CN115313470A - 一种光伏并网接入系统 - Google Patents

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郭玉杰
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Abstract

一种光伏并网接入系统，用于将分布式光伏发电系统接入公共电网，包括：光伏阵列；光伏逆变器；断路模块，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，用于检测电路异常及执行所述光伏并网接入系统自公共电网断路动作；无功吸收模块，用于所述光伏逆变器运行时的无功吸收，及抑制所述光伏逆变器的高次谐波干扰；复合保护电路，用于提升过电压异常的检测速度、避免所述断路模块误跳闸、以及孤岛效应辅助保护。本发明用极低的成本实现了孤岛辅助保护，解决了现有光伏漏电断路器误跳闸问题，实现了极高水平的过电压保护，改善了分布式光伏对电网电压无功的不利影响和光伏发电的出力波动性，弥补了瞬时遮挡的出力损失。

Description

一种光伏并网接入系统
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏并网接入系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，越来越多的含分布式电源的小型微网投入应用。孤岛效应保护对于含有分布式电源的末端电网不可或缺，光伏系统大量接入电网后存在孤岛保护不可靠、无功紊乱容易过电压等问题，如何适应含分布式电源的微网系统，是亟待解决的问题。另外，微网系统含有大量电力电子变流器，由于变流器设备的特殊要求以及对于供电系统扰动的敏感性，对于故障保护也有着特殊的需求。
电力电子器件对于过电压应力的承受能力较差，如果仅仅依靠变流器本身的保护，有时会有显著的局限性。部分单相微网实验系统遭遇零相开路过电压即发生变流器烧毁事故，此时只有进一步依靠外部设备，如并网接入设备，快速切除故障，才能可靠的保护变流器设备。分布式电源变流器均具备孤岛效应保护功能，但实际应用中，常常出现动作滞后的问题。如果借助外部电路，通过简单方式实现孤岛效应的辅助后备保护，则能进一步提升微网系统的安全性。
此外，分布式光伏接入后，由于传输功率的波动和分布式负荷的特性，使传输线各负荷节点处的电压偏高或偏低，导致电压偏差超过安全运行的技术指标，在大规模分布式光伏接入后，配电网局部节点存在静态电压偏移的问题。配网中尤其是低压网络对电压变化比较敏感。在初春或秋季晴天午后光伏发电出力高峰时，常常因负荷侧消纳较低造成低压配网电压严重偏高局面，对电能质量与供电安全带来极大挑战。
最后，光伏发电存在的负荷波动过于巨大的问题也制约着光伏发电的发展，储能系统成本高，如何对光伏发电的出力进行平滑，同时对频繁的阴影遮挡导致的瞬时出力下降进行短时补偿等问题的解决，将能最大化发挥光伏发电的效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏并网接入系统，以克服现有技术存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种光伏并网接入系统，用于将分布式光伏发电系统接入公共电网，包括：
光伏阵列，具有直流输出端，通过所述直流输出端输出直流电；
光伏逆变器，具有直流侧和交流侧；其中，所述直流侧与光伏阵列的直流输出端连接；所述交流侧与公共电网连接，所述交流侧包括相线和零相，所述交流侧的相线与公共电网的相线连接，所述交流侧的零相与公共电网的零线连接；
断路模块，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，用于检测电路异常及执行所述光伏并网接入系统自公共电网断路动作；
无功吸收模块，用于所述光伏逆变器运行时的无功吸收，及抑制所述光伏逆变器的高次谐波干扰，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，并且连接点设置在所述断路模块远离光伏逆变器的一侧；
复合保护电路，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，且连接点设置在所述断路模块与光伏逆变器之间，用于提升过电压异常的检测速度、避免所述断路模块误跳闸、以及孤岛效应辅助保护。
