CN105305475B - 一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，包括通过三相全桥逆变电路接入电网的太阳能电池板；三相全桥逆变电路中的任意一相桥臂的连接点依次通过蓄电池功率逆变单元和电抗器接入电网；三相全桥逆变电路中的其余两相桥臂的连接点分别通过电抗器直接与电网相连；蓄电池功率逆变单元包括连接于两相全桥逆变电路两端的蓄电池。与现有技术相比，本发明提供的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，可以同时实现并网发电和多余电能存储及释放，有利于降低发电功率波动，提高发电效率，并可以在夜间继续向负载提供电能，应用于独立电网，小型电网等场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相并网功率逆变模块，具体涉及一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块。
背景技术
随着风能、太阳能等间歇式电源并网及输配技术的深入发展，电池储能系统也得到广泛应用；能量转换系统(power conversion system，PCS)作为电池储能系统稳定运行的关键器件，用于实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪、对电池储能系统充放电功率的控制、对正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等。
目前PCS装置已在太阳能、风能等分布式发电技术中有较多的应用，并逐渐应用于飞轮储能、超级电容器、电池储能等小容量双向功率传递的储能系统中。然而在光储一体化的发电系统中由于太阳光强度、温度等客观环境条件的变化，光伏电池板的输出特性不同，从而导致在一些情况下光伏电站发电能力不足，而在某些情况下光伏电站发电能力过剩。
现有技术中PCS装置的拓扑结构重要采用一级DC/DC模块用来将光伏逆变器的输出电压变换为一个固定电压的直流电，然后采用一个三相并网PCS将直流电变为交流电并送入电网。这种拓扑结构存在下述缺陷：
①：DC/DC模块中包括的电感了增加电池储能系统的体积、重量和成本；
②：三相并网PCS不具备能量存储能力，即当光伏资源越丰富，并网PCS向电网输送的功率也越多；当光伏资源匮乏时，并网PCS向电网输送的功率相应降低。因此并网PCS发出的功率波动性较强，而当对并网PCS的并网功率进行限制时，就会出现牺牲发电量等现象，带来了大量的能量浪费。
因此，提供一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，从而提高能量转换系统PCS的能量转换效率及稳定性显得尤为重要。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，所述功率逆变模块包括通过三相全桥逆变电路接入电网的太阳能电池板；
所述三相全桥逆变电路中的任意一相桥臂的电力电子器件连接点依次通过蓄电池功率逆变单元和电抗器接入电网；所述三相全桥逆变电路中的其余两相桥臂的电力电子器件连接点分别通过电抗器直接与电网相连。
优选的，所述蓄电池功率逆变单元包括连接于两相全桥逆变电路两端的蓄电池；所述两相全桥逆变电路的另外两端分别与所述三相全桥逆变电路的任意一相桥臂的电力电子器件连接点和所述电抗器相连；
优选的，所述两相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；
所述第一桥臂和第四桥臂的连接点与蓄电池的正极端相连；所述第二桥臂和所述第三桥臂的连接点与蓄电池的负极端相连；所述第一桥臂和第三桥臂的连接点与所述三相全桥逆变电路相连；所述第二桥臂和第四桥臂的连接点与所述电抗器相连；
优选的，所述蓄电池功率逆变模块的充电工作模式包括：
当电流方向为由所述两相全桥逆变电路向所述电抗器流动时，所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁，太阳能电池板对蓄电池进行充电；
当电流方向为由所述电抗器向所述两相全桥逆变电路流动时，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁，所述第二桥臂和第四桥臂导通，太阳能电池板对蓄电池进行充电；
优选的，所述蓄电池功率逆变模块的放电工作模式包括：
当电流方向为由所述两相全桥逆变电路向所述电抗器流动时，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁，所述第二桥臂和第四桥臂导通，蓄电池向电网进行放电；
当电流方向为由所述电抗器向所述两相全桥逆变电路流动时，所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁，蓄电池向电网进行放电；
优选的，所述蓄电池功率逆变模块的功率传输工作模式包括：
当电流在所述两相全桥逆变电路和所述电抗器之间任一方向流动时，所述第一桥臂和第四桥臂导通，所述第二桥臂和所述第三桥臂闭锁，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网；
