偿，动态电压恢复、端点电压稳定、线路电压调节、电压谐波补偿、电流谐波补偿等功能。本发明的功率接口，既能降低设备投资和运行功率损耗，又能简化功率接口，还能获得高效能，从而实现高效性、经济性、可靠性的良好结合。

Description

分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及一种用于分布式光伏电源接入单相主电网的柔性串并联功率接口。
背景技术
太阳能光伏发电作为所有可再生能源中最具发展潜力的发电技术之一，近年来得到广泛发展。分布式光伏发电是太阳能光伏发电的重要方式之一，为了更好地发挥分布式光伏发电的效能，最有效的途径是将分布式光伏电源接入主电网使分布式光伏电源和常规电力系统联合运行。功率接口是分布式光伏电源与主电网联合运行必不可少的核心元件，是连接分布式光伏电源和主电网的唯一功率通道。
由于并联模式在简便性、经济性、灵活性、独立性、可靠性方面具有显著优势，现有的分布式光伏电源接入主电网的联接方式主要为并联模式。但是，并联模式存在一些固有缺陷，突出的表现是：在正常运行状态下，分布式光伏电源与主电网并网运行，公共连接点的电压由主电网支撑，通过调节公共连接线的电流来实现分布式光伏发电系统与主电网之间的功率交换，在电压型谐波源接入的场合，难以取得满意的电压电能质量改善效果，在异常运行状态下，即当主电网或分布式光伏发电系统内部出现故障时，分布式光伏发电系统与主电网解列，分布式光伏发电系统进入孤岛运行模式，分布式光伏电源不能给主电网提供功率支撑和电能质量支撑。分布式光伏电源容量较小，特别是路灯光伏发电、家庭光伏发电等分布式光伏电源，通常接入低压单相主电网。由于低压单相主电网处于电力系统的末端，故障率高，电压波动大，分布式光伏电源并联模式容易造成孤岛运行和电压电能质量低劣。为了弥补并联模式的缺陷，需要对分布式光伏电源接入主电网的并联模式进行改进，目前采用的改进方法是采用分布式光伏电源串并联模式或者额外接入串联型电力电子装置。
分布式光伏电源串并联模式充分发挥了并联模式和串联模式的各自优势，较好地解决了并联模式存在的问题，为更大限度发挥分布式光伏电源的效能提供坚实的物质基础。但是，采用串并联模式，在分布式光伏电源正常并网运行时，串联功率接口处于闲置的待命状态，只有在主电网故障情况才启动串联功率接口用于动态电压恢复，而此时的并联功率接口又需要退出并网运行处于闲置状态。因此，分布式光伏电源串并联模式在实际运行过程中只有部分功率接口投入运行，造成投资大、利用效率低等问题。采用额外接入串联型电力电子装置，不但增加了投资，而且不能解决异常运行状态下分布式光伏发电系统与主电网离网运行的问题。
鉴于现有的分布式光伏电源接入单相主电网的并联模式和串并联模式的上述不足，本发明提出一种新的分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口，它具有根据外部信息和指令自动调节分布式光伏电源与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑的能力，可以弥补现有的分布式光伏电源并联模式缺乏动态电压恢复能力的不足，可以改善现有的分布式光伏电源并联模式未能有效抑制电压型电能质量扰动的不足，可以消除现有的分布式光伏电源串并联模式存在功率接口闲置状态的弊端，可以设置少于串并联模式变流器数量来实现相同的功效，既能降低设备投资和运行功率损耗，又能简化功率接口，提高分布式光伏电源接入单相主电网运行的可靠性、高效性和经济性，实现了高效性、经济性、可靠性的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。
发明内容
本发明的目的是提出一种更经济、高效、简单、普适的分布式光伏电源接入单相主电网的柔性串并联功率接口，克服现有的并联模式和串并联模式的不足，解决现有的分布式光伏电源并联功率接口因使用单一的并联模式而产生的电压电能质量改善效果不确定、缺乏动态电压恢复能力以及在孤岛运行模式下不能给主电网提供功率和电能质量支撑的技术问题，解决现有的分布式光伏电源单相串并联功率接口因使用串并联模式而产生的功率接口闲置和运行损耗大的技术问题和经济问题。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口，根据外部信息和指令自动调节分布式光伏电源与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的静态拓扑由DC/DC变流器、DC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的动态拓扑包括并联功率接口拓扑、串联功率接口拓扑和串并联功率接口拓扑。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的静态拓扑的DC/DC变流器采用双可控功率器件并联的BUCK-BOOST斩波电路。
