CN1658465A - 兼备无功与谐波补偿功能的光伏并网装置 - Google Patents

兼备无功与谐波补偿功能的光伏并网装置 Download PDF

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Abstract

兼备无功与谐波补偿功能的三相光伏并网装置属于多功能光伏并网装置技术领域其特征在于：该装置主功率电路由光伏阵列、并网逆变器、并网滤波电感构成。其逆变器部分结构可以有多种形式，两电平结构、三电平结构、带变压的三相母线电容分立链式结构、带变压的三相统一电容链式结构、不带变压器的链式结构。该装置在工作的时候，既能够向电网发送有功功率，又能够实时补偿电网中电流的无功和谐波成分。该发明提高了光伏发电中太阳能电池板利用率；同时解决了在光照条件不好的时段光伏发电系统的工作方式的问题，即系统不会闲置，而是用来补偿电网中的谐波和无功。

Description

兼备无功与谐波补偿功能的光伏并网装置
技术领域
本发明涉及一种多功能光伏并网装置的设计，属于多功能光伏并网装置技术领域。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭，21世纪世界能源将发生巨大的变革，以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性、复合型的能源结构。太阳能光伏发电属于清洁的可再生能源，发展光伏发电技术并使其得到广泛的应用对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要作用。在这样的前提下，太阳能光伏发电技术的发展和应用必将成为令世人所瞩目的焦点。
我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大市场，经过20多年的艰苦努力，光伏发电无论是在产业化方面还是在应用方面都取得了很大的进展，并且已经在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。根据原国家电力部制定的1996-2020年国家太阳能光电发展计划，到2020年我国太阳能光电总容量将达到300MWp，其中家用阳光能源为50MWp，并建成5座兆瓦级阳光电站。目前，我国太阳能光伏发电应用系统的商品化程度很低，实验室研究工作与国际先进的水平还有很大差距。太阳能光伏发电过去大多用于孤立的发电网络，白天发电，靠蓄电池储存，夜间使用。蓄电池损耗大、蓄电池处理困难(污染)，其特点还有：系统效率低、运行成本高、负载供电稳定性差。因此光伏发电的根本出路和前景在于并网，电网作为无穷大储存系统，吸纳太阳能光伏能量。
太阳能发电将成为一种重要的发电方式，但是目前太阳能电池的造价还没有降低到大规模应用的阶段，世界上多数光伏并网电站都是靠政府资助，发展缓慢。将光伏并网装置和静止补偿器(STATCOM)等电力装置的功能结合起来，有利于降低光伏电站的成本，使其能够提前推广应用。由于光伏并网逆变器的结构与目前广泛研究的STATCOM等电网谐波及无功补偿装置的非常接近，使得光伏并网装置既可以提供一定的有功功率，又可以在一定程度上实现STATCOM的功能补偿电网的谐波和无功。这样一套光伏并网装置就可以完成多项综合功能，间接降低了系统总成本，提高了性价比。本发明就是在这样的背景下提出了三相光伏并网装置的设计和控制方法。将多项功能集成：其中包括光伏阵列的最大功率点跟踪、补偿电网无功功率、补偿电流谐波和向电网输送有功功率。目前电网安全和经济运行，对STATCOM需求很大，尤其配电系统的D-STATCOM需求更大。和电容器并补相比，STATCOM使用电解电容器而不需要使用昂贵的无极性铝箔全膜电容，所需容量小，电容成本极低，既可以连续可调地发出或吸收无功。STATCOM还能提高电网输送能力，改善供电质量和波形，控制和影响潮流，提高功率因数等，实现节电的目的。
发明内容
本发明的首要目的是：针对目前光伏发电装置造价高，功能单一的缺点，提出兼备无功与谐波补偿功能和有功输出功能的光伏并网装置，提高光伏并网装置的性价比。推动光伏发电在中国的推广应用。
本发明的技术方案是：
兼备无功与谐波补偿功能和有功输出功能的光伏并网装置，其特征在于，光伏阵列提供直流电源给三相两电平逆变电路的直流侧，该三相两电平逆变电路的三个输出端分别串联电感，再串联三相断路器后分别接入电网的A、B、C三相，通过该光伏并网装置的控制电路生成控制信号来控制该三相两电平逆变电路。在电感与三相断路器之间，也可以串联三相变压器以适应不同的电网电压等级。
