CN112039357A - 一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光伏发电技术领域，尤其为一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，包括：前端逆变模块，所述前端逆变模块用于将光伏输出的直流电逆变成交流电；滤波模块，所述滤波模块用于优化输出的交流电波形；变压模块，所述变压模块用于实现长距离高压输电；高低频滤波模块，所述高低频滤波模块用于优化高压输电降压后的波形；整流模块，所述整流模块用于将交流电整流呈直流电；直流滤波模块，所述直流滤波模块用于输出干净的直流电至水泵控制端；本发明可以直接将光伏直流电通过控制逆变器远距离驱动水泵进行抽水，不需要蓄电池，也不需要市电并网，既具有离网系统独立工作的特性，也具有并网系统的不需要蓄电池储电的工作特性。

Description

一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，尤其为一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统。

背景技术

在传统的太阳能发电系统里，一般有两种类型：第一种类型是离网发电系统，这种系统是太阳能板发出来的直流电通过太阳能控制器对蓄电池充电，然后蓄电池对外提供直流电或通过逆变器提供交流电。这种离网的发电系统，必须要有蓄电池，系统是独立工作，不需要且不能连接外部电网。第二种是并网发电系统，并网发电系统是太阳能板发出来的电通过并网逆变器直接并到市电电网上，不需要蓄电池，但需要稳定的市电。如果市电断了，并网发电系统因孤岛保护而停止发电。

目前，利用太阳能发电的太阳能提灌站在偏远山区得到广泛的推广及应用。在太阳能提灌站应用中，光伏发电是直接通过控制逆变器驱动水泵进行抽水，不需要蓄电池，也不需要市电并网，既具有离网系统独立工作的特性，也具有并网系统的不需要蓄电池储电的工作特性。当光伏板安装位置与控制逆变器及水泵的距离较远时，如果是5公里，10公里等等，在这么远的传输距离，常规太阳能板发出来的直流电压最高是1000V，是很难用电缆传输这么长距离，即使用很粗的电缆来传输能达到压降要求，但电缆的价格及铺设线路的成本会高得惊人；那么要把太阳能发出来的直流电远距离传输，这需要一套升降压系统来完成这个功能。

当太阳能发电系统是离网系统，有蓄电池的时候，可以用常规的离网逆变器，将蓄电池的直流电通过IGBT逆变器，逆变成纯正弦波的工频电，然后用常规的升压变压器和降压变压器将工频电传输到远端机房；然而在太阳能提灌站系统了，为了节省成本，是不需要带蓄电池的，那么常规的离网逆变器在没有蓄电池的情况下，是不能正常使用的。如果使用常规的并网逆变器，则需要稳定的市电提供并网条件。而太阳能提灌站大多数项目都安装在没有市电的偏远山区，在没有市电的情况下，常规的并网逆变器有防孤岛保护，因此也不能正常使用。

因此亟需一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，在无市电无蓄电池的情况下，将太阳能板发出的直流电传输到远端负载水泵。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，包括：

前端逆变模块，所述前端逆变模块用于将光伏输出的直流电逆变成交流电；

滤波模块，所述滤波模块用于优化变频器输出的交流电波形；

变压模块，所述变压模块用于实现长距离高压输电；

高低频滤波模块，所述高低频滤波模块用于优化高压输电降压后的波形；

整流模块，所述整流模块用于将交流电整流成直流电；

直流滤波模块，所述直流滤波模块用于输出干净的直流电至水泵控制端。

优选的，所述前端逆变模块采用变频器做为逆变器，用于将不稳定的光伏输出的直流电逆变成频率变化的交流电。

优选的，所述滤波模块包括顺次连接的输出滤波器、一级滤波电抗器和二级滤波电抗器，所述输出滤波器抑制变频器产生的高次谐波，所述一级滤波电抗器用于滤除一部分低频的干扰，所述二级滤波电抗器用于滤除另一部分低频干扰。