当电流在所述两相全桥逆变电路和所述电抗器之间任一方向流动时，所述第一桥臂和第四桥臂闭锁，所述第二桥臂和所述第三桥臂导通，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网；
优选的，所述三相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT和MOSFET中的任意一种；
优选的，所述两相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT和MOSFET中的任意一种。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1、本发明技术方案中，将蓄电池功率逆变模块接入三相全桥逆变电路和电网之间，通过控制电路中各电力电子器件的工作状态，将电能存储在蓄电池中，并可以在任意需要的时候进行释放，实现了电能在时间轴上的平移，提高了发电效率，减小了发电功率波动；
2、在并网发电场合中，所述功率逆变模块可以在阳光充足的时候将一部分电能存储如蓄电池中，避免光伏电站向电网送入的能量过多而导致相应的火电厂处于低效率运行状态，便于进行电网调度和协调；当光伏资源不足的时候，则可以将蓄电池的能量送入电网中，补充功率缺口；当光伏资源波动较剧烈时，使蓄电池工作于充放结合的模式，使光伏电站送入电网的功率近似平滑，避免电力系统频繁进行频率调整，优化电力系统运行状况；
3、在并网发电场合中，若采用传统并网逆变器，则发电功率与并网功率相同，而发电量一般小于光伏电站的理论可发电能值，“弃光”现象时有发生即放弃光伏所发电力，降低了发电量；若采用本发明公开的功率逆变模块，可以将超出电网调度方要求的能量进行存储，并在之后发电功率不足时送入电网，由此提高发电量；
4、在独立电网场合中，若采用本发明提供的功率逆变模块，能够将昼间所发出的多余电能存储于蓄电池中，可在夜间进行释放，满足负载需要；
5、在独立电网场合中，若采用传统并网逆变器，则发电功率与负载功率相同，因此发电量一般等于负载消耗的电能，“弃光”现象时有发生，降低了发电量；若采用本发明提供的功率逆变模块，可以将超出负载需要的能量进行存储，并在之后发电功率不足时提供给负载，由此提高发电量，并可以实现长期可靠稳定供电。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是：本发明实施例中适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块结构图；
图2是：图1中蓄电池充电时的状态图一；
图3是：图1中蓄电池充电时的状态图二；
图4是：图1中蓄电池放电时的状态图一；
图5是：图1中蓄电池放电时的状态图二；
图6是：图1中蓄电池电量维持时的状态图一；
图7是：图1中蓄电池电量维持时的状态图二；
图8是：图1中电力电子器件K1的发射极电压为0时的状态图；
图9是：图1中电力电子器件K1的发射极电压为太阳能电池板电压时的状态图；
图10是：图1中电力电子器件K3的发射极电压为0时的状态图；
图11是：图1中电力电子器件K3的发射极电压为太阳能电池板电压时的状态图；
图12是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为0时的状态图一；
图13是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为0时的状态图二；
图14是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为蓄电池电压正值时的状态图；
图15是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为蓄电池电压负值时的状态图；
图16是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为太阳能电池板电压时的状态图一；
图17是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为太阳能电池板电压时的状态图二；
图18是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为太阳能电池板电压与蓄电池电压之和时的状态图；
图19是：图1中电力电子器件K9的发射极电压为太阳能电池板电压与蓄电池电压之差时的状态图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，能够实现：
①：当光伏发电过剩时，将多余的能量存储到储能装置中；
②：当光伏发电不足时，储能装置将相应缺少的能量发送电网中，保证电网稳定。
(1)如图1所示本实施例中的功率逆变模块包括太阳能电池板、三相全桥逆变电路、蓄电池、两相全桥逆变电路和三相电抗器；
本实施例中三相全桥逆变电路包括三相桥臂，第一相桥臂为电力电子器件K1、K2组成的串联支路，第二相桥臂为电力电子器件K3、K4组成的串联支路，第三相桥臂为电力电子器件K5、K6组成的串联支路；三相全桥逆变电路的任意一相桥臂的电力电子器件连接点依次通过蓄电池功率逆变单元和电抗器接入电网，其余两相桥臂的电力电子器件连接点均通过电抗器直接接入电网。