兼备无功与谐波补偿功能和有功输出功能光伏并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列，该至少一个光伏阵列提供直流电源给三相多电平逆变电路的直流侧，三相多电平逆变电路的三个输出端串联三相断路器后分别接入电网的A、B、C三相，通过该光伏并网装置的控制电路生成控制信号来控制该三相多电平逆变电路。
其中的三相多电平逆变器可以是三相三电平逆变器。或者以下所述的其他多电平逆变器。
1、带变压的三相母线电容分立链式结构：一个三相多绕组变压器，其原边绕组三相出线
串联一个三相断路器接入电网，其每相副边都有数量相等的至少两个绕组，每个副边绕组串联一个电感，或者使用变压器自身漏感，与一个H桥电路并联；每相所有的H桥电路的直流侧并联连接，每相所有的H桥共用同一电容和光伏阵列，三相共有三套电容和光伏阵列。
2、变压的三相统一电容链式结构：一个三相多绕组变压器，其原边绕组三相出线串联一个三相断路器接入电网，其每相副边都有数量相等的至少两个绕组，每个副边绕组串联一个电感，或者使用变压器自身漏感，与一个H桥电路并联；三相所有的H桥电路的直流侧并联连接，三相所有的H桥共用同一电容和光伏阵列。
3、不带变压器的链式结构：三相H桥电路串联组成的结构，每相由至少两个H桥串联组成，三相H桥串联电路各自的三个输出端连接起来，三相H桥串联电路各自的另一个输出端分别串联三个电感，再串联一个三相断路器接入电网；三相所有的H桥电路直流母线侧都分别拥有各自的光伏阵列和电容。
实验结果：图10显示本发明提出的两电平三相光伏并网装置发纯有功时三相电压电流波形THD小于0.5％，图11显示本装置发出感性无功时三相电压电流波形THD小于0.5％，图12显示本装置发出容性无功时三相电压电流波形THD小于0.5％，图13显示本装置投入电网时三相电网电流变化的动态过程，其响应时间小于0.5ms，并且过渡过程平稳可靠，优于传统的间接电流控制方法。
附图说明
图1是本发明提出的三相光伏并网装置的整体示意图(两电平结构)；
图2是图1中(100)，即两电平逆变桥的示意图；
图3是本发明提出的三相光伏并网装置的整体示意图(三电平结构)；
图4是图3中(200)，即三电平逆变桥的示意图；
图5是本发明提出的三相光伏并网装置的整体示意图(带变压的三相母线电容分立链式结构)；
图6是本发明提出的三相光伏并网装置的整体示意图(带变压的三相统一电容链式结构)；
图7是本发明提出的三相光伏并网装置的整体示意图(不带变压器的链式结构)；
图8是链式结构单元H桥的示意图；
图9是样机的结构组成图；
图10是本发明提出的三相光伏并网装置发出纯有功时三相电压电流波形图；
图11是本发明提出的三相光伏并网装置发出感性无功时三相电压电流波形图；
图12是本发明提出的三相光伏并网装置发出容性无功时三相电压电流波形图；
图13是本发明提出的三相光伏并网装置投入电网时三相电网电流变化图；
具体实施方式
实施例一
参见图9所示的三相光伏并网装置的整体示意图，其逆变器采用图1所示的三相两电平逆变桥。整个装置主要由光伏阵列(9)、逆变主功率电路器(800)、输出滤波电感(3)、DSP控制板(400)组成。构建一个25kVA，有功为15kW(光伏阵列峰值功率)的三相两电平光伏并网装置，如果并入三相380V配电网的话，光伏阵列(9)组成如下：
光伏阵列(9)峰值功率也为16.65kW，开路电压851V；
需要峰值功率75W，开路电压23V的太阳能电池222块；
采用37块串联成一列，然后将6列并联起来，形成实施例一所需要的光伏阵列。光伏阵列输出要串联一个50A、反向耐压1200V的肖特基二极管(8)，以防止异常情况下反向电流对光伏阵列的损伤。光伏阵列输出的储能元件采用两个4700uF、耐压500V的电解电容串联使用。输出滤波电感(3)将光伏并网装置的输出电流加以滤波，相当于一个可变电流源。电感的设计要考虑多方面的因素，输出有功电流的峰值为 I p = 16650 3 × 380 = 25.3 A , 电感量设计为2mH，此装置最大无功容量可以到20kVar。两电平逆变器的主桥路可以选用100A/1200V的IGBT6管集成模块(兼顾无功容量，如果单纯为有功容量可以，也可以使用6管集成的IPM。它们的区别主要在于IGBT模块本身没有驱动电路，需要用户在设计并网逆变器的时候自己设计六路PWM驱动电路或者购买某些厂家的驱动模块；IPM为智能功率模块，它将六路驱动电路已经集成在模块内部，不需要用户作多余的设计工作。IPM多家公司都有生产，例如可以选用FUJI公司：6MBP100RA120。需要注意的是设计电感的时候不要离饱和磁密点太近，这样电感的感值就不会随通过电感的电流变化而变化，即线性度好。
实施例二
