CN201234143Y - 一种具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器，属于电气工程和太阳能光伏利用的技术领域。其基本特征为：利用太阳能电池阵列吸收日照能量，转换为电能并通过电力变换器转变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源电力滤波器将电能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器采用串联的形式，无源电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电压很低，因此光伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高了光伏并网发电的效率。此外，具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器可以同时起到混合有源电力滤波器的作用，可以电网无功进行补偿并抑制电网谐波，降低电网损耗并改善电能质量。该装置的优点在于结构简单、效率高并且一机多能。
Description
技术领域
本实用新型将高效光伏并网与混合有源电力滤波器结合为一体，属于电气工程的领域。
背景技术
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础。由于世界能源，传统石化能源越来越临近枯竭，保障能源和环境可持续发展，特别是保证一次能源的供给是我国面临的重大战略问题。可再生能源将逐步替代化石能源，成为人类可持续发展的能源。在可再生能源中，潜力最大的是太阳能。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式，具有无污染、可再生、不受区域限制等优势，也是我国重点提倡开发利用的绿色能源。我国太阳能资源相当丰富，全国各地的年太阳辐射总量为3340～8400MJ/m2，中值为58520MJ/m2。我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为147×108GWh，相当于4.9万亿吨标准煤。加上太阳能的洁净环保特性，太阳能资源成为我国最具大规模开发利用价值的可再生能源之一。
光伏并网系统是太阳能光伏利用的重要形式，占光伏系统应用的70％以上。由于太阳能光伏电池的成本高、价格昂贵，光伏并网系统的效率成为影响其推广应用的重要因素。光伏并网系统应用于较高电压交流电网时，由于太阳能光伏电池的输出电压比较低，通常需要采用升压电路，由此带来的功率损耗降低了整个光伏并网系统的效率。此外，由于太阳能具有很强的时间特性，晚上和阴雨天气时日照强度很弱，在这些时间内光伏并网系统通常得不到很好的利用。
另一方面，随着电子技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，采用各种电力电子装置的家用电器和办公设备得以广泛应用，引起电网谐波、闪变、三相不均衡、瞬间失电等一系列的电能质量问题，对电网的安全稳定运行构成严重威胁。近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。电能质量问题成为影响国计民生的重大问题。为了抑制电网谐波，提高电网供电质量，传统的方法是采用无源电力滤波器，利用电感和电容的谐振特性形成对特定谐波的陷波器，但无源电力滤波器存在一些固有的缺陷，如体积大、只能抑制固定频率的谐波电流，容易与电网阻抗发生串并联谐振等。有源电力滤波器能很好的克服无源电力滤波器的缺点，而单独使用的有源电力滤波器存在容量大、价格昂贵等缺点。混合型有源电力滤波器将无源电力滤波器和有源电力滤波器结合起来，采用无源电力滤波器承担主要的无功补偿和谐波抑制任务，使有源电力滤波器仅仅承受低电压、其容量也小很多。它兼具无源电力滤波器成本低廉和有源电力滤波器性能优越的优点，成为有源电力滤波器发展的主流方向。
由于电网非线性负载在时间上的间歇性，有时候电网无功和谐波负荷很重，负载电流畸变很厉害，这时候混合有源电力滤波器输出大功率的无功和谐波电流对其进行补偿，其容量得到了较好的利用，但在有些情况下电网的无功和谐波负荷比较轻，混合有源电力滤波器的输出功率很小，其利用率很低甚至闲置。
具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器将光伏并网装置与混合有源电力滤波器结合在一起，利用混合有源电力滤波器的逆变器输出电压低的特点，使得光伏并网系统无需升压电路而可以应用于高压电力系统，提高光伏并网系统的效率。同时利用光伏并网系统和混合有源电力滤波器在时间上的互补特性，提高装置的利用率。
实用新型内容
为了提高光伏并网系统的效率和利用率，将光伏并网系统与混合有源电力滤波器相结合。混合有源电力滤波器采用无源电力滤波器和有源电力滤波器串联后并联入电网的结构形式。太阳能光伏阵列通过防反二极管与混合有源滤波器的直流侧相连，太阳能光伏阵列吸收日照能量，转换为电能并通过逆变器转变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源电力滤波器将电能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器采用串联的形式，无源电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电压很低，因此光伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高了光伏并网发电的效率。此外，具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器可以同时起到混合有源电力滤波器的作用，输出无功和谐波电流，对电网无功进行补偿并抑制电网谐波，降低电网损耗并改善电能质量。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器，主要包括太阳能光伏阵列、防反二极管、电容器、逆变器、滤波电抗器、滤波电容器、无源电力滤波器等。其特征在于：利用太阳能电池阵列吸收日照能量，转换为电能并通过电力变换器转变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源电力滤波器将电能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器采用串联的形式，无源电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电压很低，因此光伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高了光伏并网发电的效率。本装置还可以起到混合有源电力滤波器的作用，在日照强度较弱或无日照的情况下，逆变器输出电网所需的无功和谐波补偿电流，经滤波电感和滤波电容构成的低通滤波器滤波后，通过无源电力滤波器对电网无功和谐波进行补偿，改善电能质量并降低电网损耗。