两相全桥逆变电路的第一桥臂为电力电子器件K7，第二桥臂为电力电子器件K8，第三桥臂为电力电子器件K9，第四桥臂为电力电子器件K10；两相全桥逆变电路的两端分别与蓄电池的正负极端连接，另外两端分别连接于三相全桥逆变电路的任意一相桥臂的电力电子器件连接点和电抗器之间；即本实施例中电力电子器件K7和电力电子器件K8的连接点与第三相桥臂的连接点相连，电力电子器件K9和电力电子器件K10的连接点与电抗器相连。
本实施例中电力电子器件K1和K2互补导通，电力电子器件K3和K4互补导通，电力电子器件K5和K6互补导通，电力电子器件K7和K8互补导通，电力电子器件K9和K10互补导通。
三相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT、MOSFET等全控型电力电子开关器件中的任意一种；两相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT、MOSFET等全控型电力电子开关器件中的任意一种。
(2)本发明提供的蓄电池功率逆变模块的工作模型包括充电工作模式、放电工作模式和功率传输工作模式；
①：充电工作模式：
如图2所示，当电流方向为由两相全桥逆变电路向电抗器流动时，电力电子器件K7和K10导通，电力电子器件K8和K9闭锁，太阳能电池板对蓄电池进行充电；
如图3所示，当电流方向为由电抗器向两相全桥逆变电路流动时，电力电子器件K7和K10闭锁，电力电子器件K8和K9导通，太阳能电池板对蓄电池进行充电。
②：放电工作模式：
如图4所示，当电流方向为由电抗器向两相全桥逆变电路流动时，电力电子器件K7和K10导通，电力电子器件K8和K9闭锁，蓄电池向电网进行放电。
如图5所示，当电流方向为由两相全桥逆变电路向电抗器流动时，电力电子器件K7和K10闭锁，电力电子器件K8和K9导通，蓄电池向电网进行放电。
③：功率传输工作模式：
如图6所示，当电流在两相全桥逆变电路和电抗器之间任一方向流动时，电力电子器件K7和K9导通，电力电子器件K8和K10闭锁，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网；
如图7所示，当电流在两相全桥逆变电路和电抗器之间任一方向流动时，电力电子器件K7和K9闭锁，电力电子器件K8和K10导通，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网。
(3)如图8-19分别示出了三相全桥逆变电路的不同工况状态图：
①：如图8和9示出了电力电子器件K1的发射极端电压分别为0和太阳能电池板电压时第一相桥臂的电力电子器件工作状态，功率逆变模块中的其余电力电子器件的工作状态不影响电力电子器件K1的发射极端电压；
②：如图10和11示出了电力电子器件K3的发射极端电压分别为0和太阳能电池板电压时第一相桥臂的电力电子器件工作状态，功率逆变模块中的其余电力电子器件的工作状态不影响电力电子器件K1的发射极端电压；
③：如图12和13示出了在蓄电池功率逆变模块为功率传输工作模式的情况下，电力电子器件K9的发射极端电压为0时第三相桥臂的电力电子器件工作状态，功率逆变模块中的其余电力电子器件的工作状态不影响电力电子器件K9的发射极端电压；
④：如图14示出了电力电子器件K9的发射极端电压为蓄电池电压时第三相桥臂的电力电子器件工作状态。此时蓄电池功率逆变模块为放电工作模式；
⑤：如图15示出了电力电子器件K9的发射极端电压为蓄电池电压负值时第三相桥臂的电力电子器件工作状态。此时蓄电池功率逆变模块为充电工作模式；
⑥：如图16和17示出了在蓄电池功率逆变模块为功率传输工作模式的情况下，电力电子器件K9的发射极端电压为太阳能电池板电压时第三相桥臂的电力电子器件工作状态，功率逆变模块中的其余电力电子器件的工作状态不影响电力电子器件K9的发射极端电压；
⑦：如图18和19示出了电力电子器件K9的发射极端电压为太阳能电池板电压与蓄电池电压之和时第三相桥臂的电力电子器件工作状态，功率逆变模块中的其余电力电子器件的工作状态不影响电力电子器件K9的发射极端电压；
如图18所示，当电流从电力电子器件K9向电抗器流动时，蓄电池功率逆变模块为放电工作模式；当电流从电抗器向电力电子器件K9流动时，蓄电池功率逆变模块为充电工作模式；如图19所示，当电流从电力电子器件K9向电抗器流动时，蓄电池功率逆变模块为充电工作模式；当电流从电抗器向电力电子器件K9流动时，蓄电池功率逆变模块为放电工作模式。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (8)
1.一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述功率逆变模块包括通过三相全桥逆变电路接入电网的太阳能电池板；
所述三相全桥逆变电路中的任意一相桥臂的电力电子器件连接点依次通过蓄电池功率逆变单元和电抗器接入电网；所述三相全桥逆变电路中的其余两相桥臂的电力电子器件连接点分别通过电抗器直接与电网相连。
2.如权利要求1所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述蓄电池功率逆变单元包括连接于两相全桥逆变电路两端的蓄电池；所述两相全桥逆变电路的另外两端分别与所述三相全桥逆变电路的任意一相桥臂的电力电子器件连接点和所述电抗器相连。