根据实施例一的设计，参见图1所示的采用两电平拓扑的三相光伏并网(带变压器)装置的整体示意图。两电平拓扑三相光伏并网装置(带变压器)主要由光伏阵列(9)、两电平逆变器(100)、输出滤波电感(3)、并网变压器(11)、DSP控制板(400)组成。构建一个15kW(光伏阵列峰值功率)的三相光伏并网装置，如果使用变压器并入三相380V配电网的话，并且变压器原边接入电网，副边连接三相光伏并网装置输出滤波电感(3)，变比为2∶1。光伏阵列(9)组成如下：
光伏阵列(9)峰值功率也为17.1kW，开路电压437V；
需要峰值功率75W，开路电压23V的太阳能电池228块；
采用19块串联成一列，然后将12列并联起来，形成实施例一所需要的光伏阵列。光伏阵列输出要串联一个100A、反向耐压600V的肖特基二极管(8)，以防止异常情况下反向电流对光伏阵列的损伤。光伏阵列输出的储能元件采用一个4700uF、耐压500V的电解电容。最大无功容量为20kVar，兼顾无功容量，选择200A/600V的IGBT模块。通过变压器并网的好处是：
如果光伏并网装置出现故障，对电网的影响小；
输出滤波电感的感值可以减小至实施例一中的1/n2(n为变压器变比)电流只增加n倍，输出滤波电感的设计体积将会大大减小。
实施例三
多电平结构的光伏并网装置，适合使用于大容量的装置中，并入中高压的电网。图3显示了采用三相三电平逆变器的光伏并网装置。它含有：
一个三相桥(200)，由A、B、C三个单相桥臂并联构成，每个单相由四个带有反相二极管的IGBT单管串接构成，每个桥臂的串联中点作为三相的输出端，与上述各三相电感(3)串接；
母线电容器，它由两个电解电容(231)和(232)串接构成，该母线电容并接于上述三电平并网逆变器直流侧；
A相、B相、C相共三条嵌位二极管串联支路：(221)与(222)串联支路、(223)与(224)串联支路、(225)与(226)串联支路，上述每条支路由两个嵌位二极管串接构成，每条嵌位二极管支路的串联中点相连后再与上述母线电容的串接中点相连接，每条嵌位二极管支路的两端分别与每相IGBT桥臂的上、下半部分中点相连。三电平逆变桥的具体连接方式参见图4。
实施例四
多电平结构的光伏并网装置，适合使用于大容量的装置中，并入中高压的电网。图5显示了带变压的三相母线电容分立链式结构的三相光伏并网装置，它含有：
带变压器的分立电容链式结构并网逆变器(7)，它是一个三相逆变桥，每一相逆变桥由多个H桥(300)组成，每个H桥是由两条带有反相二极管的IGBT双管串接结构并联构成，两个串接中点作为输出端通过电感(3)与变压器(11)的副边输入端相连，每相所有的H桥其直流侧并联起来；
三个母线电容(305)、(306)、(307)，三相的电容分别与每相H桥直流侧并联；
三个光伏阵列，每相的光伏阵列(9)，分别与上述三个母线电容并联；
三个开关电源(13)，它们的输入端分别与上述三个母线电容并联，开关电源给功率开关的驱动电路提供电源；
一个三相多绕组变压器(11)，副边每个绕组分别与相应单个H桥的输出端相连；其中H桥电路参见图8。
实施例五
多电平结构的光伏并网装置，适合使用于大容量的装置中，并入中高压的电网。图6显示了带变压的三相统一电容链式结构的三相光伏并网装置，它含有：
带变压的三相统一电容链式结构并网逆变器，它是一个三相逆变桥，每一相逆变桥由多个H桥组成，每个H桥是由两条带有反相二极管的IGBT双管串接结构并联构成，两个串接中点作为输出端通过电感与变压器的副边输入端相连，三相所有的H桥其直流侧并联起来；
母线电容(308)，同一的电容分别与每相H桥直流侧并联；
一个光伏阵列(9)，它母线电容并联；
一个开关电源(13)，它的输入端与上述母线电容并联，开关电源给功率开关的驱动电路提供电源；
一个三相多绕组变压器(11)，副边每个绕组分别与相应单个H桥的输出端相连；其中H桥电路参见图8。
实施例六
多电平结构的光伏并网装置，适合使用于大容量的装置中，并入中高压的电网。图7显示了不带变压器的链式结构的三相光伏并网装置，它含有：
三相H桥电路(300)串联组成的结构，每相由至少两个H桥串联组成，三相H桥串联电路各自的三个输出端连接起来，三相H桥串联电路各自的另一个输出端分别串联三个电感(3)，再串联一个三相断路器(2)接入电网；三相所有的H桥电路直流母线侧都分别拥有各自的光伏阵列(9)和电容。
其中链式结构并网逆变器(300)的主要特征在于(图8)：由带有反并联二极管的IGBT单管(301)、(302)串联后中点X引出，(303)、(304)串联后中点Y引出，构成一个H桥电路。
为了满足功率开关驱动电路的电源需要，每个H桥的直流母线都作为本H桥电路所需开关电源(13)的直流输入侧。

