CN201374568Y - 一种具有无功补偿功能的光伏并网系统 - Google Patents

一种具有无功补偿功能的光伏并网系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种具有无功补偿功能的光伏并网系统，属于太阳能光伏利用的技术领域。它主要由太阳电池光伏阵列[2]、DC/AC变换器[3]、交流电网[1]和控制器[4]构成，其特征在于：在交流电网[1]上接有串联的电容器[5]和电容器[6]，DC/AC变换器的交流输出侧与电容器[5]并联。利用太阳能电池阵列吸收日照能量，通过DC/AC变换器将其变换为交流电，然后通过电容器将能量馈送到电网。由于系统采用了电容器串联分压的并网结构，使得变换器交流侧的输出电压低，因此这种电容耦合的方式非常适用于光伏系统低电压的特点，由于电容器的损耗小，使得这种光伏并网系统具有并网损耗小、效率高的特点。此外，控制DC/AC变换器的输出电压可以控制电容器[6]两端的电压，从而可以动态调节并网系统的无功补偿功率。

Description

一种具有无功补偿功能的光伏并网系统
技术领域
本实用新型属于太阳能光伏利用技术领域，具体是一种采用电容器来连接交流电网与DC/AC逆变器的具有无功补偿功能的高效率光伏并网系统。
背景技术
太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远看，随着技术的进步，以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可以在2030之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。
光伏并网系统是发达国家家庭和商业最受欢迎的光伏系统。与地方电网连接，使得发出的富余电量都可出售给电网。夜晚则可从电网买电。现在，全世界大约60％的太阳电池用于并网发电系统，主要是用于城市建筑并网光伏系统。中国的建筑并网光伏系统尚处于示范阶段。预计2010年以前中国将会实施屋顶计划，安装太阳电池50MWp；2020年以前将会有更大规模的建筑并网光伏系统项目，累计装机容量将达到700MWp。预计到2010年建筑并网光伏系统的市场份额将占到17.6％，到2020年将占到39％。中国现有大约400亿m2的建筑面积，屋顶面积40亿m2，加上南立面，可利用面积大约为50亿m2，如果20％用来安装太阳电池，可以装100GWp。地方城市和企业也开始了建筑光伏发电并网技术的尝试，深圳市建成了当时亚洲最大的光伏并网发电站，总容量达1MWp。上海、北京、南京、无锡、保定、德州等城市也都启动了城市太阳能示范计划和行动。中国出现了城市光伏并网发电的雏形，光伏并网产业的潜力是无限的。
并网逆变器是光伏并网系统的核心部件和技术关键。传统的电压源型逆变器(VSI)要求直流侧的电压高于交流侧，而且并入电网电源的电压必须与电网相匹配。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，而在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。升压电路可以设计在并网逆变器的直流侧，也可以设计在逆变器的交流侧。如果升压电路设计在直流侧，即在光伏阵列和逆变器之间增加直流升压环节，则增加了系统的复杂性，且DC/DC直流升压电路会带来附加损耗。常规的中、小容量光伏并网逆变器一般有变压器升压并网和DC/DC高频升压逆变电路两种。变压器升压并网由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性，但是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差，并且增加了系统的体积，并且升压变压器效率低，价格也较贵。随着电力电子技术和微电子技术的发展。采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变。采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，但该电路的缺点是电路设计复杂，可靠性比变压器升压电路低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出光伏并网系统中适应光伏阵列输出电压低的结构简单的高效并网方式。为此，本设计模型运用电容升压耦合的创新方式实现光伏并网，由于电容的损耗很小，可以有效地提高并网系统的效率。同时采用电容耦合升压方式接入电网省去了笨重的升压变压器，减小了并网系统的体积，同时避免了DC/DC高频升压复杂电路设计，大大提高了并网系统的实用性。
本实用新型所采用的技术方案如下：一种具有无功补偿功能的光伏并网系统，主要包括交流电网[1]、太阳能光伏阵列[2]、DC/AC变换器[3]、控制器[4]，其特征在于：在交流电网上接有串联的电容器[5]和电容器[6]，DC/AC变换器的交流输出侧与电容器[5]并联。通过太阳能光伏阵列将太阳能转换为直流电，然后通过DC/AC变换器转换为交流电，由于中、小功率的光伏阵列输出直流电压较低，通过DC/AC变换器后输出的交流电压也比较低，DC/AC变换器后输出的交流电经电容器[5]分流后，另一部分电流通过耦合电容器[6]注入到电网，将能量馈送给电网。同时，控制DC/AC变换器的输出电压可以控制系统向电网发出的容性无功，从而实现对中小功率感性负载的动态无功补偿。这种并网方式结构简单，实现容易，电容器的工作频率低，其损耗很小，因此可以实现光伏并网系统的高效率运行。