3.如权利要求2所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述两相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；
所述第一桥臂和第四桥臂的连接点与蓄电池的正极端相连；所述第二桥臂和所述第三桥臂的连接点与蓄电池的负极端相连；所述第一桥臂和第三桥臂的连接点与所述三相全桥逆变电路相连；所述第二桥臂和第四桥臂的连接点与所述电抗器相连。
4.如权利要求3所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述蓄电池功率逆变单元的充电工作模式包括：
当电流方向为由所述两相全桥逆变电路向所述电抗器流动时，所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁，太阳能电池板对蓄电池进行充电；
当电流方向为由所述电抗器向所述两相全桥逆变电路流动时，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁，所述第二桥臂和第四桥臂导通，太阳能电池板对蓄电池进行充电。
5.如权利要求3所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述蓄电池功率逆变单元的放电工作模式包括：
当电流方向为由所述两相全桥逆变电路向所述电抗器流动时，所述第一桥臂和第三桥臂闭锁，所述第二桥臂和第四桥臂导通，蓄电池向电网进行放电；
当电流方向为由所述电抗器向所述两相全桥逆变电路流动时，所述第一桥臂和第三桥臂导通，所述第二桥臂和第四桥臂闭锁，蓄电池向电网进行放电。
6.如权利要求3所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述蓄电池功率逆变单元的功率传输工作模式包括：
当电流在所述两相全桥逆变电路和所述电抗器之间任一方向流动时，所述第一桥臂和第四桥臂导通，所述第二桥臂和所述第三桥臂闭锁，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网；
当电流在所述两相全桥逆变电路和所述电抗器之间任一方向流动时，所述第一桥臂和第四桥臂闭锁，所述第二桥臂和所述第三桥臂导通，蓄电池不进行放电动作和充电动作，仅将太阳能电池板发送的功率传输到所述电网。
7.如权利要求1所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述三相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT和MOSFET中的任意一种。
8.如权利要求1所述的一种适用于光储一体化发电系统的三相并网功率逆变模块，其特征在于，所述三相全桥逆变电路中的电力电子器件采用IGBT和MOSFET中的任意一种。
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Effective date of registration: 20180524 Address after: 810000 1122, room first, 53 Kunlun East Road, Xining economic and Technological Development Zone, Qinghai. Applicant after: Xining Zhao industry new energy technology development Co., Ltd. Address before: 816000 Kunlun Economic Development Zone, Golmud, Haixi Mongolian and Tibetan Autonomous Prefecture, Qinghai Applicant before: Lin Changming |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20201125 Address after: 215500 Building 5, No. 68, Lianfeng Road, Changfu street, Changshu, Suzhou, Jiangsu Province Patentee after: Xida (Changshu) Research Institute Co., Ltd Address before: 810000 1122, room first, 53 Kunlun East Road, Xining economic and Technological Development Zone, Qinghai. Patentee before: Xining Zhao industry new energy technology development Co.,Ltd. |
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