优选地，所述光伏阵列包括多个串联的完全相同的光伏组件；其中，每个所述光伏组件包括：
光伏电池；
遮挡弥补电路，与所述光伏电池并联，用于在所述光伏电池被遮挡时放电以弥补出力损失。
优选地，所述遮挡弥补电路包括：充电二极管、放电晶闸管、压敏电阻和法拉电容；其中，所述充电二极管与放电晶闸管反极性并联后，与所述法拉电容串联，所述压敏电阻接于放电晶闸管的阳极与门极之间。
优选地，所述断路模块包括：
漏电断路器，设置在所述光伏逆变器的交流侧相线和零相上，用于执行断路操作；
零序感应线圈，套设在所述光伏逆变器的交流侧相线和零相外部，用于检测不平衡电流；
脱扣器，两端分别与所述零序感应线圈和漏电断路器连接，用于当所述零序感应线圈检测到不平衡电流时，驱动所述漏电断路器断路。
优选地，所述断路模块还包括GPRS脱扣器，与所述漏电断路器连接，用于通过GPRS网络无线遥控驱动所述漏电断路器断路。
优选地，所述无功吸收模块用于实现高次谐波的完全抑制，并控制所述光伏逆变器在满负荷下的功率因数，以克服过电压问题，包括：
串联电抗器，串联接入所述光伏逆变器的交流侧零相；并联电容器，并联接入所述光伏逆变器的交流侧相线和零相之间。
优选地，所述串联电抗器的电抗率为20％-30％。
优选地，所述复合保护电路包括：负载电阻、限流电阻、谐振电容、平波电容、谐振电感、二极管、晶闸管和高压触发二极管；其中，所述限流电阻与高压触发二极管串联后两端分别与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接；所述谐振电感与谐振电容并联后，一端与所述光伏逆变器的交流侧相线连接，另一端与所述晶闸管的门极连接；所述负载电阻与二极管串联后，一端与所述晶闸管的门极连接，另一端与所述晶闸管的正极连接；所述负载电阻与二极管的串联中性点与所述光伏逆变器的交流侧零相连接；所述晶闸管的负极连接所述限流电阻和高压触发二极管的串联中性点。
优选地，所述谐振电感与谐振电容的谐振频率在52-58Hz之间。
优选地，所述高压触发二极管的UBO电压设定为略高于所述漏电断路器的跳闸设定电压峰值；
所述限流电阻选取的电阻值，使所述高压触发二极管导通后的电流不小于漏电断路器的动作电流。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的光伏并网接入系统，具有如下有益效果：
1.用极低的成本实现了孤岛辅助保护。本发明提出的技术方案，通过巧妙设置谐振回路，利用谐振回路在频率偏移下直接驱动漏电保护脱扣器跳闸，具有结构简单、可靠性高的特点，同时可在不使用任何芯片控制的条件下实现，这是现有技术所难以做到的；本发明还借助GPRS，当需要人工检修电网时，可以通过GPRS无线遥控跳开断路器，进一步提升安全性，防范光伏倒送导致的人身伤害。
2.解决了现有光伏漏电断路器误跳闸问题。电力电子设备由于大量采用的抗干扰对地电容，这些电容累积以后的容性漏电流，将很容易使漏电断路器误跳闸，本发明通过将谐振电路的谐振频点设置调整，使得对于50Hz工频略呈现感性，这就使得漏电断路器的零序感应线圈中有一个较小的感性补偿电流，就可以抵消容性漏电流，从而避免漏电断路器误跳闸的隐患。
3.实现了极高水平的过电压保护。现有技术的光伏过电压保护断路器，依托大量电子元件，可靠性与使用寿命一般，本发明仅仅只需一个高压触发二极管与电阻即可实现现有技术的全部保护功能，高压触发二极管作为可靠性极高的成熟无源器件，与采用大量有源检测电路设计的过电压保护装置相比，其可靠性的提升不可同日而语。
4.改善了分布式光伏对电网电压无功的不利影响。通过设置串联电抗器，实现光伏逆变器运行时的无功吸收，为末端电压高问题在无需改变光伏逆变器设置的基础上，提供有效的途径；串联电抗器也在吸收无功的同时，抑制光伏逆变器的高次谐波干扰问题。
5.改善了光伏发电的出力波动性，弥补了瞬时遮挡的出力损失。本发明利用法拉电容与光伏电池并联，并通过晶闸管电压控制，实现光伏电池被遮挡后，由法拉电容放电弥补出力损失，同时法拉电容放电时被遮挡的光伏电池输出电压被大幅降低，从而实现遮挡条件下的残余出力送出，避免被旁路二极管旁路浪费。
附图说明
图1为本发明的光伏并网接入系统的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种光伏并网接入系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如附图1所示，本实施例提供一种光伏并网接入系统，用于将分布式光伏发电系统安全地接入公共电网，包括：