具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器在实现高效光伏并网功能时逆变器输出与电网同频率的交流电，参见图3，通过调节交流电的幅值及其与电网的相位差来控制装置的光伏发电功率和电网无功补偿功率。当具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器工作在谐波抑制状态时，其逆变器的输出为与各次谐波同频率的交流分量叠加总和，参见图4。当具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器既工作在高效光伏并网状态又补偿电网无功并抑制谐波时，其逆变器同时输出与电网同频率和各谐波分量同频率的交流电。
所述滤波电容器上可并联变压器进行电气隔离和电压电流参数匹配。
可省去所述滤波电容器，仅仅采用电抗器进行滤波。
本实用新型的技术效果在于：
1.利用混合有源电力滤波器的逆变器将光伏阵列输出的太阳能转换为与电网同频率的交流电，滤波后通过无源电力滤波器将能量输送给负载和电网。由于逆变器输出电压比较低，因此光伏阵列与逆变器之间无需升压变压器，因此可以提高光伏并网系统的效率。
2.具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器还兼具混合有源电力滤波器的作用，抑制电网谐波并补偿电网无功，从而改善电能质量，降低电网损耗。
3.具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的混合有源电力滤波器和光伏并网功能互补，在日照强度较弱时以混合有源滤波器功能为主，在日照强时以光伏并网功能为主，两种功能相辅相成，提高了装置的利用率。
附图说明
图1是具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的结构简图。
图2是具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的一个实施实例。
图3是带并联变压器的具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的结构简图。
图4是具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的光伏并网发电原理图。
图5是具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器的谐波补偿原理图。
图6是负载电流波形图
图7是电网供电电流波形图
具体实施方式
具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器主要由太阳能光伏阵列、防反二极管、电容器、逆变器、滤波电抗器、滤波电容器、无源电力滤波器等构成。根据不同的需求，具有多种实施方式，下面结合附图和实施例对本实用新型系统作进一步说明。
图2是本实用新型的一个实施例简图，太阳能电池阵列[1]采用多块三洋高性能HIT电池串并联而成，它将太阳能转换为直流电能；为了防止电流流入光伏阵列，在光伏阵列的输出侧串联了防反二极管[2]，电容器[3]采用电解电容器，逆变器[4]采用全桥逆变器结构，电力电子器件采用三菱智能功率模块(IPM)，采用无感电阻、无感电容和快恢复二极管构成逆变器的缓冲电路，逆变器的输出接电感[5]和电容[6]构成的低通滤波器。无源电力滤波器[7]采用5次单调谐滤波器和7次单调谐滤波器并联而成。系统控制器以DSP为核心，对光伏阵列输出电压uP和输出电流iP、逆变器输出经滤波后的电压uO和电流iO、负载电压uL和电流iL进行实时监测，分析计算后输出脉宽调制(PWM)信号，PWM信号经光电隔离驱动后控制逆变器中的电力电子器件的开通与关断，从而控制逆变器的输出电压和电流，达到光伏并网发电、谐波抑制和无功补偿的目的。图6和图7分别是本实施实例中的负载电流和电网供电电流的波形图。
Claims (2)
1、具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器，其特征在于：它包括：
一太阳能光伏阵列[1]，通过防反二极管[2]提供直流电给电容器[3]和逆变器[4]；
一电容器[3]，用以储存电能，稳定逆变器[4]直流侧电压；
一逆变器[4]，将直流电转换为交流电，其中一部分转换成与电网同频率的正弦交流电，将光伏阵列提供的能量馈送给电网[8]，另一部分转变为电网所需的基波无功和谐波；
一滤波电抗器[5]，与滤波电容器[6]共同构成低通滤波器，滤除逆变器中电力电子器件高频动作引起的高频谐波。
一无源电力滤波器[7]，采用电感、电容或者电阻构成，承受大部分的基波电压。
2、根据权利要求1所述的具有高效光伏并网功能的混合有源电力滤波器，在滤波电容器[6]并联变压器。
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| CN102097978A (zh) * | 2009-12-11 | 2011-06-15 | 杜邦太阳能有限公司 | 光伏系统及其升压转换器 |
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