优选的，所述变压模块包括升压变压器和降压变压器，所述升压变压器将380V升至10KV进行高压输电，所述降压变压器将10KV的高压电降至380V。

优选的，所述高低频滤波模块包括高频滤波器和低频滤波器，所述高频滤波器为安装在变压器输出端的输出滤波器，所述低频滤波器为安装在变频器上的输出电抗器。

优选的，所述整流模块为整流器，所述整流器的输入端连接隔离变压器，所述隔离变压器采用三相干式变压器。

优选的，所述直流滤波模块为直流输出电抗器，用于滤除直流波形里的交流成分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以直接通过控制逆变器远距离驱动水泵进行抽水，不需要蓄电池，也不需要市电并网，既具有离网系统独立工作的特性，也具有并网系统的不需要蓄电池储电的工作特性，当光伏板安装位置与控制逆变器及水泵的距离较远时，采用380V升10KV的升压变压器及10KV降压变压器进行高压输电，通过升降压变压器远距离传输以后，对降压变压器出来的交流电进行滤波，隔离及整流为干净的直流电，在供电给现场水泵变频器。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，包括：

前端逆变模块，前端逆变模块用于将光伏输出的直流电逆变成交流电；

滤波模块，滤波模块用于优化输出的交流电波形；

变压模块，变压模块用于实现长距离高压输电；

高低频滤波模块，高低频滤波模块用于优化高压输电降压后的波形；

整流模块，整流模块用于将交流电整流成直流电；

直流滤波模块，直流滤波模块用于输出干净的直流电至水泵控制端。

本实施方案中：要实现与距离输送电力，利用高压交流升压变压器和交流降压变压器是最常用的最经济的方式；但是交流升压变压器与交流降压变压器首要条件就是传输交流电，而太阳能所发出来的电时直流电，因此第一步，就是要把直流电变交流电，在没有蓄电池与市电的条件下，且太阳能发出来的电是根据阳光的强弱而变，市场上常规的离网逆变器与并网逆变器都不可以使用，本发明使用变频器做为逆变器，将不稳定的太阳能直流电逆变成频率及电压变化的交流电；

在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-4kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz，同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。

传统的升压变压器是对干净的50HZ纯正弦波进行升压，当变频器带有高频谐波的电压进入升压变压器，变压器会发出尖锐的呼啸声，并且电压会快速上升，铁芯发生磁饱和，造成变压器温升快速升高，进而导致变压器温度过高而烧毁。因此在进行升压前，必须对变频器输出的电压波形进行滤波。

变频器专用输出滤波器具有了良好的电磁噪声抑制特性：

1、显著改善变频器输出的PWM/SPWM波的波形，使之成为类正弦波，有效减轻电机因高频谐波引起的附加转矩、噪声(啸叫)、温升；

2、抑制变频器输出端的dv/dt，以及浪涌(过冲)电压，保护变压器及电机绝缘；

3、抑制变频器输出侧的共模电流，保护电机轴承，

4、显著降低变频器输出线路的“天线”效应，有效抑制变频器输出侧的射频干扰；

5、降低因变频器谐波引起的电机抖动，延长电机使用寿命；

6、补偿变频系统的无功功率，改善EMC环境，提高变频系统的稳定性及可靠性。可有效提供系统功率因数；

7、可以大幅改善EMC环境，提高系统可靠性。

在经过滤波器滤波后，若供电线路需要远程传输，增需要增加输出电抗器，变频器专用出线电抗器，是依靠线圈的感抗来阻碍电流变化的电器，抑制变频器产生的高次谐波，其通常串联于变频器出线端和负载之间，用于延长变频器的有效传输距离，有效抑制变频器的IGBT模块开关时产生的瞬间高压，降低电机的噪音，降低涡流损耗，保护变频器内部的功率开关器件。

变频器输出端专用电磁谐波电抗器的功能特点：

1、提高变频器/伺服驱动器输出端的高频阻抗，降低变频器/伺服控制器的高频泄露电流，保护变频器/伺服驱动器的安全、稳定运行；

2、有效降低变频器/伺服放大器等整流-逆变类设备输出端的dv/dt，为电机/伺服电机等负载的安全保驾护航；

3、抑制变频器/伺服控制器输出端的谐波电流(≤2KHz，一般工程师是如此认为)；

4、延长变频器/伺服驱动器等设备的有效传输距离，补偿长距离传输过程中导线上的分布电容；

5、有效降低电机/伺服电机等负载的运行噪声；

6、噪声低、温升小；

7、降低工频暂态过电压，这是利用变频器专用出线电抗器的空载或轻负荷线路上的电容效应来实现的；

8、改善长输电线路上的电压分布；

9、缓解变频器输出端的三相不平衡现象，减轻线路上的能量损失；使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动；

10、降低高压母线上工频稳态电压，便于发电机同期并列；

11、防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

变频器的逆变输出在经过滤波器滤除高频的干扰和经过电抗器滤除低频干扰后，进入380V升10KV的升压变压器及10KV降压变压器，由于变频的输出是高频的PWM小方波组成的正弦波，升降压压变压器制作不同于低频50HZ的纯正弦波，采用三相S11油浸式变压器，