Claims (8)

1、兼备无功与谐波补偿功能的光伏并网装置，其特征在于，光伏阵列提供直流电源给三相两电平逆变电路的直流侧，该三相两电平逆变电路的三个输出端分别串联电感，再串联三相断路器后分别接入电网的A、B、C三相，通过该光伏并网装置的控制电路生成控制信号来控制该三相两电平逆变电路。
2、根据权利要求1所述的光伏并网装置，在所述电感与所述三相断路器之间，串联三相变压器。
3、兼备无功与谐波补偿功能的光伏并网装置，其特征在于，包括至少一个光伏阵列，该至少一个光伏阵列提供直流电源给三相多电平逆变电路的直流侧，三相多电平逆变电路的三个输出端串联三相断路器后分别接入电网的A、B、C三相，通过该光伏并网装置的控制电路生成控制信号来控制该三相多电平逆变电路。
4、根据权利要求3所述的光伏并网装置，其中的三相多电平逆变电路是三相三电平逆变器。
5、根据权利要求4所述的光伏并网装置，在串联所述三相断路器之前，串联三相变压器。
6、根据权利要求3所述的光伏并网装置，其中的三相多电平逆变电路包括：一个三相多绕组变压器，其原边绕组的三相出线串联所述三相断路器接入电网，所述变压器每相副边都有数量相等的至少两个绕组，每个副边绕组串联电感，或者使用变压器自身漏感，与一个H桥电路并联；每相所有的H桥电路的直流侧并联连接，每相所有的H桥电路共用同一电容和所述光伏阵列，三相共有三套电容和所述光伏阵列，所述光伏阵列提供直流电源给三相多电平逆变电路的直流侧。
7、根据权利要求3所述的三相多电平结构光伏并网装置的硬件电路，其中的三相多电平逆变器包括：一个三相多绕组变压器，其原边绕组三相出线串联所述三相断路器接入电网，所述变压器每相副边都有数量相等的至少两个绕组，每个副边绕组串联一个电感，或者使用变压器自身漏感，与H桥电路并联；三相所有的H桥电路的直流侧并联连接，三相所有的H桥共用同一电容和所述光伏阵列，所述光伏阵列提供直流电源给三相多电平逆变电路的直流侧。
8、根据权利要求3所述的三相多电平结构光伏并网装置的硬件电路，其中的三相多电平逆变器包括：三相H桥电路串联组成的结构，每相由至少两个H桥串联组成，三相H桥串联电路各自的三个输出端连接起来，三相H桥串联电路各自的另一个输出端分别串联三个电感，再串联所述三相断路器接入电网；三相所有的H桥电路直流母线侧都分别拥有各自的所述光伏阵列和电容，所述光伏阵列提供直流电源给三相多电平逆变电路的直流侧。
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