本发明分布式光伏电源单相并联功率接口的静态拓扑的DC/AC变流器采用全控型单相电压逆变器电路。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的静态拓扑的柔性串并联转换电路由固态开关组成。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的功能包括有功功率传输、无功功率补偿，动态电压恢复、端点电压稳定、线路电压调节、电压谐波补偿、电流谐波补偿。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的分布式光伏发电系统运行模式包括并网运行模式、孤岛运行模式、动态电压运行模式、潮流综合控制运行模式。
本发明的技术效果在于：分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口根据外部信息和指令自动调节分布式光伏发电系统与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑，丰富分布式光伏发电系统运行模式，减少工功率接口中的变流器设置量和运行过程的闲置量，降低设备投资和运行功率损耗，增强功能的功能，简化功率接口，实现布式光伏电源接入单相主电网运行的可靠性、高效性和经济性的良好结合。
附图说明
图1为发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的原理结构框图。
图2为发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的DC/DC变流器的主电路。
图3为发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的DC/AC变流器的主电路。
图4为发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的柔性串并联转换电路的主电路。
图5为基于单相柔性串并联功率接口的分布式光伏电源接入单相交流主电网的主电路。
具体实施方式
结合分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的原理结构框图图1、DC/DC变流器的主电路图2、DC/AC变流器的主电路图3、柔性串并联转换电路的主电路图4和基于单相柔性串并联功率接口的分布式光伏电源接入单相交流主电网的主电路图5，描述本发明的具体实施方式和工作过程。
参见图1，分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口由DC/DC变流器、DC/AC变流器和柔性串并联转换电路的主电路组成。
参见图2，发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的DC/DC变流器的主电路采用双可控功率器件并联的BUCK-BOOST斩波电路， DC/DC变流器的工作过程是：通过合适的最大功率跟踪控制方法，根据分布式光伏电源的最高电压电流值实时调节可控功率器件S11和S12的占空比，使分布式光伏电源的光伏阵列输出最大的功率，使DC/DC变流器的输出电压保持稳定。并联的双可控功率器件不仅使DC/DC变流器具有宽范围输入电流的特性，从而可以适应分布式光伏电源大范围变化的特征，还且可以在分布式光伏电源小电流输出时，通过减少可控功率器件的运行数量来降低可控功率器件的开关损耗。
参见图3，分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的DC/AC变流器的主电路采用全控型单相电压逆变器电路，全控型单相电压逆变器电路的工作过程是：通过合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，触发DC/AC变流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序，从而控制全控型单相电压逆变器的输出电压和输出电流。分布式光伏电源工作在与主电网处于正常并网运行状态时，公共连接点的电压由主电网支撑，全控型单相电压逆变器的输出电压需要与之保持一致，全控型单相电压逆变器的输出控制主要是通过PWM信号调节其输出电流。分布式光伏电源工作在与主电网串联运行状态时，公共连接线的电流由主电网支撑，全控型单相电压逆变器的输出电流需要与之保持一致，全控型单相电压逆变器的输出控制主要是通过PWM信号调节其输出电压。分布式光伏电源工作在与主电网串并联运行状态时，公共连接点的电压和公共连接线的电流均可以不由主电网支撑，通过PWM信号既可以调节全控型单相电压逆变器的输出电压，也可以调节全控型单相电压逆变器的输出电流。