光伏阵列4，用于将光能转换为直流电，由多个完全相同的光伏组件41串联构成，具有直流输出端，通过直流输出端输出直流电；其中，每个光伏组件41包括：光伏电池411，用于将光能转换为电能；遮挡弥补电路，与光伏电池411并联，用于在光伏电池411被遮挡时放电以弥补出力损失；该遮挡弥补电路包括：充电二极管412、放电晶闸管413、压敏电阻414和法拉电容415，其元件连接关系为：充电二极管412与放电晶闸管413反极性并联后，与法拉电容415串联，压敏电阻414接于放电晶闸管413的阳极与门极之间；其工作原理是：利用法拉电容415与光伏电池411并联，并通过放电晶闸管413电压控制，实现在光伏电池411被遮挡时，由法拉电容415放电弥补出力损失，同时法拉电容415放电时被遮挡的光伏电池411的输出电压被大幅降低，从而实现遮挡条件下的残余出力送出，法拉电容容量越大，遮挡条件下回收利用的光伏能量越大，通常建议为50F/A配置，避免被二极管旁路浪费；
光伏逆变器5，用于将光伏阵列4输出的直流电转换为交流电，具有直流侧和交流侧；其中，直流侧与光伏阵列4的各个光伏组件41的直流输出端连接；交流侧包括：相线L，与公共电网的相线连接；零相N，与公共电网的零线连接；
断路模块2，与相线L和零相N连接，用于将本实施例的光伏并网接入系统自公共电网断路，包括：漏电断路器21，设置在相线L和零相N上，用于执行断路操作；零序感应线圈24，套设在相线L和零相N外部，用于检测相线L和零相N的不平衡电流；脱扣器22，两端分别与零序感应线圈24和漏电断路器21连接，用于当零序感应线圈24检测到相线L和零相N的不平衡电流时，驱动漏电断路器21断路；GPRS脱扣器23，与漏电断路器21连接，用于通过GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务，是全球移动通信系统移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术)网络无线遥控驱动漏电断路器21断路；其工作原理是：零序感应线圈24套设在相线L和零相N外部，当其检测到相线L和零相N存在不平衡电流时，驱动脱扣器22跳开漏电断路器21，使本实施例的光伏并网接入系统自公共电网断路；此外，当需要人工检修电网或本实施例的光伏并网接入系统自公共电网断路的其他需要时，还可以手动通过GPRS网络，无线遥控GPRS脱扣器23跳开漏电断路器21，防止光伏倒送而导致人身伤害；
无功吸收模块1，用于光伏逆变器5运行时的无功吸收，及抑制光伏逆变器5的高次谐波干扰，与相线L和零相N连接，并且连接点设置在断路模块2远离光伏逆变器5的一侧；包括：串联电抗器L11，该电抗器按电抗率20％-30％设计，串联接入零相N；并联电容器C11，并联接入相线L和零相N之间；可实现高次谐波的完全抑制，并使光伏逆变器在满负荷下功率因数不高于0.9，从而克服过电压问题。其工作原理是：光伏逆变器5运行时，出力电流越大，并联电容器C11由于电压降低，无功出力越低，同时串联电抗器L11吸收的无功越多，光伏逆变器5的功率因数越低，从而起到调节公共电网末端电压的效果；并且，串联电抗器L11在吸收无功的同时，可以抑制光伏逆变器5的高次谐波干扰问题；通过设置串联电抗器L11与并联电容器C11，改善了分布式光伏发电系统对公共电网电压无功的不利影响，实现了在无需改变光伏逆变器5设置的情况解决公共电网末端电压高的问题；
复合保护电路3，与相线L和零相N连接，并且连接点设置在断路模块2与光伏逆变器5之间，用于提升过电压异常的检测速度、避免漏电断路器21误跳闸、以及通过频率检测技术实现孤岛效应的辅助保护；包括：负载电阻R31、限流电阻R32、谐振电容C31、平波电容C32、谐振电感L31、二极管D31、晶闸管SCR和高压触发二极管SIDAC；各元件连接关系为：限流电阻R32与高压触发二极管SIDAC串联后两端分别与相线L和零相N连接；谐振电感L31与谐振电容C31并联后，一端与相线L连接，另一端与晶闸管SCR的门极连接；负载电阻R31与二极管D31串联后，一端与晶闸管SCR的门极连接，另一端与晶闸管SCR的正极连接；负载电阻R31与二极管D31的串联中性点与零相N连接；晶闸管SCR的负极连接限流电阻R32和高压触发二极管SIDAC的串联中性点；元件参数为：谐振电感L31与谐振电容C31的谐振频率在52-58Hz之间；高压触发二极管SIDAC的UBO电压(动作阈值电压)设定为略高于漏电断路器21的跳闸设定电压峰值；限流电阻R选取的电阻值，使高压触发二极管SIDAC导通后的电流不小于漏电断路器21的动作电流。