通过升降压变压器远距离传输以后，在远方控制室降压下来的是与前段变频器输出接近的PWM 380V电压，这个电压是频率从0-50Hz，电压从0-380V可变的值。因为在太阳能提灌站系统了，太阳能发出来的电最终是要给水泵供电。由于需要对现场水泵进行实时变频控制及实时各种保护，现场水泵前端是由一台变频控制器进行控制。如果现场变频器前端直接接入从降压变压器过来的PWM交流电，变频器内的整流模块会直接烧掉。为了解决这个问题，对降压变压器出来的交流电进行滤波，隔离及整流为干净的直流电，在供电给现场水泵变频器。

经过了长距离的电缆传输以后，很多线路干扰会感应进到降压变压器的输出端，因此首先是要进行高频的滤波。

在这里使用变频器专用输入滤波器，主要用于抑制变频器在整流过程中产生的高次谐波。其工作原理是利用“阻抗失配”的原理进行工作的；

一般情况下，我们默认为电源端是低阻抗的，所以，我们变频器输入滤波器的输入端是高阻抗的；而负载侧，我们默认为其是高阻抗的，而我们的变频器输入滤波器的输出端，则是低阻抗的；

正是利用这一原理，实现了对于变频器产生的高次谐波的有效抑制作用。

输入滤波器具有了良好的电磁噪声抑制特性；

1、双向滤波：

a、既可以抑制电源中的高频谐波，解决电网谐波干扰变频器，使之误动作、误报警的问题；

b、又可以抑制变频器在整流过程中产生的高频谐波，阻断其进入电网的路径，解决了变频器运行过程中产生的谐波污染电网，导致使用同一电网的其他敏感机电设备误动作、误报警，乃至频繁损坏的问题；

2、优异的传导干扰抑制特性：设有共模谐波和差模谐波专用的抑制电路，可同时抑制变频器在运行过程中产生的共模谐波和差模谐波；

3、采用最大阻抗失配原则进行设计，可有效提供系统功率因数；

4、大幅改善EMC环境，提高系统可靠性；

5.抑制变频器产生的高次谐波：

变频器在整流过程中，就相当于一个高速开关，因此，会产生大量的高次谐波，这些高次谐波，会随着电源的流动，被带入电网，进而导致了使用同一电网的敏感设备受到干扰；

6.防止变频器被干扰：

变频器是个干扰源，也是个受扰源，或者是叫敏感设备。如果电网中的谐波频率过高、谐波含量过大的情况下，变频器就会发出过压、过流、过载等误报警；

7.提高系统功率因数：

变频器输入滤波器，具有一定的补偿功能，可以提高整个工控自动化系统的功率因数，具有一定的节能功效；

8.缓解三相不平衡：

如果变频器的输入端三相不平衡，严重的情况下，就会导致变频器无法正常工作，加上变频器输入滤波器之后，可以有效缓解这一问题。

9、保护驱动装置电力电子元件不受主电源尖峰电流冲击；

10、提高系统可靠性型。

经过滤波器的高频滤波后，还需要进行低频滤波，则需要使用变频器专用输入电抗器，其作用是：1.输入电抗器用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输入端加装一个进线电抗器，可以改善变频器的功率因数及抑制谐波电流，滤除谐波电压和谐波电流，改善电网质量。2.输出电抗器用于延长变频器的有效传输距离，有效抑制变频器的IGBT模块开关时产生的瞬间高压，降低电机的噪音，降低涡流损耗，保护变频器内部的功率开关器件。同时可以抑制末端变频器产生的高次谐波对降压变压器的干扰。

在经过滤波及电抗器之后的交流电，并不能直接使用，因为经过长距离的线路传输，有很多突发性及不可预知的冲击及干扰会进入传输电网，所以还需要使用隔离变压对输入电源进行隔离。

隔离变压器的主要作用是：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。用隔离变压器使二次对地悬浮，只能用在供电范围较小、线路较短的场合。此时，系统的对地电容电流小得不足以对人身造成伤害。还有一个很重要的作用就是保护人身安全，隔离危险电压。