附图1所示是具有无功补偿功能的光伏并网系统将光伏阵列输出能量馈送到电网的等效原理图。光伏阵列及DC/AC变换器可等效为一可控的交流电压源，在考虑光伏发电机理时，可把大电网看作无穷大系统。光伏阵列输出的电流经DC/AC变换器转换为交流电流I，此电流经电容器[5]分流后余下部分I2通过电容器[6]流入电网，从而将电功率馈送给电网。
附图2所示是具有无功补偿功能的光伏并网系统向电网输送无功功率的等效原理图。光伏阵列及DC/AC变换器可等效为一可控的交流电压源，输出与电网电压同相位的交流电压，使电容器[6]上的电容相应改变，从而改变并网系统对电网的无功补偿容量。
所述太阳能光伏阵列[2]与DC/AC变换器[3]之间可连接有DC/DC变换器[7]，使光伏并网系统在实现对光伏阵列的最大输出功率跟踪时能保持DC/AC变换器直流侧电压为恒定值。
所述DC/AC变换器[3]的直流侧可并联有用以储能的电容器或蓄电池。
本实用新型的技术效果在于：
1.利用太阳电池的光生伏打效应将光能转换为电能，将光伏阵列的输出能量通过DC/AC变换器变换成交流电后，通过电容器将光伏阵列输出的能量馈送给电网。这种并网方式结构简单、实现容易。
2.电容器[5]和电容器[6]串联后并入电网，使电容器[5]的电压较低，从而非常适用光伏阵列输出电压低的特点。
3.电容器的损耗很小，使得并网系统的效率高。
4.控制DC/AC变换器的输出电压可以控制电容器[6]两端的电压，从而动态调节并网系统的无功补偿功率。
附图说明
图1是具有无功补偿功能的光伏并网系统将光伏阵列输出能量馈送到电网的等效原理图；
图2是具有无功补偿功能的光伏并网系统向电网输送无功功率的等效原理图；
图3是带有DC/DC变换器的本实用新型系统结构示意图；
图4是具体实施实例结构图；
图5是控制器的控制流程图；
图6是三相电网具有无功补偿功能的光伏并网系统的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型系统作进一步说明。
如图4所示是本实用新型系统的一个实施例。它主要由交流供电电网[1]、太阳能光伏阵列[2]、DC/AC变换器[3]、控制器[4]等构成，太阳能光伏阵列的直流输出与DC/AC变换器的直流侧相连。本实用新型的特征在于：在交流电网上并联有相互串联的两电容器[5]和[6]，电容器[5]的两端并联在DC/AC变换器的交流侧。本实施实例中DC/AC变换器[3]由IGBT构成的单相全桥逆变电路和LC低通滤波电路构成，由电感和电容一起构成的LC低通滤波电路用以滤出IGBT高频开关动作引起的高频电压尖峰和电流冲击。控制器[4]以高性能数字信号处理芯片TMS320F2812为核心，辅以外围电路共同构成。太阳电池光伏阵列1采用三洋HIT高效率太阳能电池构成，将太阳能转换为电能；太阳能光伏阵列输出的直流电经过单相桥式逆变电路和LC低通滤波电路滤波后变为与电网电压同频率的正弦交流电，该交流电通过电容器[5]和电容器[6]将能量馈送给电网。同时，通过对此交流电压的控制可以控制并网系统对电网的无功补偿量。控制器[4]以TMS320F2812高性能DSP为控制核心，通过电压传感器和电流传感器分别对太阳能光伏阵列的输出电压、输出电流、DC/AC变换器的输出交流电压和交流电流、电容器[5]上的交流电压进行检测，经过信号调理电路后转变为抗干扰能力强的适合DSP采样的电压信号，DSP对这些信号进行A/D转换后进行分析处理。附图5是控制系统的控制流程图，首先DSP根据A/D采样结果进行分析，检测出是否有过电流、过电压等报警信息，在确定并网系统工作正常后开始进行闭环控制，如果交流电网需要进行动态无功功率补偿，则增加动态无功补偿的闭环控制，根据电网的无功需求进行控制。同时，为了最大程度地利用太阳能，控制系统设立了对太阳能光伏阵列输出功率的最大功率跟踪(MPPT)的闭环控制，其控制输出与无功补偿闭环控制的输出叠加后作为控制系统的总输出，通过脉宽调制(PWM)后由DSP的PWM引脚给出。PWM脉冲通过光电隔离后驱动单相桥式逆变电路中的IGBT，使其按预定规律开通和闭合，从而使DC/AC变换器输出预期的电压波形。控制系统中还设有孤岛效应检测程序，在光伏并网系统发生孤岛效应时停止光伏并网系统的输出，进行停机处理。TMS320F2812提供了键盘和液晶显示模块接口，可以方便地设置控制器的参数，同时显示光伏并网系统的运行状态，通过串行通信接口，DSP可以将并网系统的运行数据发送给计算机等，便于数据的集中处理和管理。
作为本实用新型的一种实施方式，可在太阳能光伏阵列[2]和DC/AC变换器[3]之间增设DC/DC变换器，在对太阳能光伏阵列进行最大功率跟踪时能保持DC/AC变换器直流侧电压保持不变。此时，DSP输出另外一组PWM脉冲来控制DC/DC中功率器件的通断来实现对光伏阵列的MPPT控制。
作为本实用新型的一种实施方式，DC/AC变换器采用三相逆变器，输出三相交流电压，通过三组电容器[5]和电容器[6]将能量馈送入三相电网中，三个电容器[5]可以接为星型，如附图6所示，也可以为三角形接线方式。三相的电容耦合式光伏并网可看成是三个单相电容耦合并网方式的组合。单相具有无功补偿功能的光伏并网系统可推广至多相应用。

Claims (3)

1、一种具有无功补偿功能的光伏并网系统，主要包括交流电网[1]、太阳能光伏阵列[2]、DC/AC变换器[3]、控制器[4]，其特征在于：在交流电网[1]上接有串联的电容器[5]和电容器[6]，DC/AC变换器的交流输出侧与电容器[5]并联。
2、根据权利要求1所述的具有无功补偿功能的光伏并网系统，其特征在于所述太阳能光伏阵列[2]与DC/AC变换器[3]之间连接有DC/DC变换器[7]。
3、根据权利要求1所述的具有无功补偿功能的光伏并网系统，其特征在于所述DC/AC变换器[3]的直流侧并联有用以储能的电容器或蓄电池。
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