其工作原理为：1、高压触发二极管SIDAC是一种具备负阻特性的非线性二端器件，当两端所施加电压在UBO电压以下时其阻值极大，此时只产生微安级漏电流；而当两端施加电压超过开启电压以后，其迅速转为低阻导通状态，其通态电压(UT)非常低，只有1.5V左右，所以瞬间能通过较大的电流；其一旦导通便处于自锁状态，只有流过其本身的电流中断或小于维持电流时才会关断，其开通模式接近压敏电阻，关断模式接近晶闸管；利用其特殊伏安特性，可以设计过电压检测电路，高压触发二极管SIDAC的响应速度达到纳秒级，可以提升过电压异常的检测速度；只需要将UBO电压设定在略高于漏电断路器21的跳闸设定电压的峰值，就可保证高压触发二极管SIDAC在过电压异常发生后即刻导通，通过设定限流电阻R的值，使高压触发二极管SIDAC导通后的电流不小于漏电断路器21的动作电流即可；例如需要漏电断路器21在电网电压250V时跳闸，可选用K350型高压触发二极管，当公共电网电压升至250V时，峰值电压约353V，超过了K350型高压触发二极管350V的UBO电压，为保证漏电断路器21可靠动作，设动作电流I＝50mA，则R＝2.5KΩ。2、负载电阻R31两端的电压随着频率变化而变化，但当其回路Q值(Q值是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比)较大时，频率的小幅偏移就可使负载电阻R31两端电压大幅升高，负载电阻R31两端的电压通过二极管D31向平波电容C32充电，当负载电阻R31两端的电压高于晶闸管SCR门极触发电压后，数个周波的充电即可触发晶闸管SCR导通，致使漏电断路器21的零序互感器24感受到不平衡电流而动作跳闸，起到频率偏移的孤岛效应保护作用；但系统频率正常时，谐振电感L31与谐振电容C31组成的并联谐振电路的导纳很小，负载电阻R31两端的电压远低于晶闸管SCR的门极触发电压，晶闸管SCR不会误触发导通，当电网有瞬时的扰动如开关分合闸等，由于谐振电感L31与谐振电容C31元件的暂态过程，负载电阻R31两端可能出现较高的电压，但是由于平波电容C32的储能缓冲作用，不会因一两个周波的暂态电压误触发晶闸管SCR；电力电子设备由于大量采用的抗干扰对地电容，这些电容累积以后的容性漏电流，很容易导致漏电断路器21误跳闸，本实施例通过将谐振电感L31与谐振电容C31组成的并联谐振电路的谐振频点设置进行调整，使其对于50Hz工频略呈现感性，使得漏电断路器21的零序感应线圈中存在一个较小的感性补偿电流，就可以抵消容性漏电流，从而避免漏电断路器21误跳闸。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的光伏并网接入系统，通过设置谐振回路，利用谐振回路在频率偏移下直接驱动漏电保护脱扣器跳闸，具有结构简单、可靠性高的特点，同时可在不使用任何芯片控制的条件下实现，用极低的成本实现了孤岛辅助保护；当需要人工检修电网时，本发明还可以借助GPRS无线遥控跳开漏电断路器，进一步提升安全性，防范光伏倒送导致的人身伤害；通过调整谐振电路的谐振频点设置使得对于50Hz工频略呈现感性，漏电断路器的零序感应线圈中会产生一个较小的感性补偿电流，可以抵消容性漏电流，从而解决了现有技术的漏电断路器误跳闸的问题；本发明仅仅通过一个高压触发二极管与电阻即可实现现有技术的光伏发电过电压保护的全部保护功能，触发二极管作为可靠性极高的成熟无源器件，与现有技术的采用大量有源检测电路设计的过电压保护装置相比，极大提升了其可靠性与使用寿命；通过设置串联电抗器与并联电容器，实现了在无需改变光伏逆变器设置的情况解决公共电网末端电压高的问题，抑制光伏逆变器的高次谐波干扰问题，改善了分布式光伏发电系统对公共电网电压无功的不利影响；通过法拉电容与光伏电池并联，并通过晶闸管电压控制，实现了光伏电池被遮挡后，由法拉电容放电弥补出力损失，同时法拉电容放电时被遮挡的光伏电池输出电压被大幅降低，对光伏发电的出力进行平滑，改善了光伏发电的出力波动性，同时对频繁的阴影遮挡导致的瞬时出力下降进行了短时补偿，提高了光伏发电的效益。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光伏并网接入系统，用于将分布式光伏发电系统接入公共电网，其特征在于，包括：