在本发明方案中，采用三相干式变压器，用隔离变压器建立新的中线-接地就可解除电网中共模干扰和其它中线的困扰，隔离变压器将三线△接线转换为四线Yo系统，加屏蔽就进一步免除了由变压器内部耦合的高频脉冲干扰和噪音，虽然有屏蔽的隔离变压器对各种N-G来的干扰(脉冲和高频噪声)能有效防止，但变压器必须正确妥善接地，十分严格，否则抗共模干扰将无效果。

三相交流电经过整流出来的直流电，其电压波形并不是平滑的直流电波形，而是带有很多交流的分量。这时候需要对这些交流分量进行处理，使波形尽量平滑，则需要用到直流输出电抗器。

直流电抗器，又称平波电抗器，主要用于变流器的直流侧，在通用变频器上有较多的应用。电抗器中有流过的具有交流分量的直流电流。主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并可以抑制变流装置产生的谐波

使用直流电抗器的主要目的是降低谐波干扰。由于在达到同样降低谐波水平时，采用直流电抗器比采用交流电抗器成本更低而损失的压降也较小。故越来越多的变频器通过内置直流电抗器，来实现日益受到重视的降低谐波的要求。

直流平波电抗器用于整流电路输出侧的滤波电路，因为通有直流电流成分，铁芯磁通工作在第一象限而出现偏磁。为了增大电感量，防止磁通饱和，直流平波电抗器都采用切开铁芯，并加有空气隙，使其磁滞回线横向加长，这在道理上有点像单端反激变压器的情况。这样在通有同样大小的电流时，B小，不易饱和。

直流电抗器可将功率因数提高到0.9以上，由于其体积较小，因此许多变频器已将直流电抗器直接安装在变频器内，直流电抗器除了提高功率因数外，还可削弱电源刚接通瞬间的冲击，如果同时配有交流电抗器和直流电抗器，则可将变频调速系统的功率因数提高到0.95以上。

整个升降压传输系统，在经过直流平波电抗器滤波后，应该可以直接供电给水泵变频控制器使用，但实际整个系统连接使用时，电网出线了谐振，导致变压器饱和，直流电压急速升高，末端变频器过压保护。

由于变频器属于非线性负荷，它从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，它既是一个谐波源，又是一个谐波接收者，作为谐波源，它对各种电气设备，自动装置、计算机、计量仪器以及通信系统均有不同程度的影响。对于供电线路来说，由于谐波的作用，恶化了电网质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命。其产生的主要危害有：

(1)增加了电网中发生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。

(2)增加附加损耗，输电及用电设备的效率和设备利用率。

(3)使电气设备(旋转电机、电容器、变压器等)运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。

(4)使测量和计量仪器、仪表、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作。

(5)干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。

(6)某些情况下，它不仅产生谐波，而且还引起供电电压波动和闪变，甚至引起三相电压不平衡，会危及电网安全经济运行，并影响电气设备的正常用电和周边用户。

因此要降低谐波的影响程度，可以采取各种措施，但对于变频器来说，主要是在其回路中加装交流电抗器。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：包括：

前端逆变模块，所述前端逆变模块用于将光伏输出的直流电逆变成交流电；

滤波模块，所述滤波模块用于优化输出的交流电波形；

变压模块，所述变压模块用于实现长距离高压输电；

高低频滤波模块，所述高低频滤波模块用于优化高压输电降压后的波形；

整流模块，所述整流模块用于将交流电整流呈直流电；

直流滤波模块，所述直流滤波模块用于输出干净的直流电至水泵控制端。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述前端逆变模块采用变频器做为逆变器，用于将不稳定的光伏输出的直流电逆变成频率及电压变化的交流电。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述滤波模块包括顺次连接的输出滤波器、一级滤波电抗器和二级滤波电抗器，所述输出滤波器抑制变频器产生的高次谐波，所述一级滤波电抗器用于滤除部分低频的干扰，所述二级滤波电抗器用于滤除另一部分低频干扰。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述变压模块包括升压变压器和降压变压器，所述升压变压器将380V升至10KV进行高压输电，所述降压变压器将10KV的高压电降至380V。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述高低频滤波模块包括高频滤波器和低频滤波电抗器，所述高频滤波器为安装在变频逆变器输出端的输出滤波器，所述低频滤波器为安装在变频器上的输出电抗器。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述整流模块为整流器，所述整流器的输入端连接隔离变压器，所述隔离变压器采用三相干式变压器。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏发电提灌离网升压降压传输控制系统，其特征在于：所述直流滤波模块为直流输出电抗器，用于滤除直流波形里的交流成分。

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