参见图4，分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口的柔性串并联转换电路的主电路由固态开关K1、K2、K3和电容器组成，固态开关K1、K2分别由2组固态开关器件组成，固态开关K3只有1组固态开关器件。柔性串并联转换电路的工作过程是：根据监测到的主电网、分布式光伏电源和负荷的信息或者接收到的外部指令，合理控制固态开关K1、K2、K3的通断，从而实现功率接口的串联模式和并联模式的柔性转换。固态开关K1、K2、K3的通断规则如表1所示。
表1固态开关K1、K2、K3的通断规则
功率接口联接模式 分布式光伏电源运行模式 固态开关的开关状态
并联模式 并网运行模式 K1、K3导通，K2开断
串联模式 动态电压恢复运行模式 K2导通，K1、K3断开
串并联模式 潮流综合控制运行模式 K1、K2导通， K3断开
孤岛运行模式 K3导通， K1、K2断开
参见图5，基于单相柔性串并联功率接口的分布式光伏电源联网系统的主电路由分布式光伏电源的光伏阵列、DC/DC变流器、DC/AC变流器、柔性串并联转换电路、单相交流主电网以及分布式光伏电源和主电网共同供电的直流负荷和交流负荷组成。该分布式光伏电源联网系统通过柔性串并联转换电路可以工作在并网运行模式、动态电压恢复运行模式、潮流综合控制运行模式、孤岛运行模式。孤岛运行模式有三种状态，一种是机械开关K闭合，固态开关K3导通，固态开关 K1、K2断开，此时分布式光伏电源只能向直流负荷供电；二是机械开关K断开，固态开关 K1导通、固态开关K2、K3断开，分布式光伏电源可以同时向直流负荷和交流负荷供电；三是机械开关K断开，固态开关 K1、K2、K3均断开，分布式光伏电源则只向直流负荷供电。
本发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口，在分布式光伏电源正常运行的情况下，可以根据分布式电源容量的变化灵活调节DC/DC变流器的可控功率器件的运行数量，适应分布式电源的宽电流范围变化，降低DC/DC变流器的功率损耗；在主电网正常运行的情况下，可以根据公共连接点电压和公共连接线电流的变化，灵活调节DC/AC变流器与主电网的联接模式以维持公共连接点电压的稳定，并且使分布式光伏电源工作在光伏阵列输出最大功率的状态；在主电网故障运行的情况下，可以根据主电网的暂态电压扰动和暂态电流扰动的变化，平滑转换并联功率接口至串联联接模式，适应主电网故障中大扰动的宽范围变化，高效支撑分布式光伏发电系统低电压穿越和主电网的暂态稳定，平滑切除并联功率接口使分布式光伏电源进入孤岛运行模式，确保分布式光伏电源和主电网的安全。分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口可以提高分布式光伏电源运行的灵活性，可以消除串并联功率接口存在闲置状态的弊端，可以弥补现有的分布式光伏电源并联模式缺乏动态电压恢复能力的不足和未能有效抑制电压型电能质量扰动的不足，可以使用串并联功率接口中DC/AC变流器的一半数量实现串并联功率接口所具有的功能，性价比得到明显提高，实现高效性、经济性、可靠性的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

Claims (1)

1.一种发明分布式光伏电源单相柔性串并联功率接口，根据外部信息和指令自动调节分布式光伏电源与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑；
柔性串并联功率接口的静态拓扑由DC/DC变流器、DC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成；其中，DC/DC变流器的工作过程是：通过合适的最大功率跟踪控制方法，根据分布式光伏电源的最高电压电流值实时调节可控功率器件S11和S12的占空比，使分布式光伏电源的光伏阵列输出最大的功率，使DC/DC变流器的输出电压保持稳定；
柔性串并联功率接口的静态拓扑的DC/DC变流器采用双可控功率器件并联的BUCK-BOOST斩波电路，DC/AC变流器采用全控型单相电压逆变器电路，柔性串并联转换电路由固态开关组成；全控型单相电压逆变器电路的工作过程是：通过合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，触发DC/AC变流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序，从而控制全控型单相电压逆变器的输出电压和输出电流；柔性串并联转换电路的工作过程是：根据监测到的主电网、分布式光伏电源和负荷的信息或者接收到的外部指令，合理控制固态开关的通断，从而实现功率接口的串联模式和并联模式的柔性转换；
柔性串并联功率接口的动态拓扑包括并联功率接口拓扑、串联功率接口拓扑和串并联功率接口拓扑。
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