光伏阵列，具有直流输出端，通过所述直流输出端输出直流电；
光伏逆变器，具有直流侧和交流侧；其中，所述直流侧与光伏阵列的直流输出端连接；所述交流侧与公共电网连接，所述交流侧包括相线和零相，所述交流侧的相线与公共电网的相线连接，所述交流侧的零相与公共电网的零线连接；
断路模块，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，用于检测电路异常及执行所述光伏并网接入系统自公共电网断路动作；
无功吸收模块，用于所述光伏逆变器运行时的无功吸收，及抑制所述光伏逆变器的高次谐波干扰，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，并且连接点设置在所述断路模块远离光伏逆变器的一侧；
复合保护电路，与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接，且连接点设置在所述断路模块与光伏逆变器之间，用于提升过电压异常的检测速度、避免所述断路模块误跳闸、以及孤岛效应辅助保护。
2.如权利要求1所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述光伏阵列包括多个串联的完全相同的光伏组件；其中，每个所述光伏组件包括：
光伏电池；
遮挡弥补电路，与所述光伏电池并联，用于在所述光伏电池被遮挡时放电以弥补出力损失。
3.如权利要求2所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述遮挡弥补电路包括：充电二极管、放电晶闸管、压敏电阻和法拉电容；其中，所述充电二极管与放电晶闸管反极性并联后，与所述法拉电容串联，所述压敏电阻接于放电晶闸管的阳极与门极之间。
4.如权利要求1所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述断路模块包括：
漏电断路器，设置在所述光伏逆变器的交流侧相线和零相上，用于执行断路操作；
零序感应线圈，套设在所述光伏逆变器的交流侧相线和零相外部，用于检测不平衡电流；
脱扣器，两端分别与所述零序感应线圈和漏电断路器连接，用于当所述零序感应线圈检测到不平衡电流时，驱动所述漏电断路器断路。
5.如权利要求4所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述断路模块还包括GPRS脱扣器，与所述漏电断路器连接，用于通过GPRS网络无线遥控驱动所述漏电断路器断路。
6.如权利要求1所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述无功吸收模块用于实现高次谐波的完全抑制，并控制所述光伏逆变器在满负荷下的功率因数，以克服过电压问题，包括：
串联电抗器，串联接入所述光伏逆变器的交流侧零相；并联电容器，并联接入所述光伏逆变器的交流侧相线和零相之间。
7.如权利要求6所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述串联电抗器的电抗率为20％-30％。
8.如权利要求1所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述复合保护电路包括：负载电阻、限流电阻、谐振电容、平波电容、谐振电感、二极管、晶闸管和高压触发二极管；其中，所述限流电阻与高压触发二极管串联后两端分别与所述光伏逆变器的交流侧相线和零相连接；所述谐振电感与谐振电容并联后，一端与所述光伏逆变器的交流侧相线连接，另一端与所述晶闸管的门极连接；所述负载电阻与二极管串联后，一端与所述晶闸管的门极连接，另一端与所述晶闸管的正极连接；所述负载电阻与二极管的串联中性点与所述光伏逆变器的交流侧零相连接；所述晶闸管的负极连接所述限流电阻和高压触发二极管的串联中性点。
9.如权利要求8所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述谐振电感与谐振电容的谐振频率在52-58Hz之间。
10.如权利要求8所述的光伏并网接入系统，其特征在于，
所述高压触发二极管的UBO电压设定为略高于所述漏电断路器的跳闸设定电压峰值；
所述限流电阻选取的电阻值，使所述高压触发二极管导通后的电流不小于漏电断路器的动作电流。
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