CN201829966U - 一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，其包含：能量转换模块；与能量转换模块的输出端电路连接的直流母线端；该直流母线端的输入端电路连接蓄电池；与直流母线端的输出端电路连接的并网逆变器；与并网逆变器的输出端电路连接的负载交流配电盘；与负载交流配电盘的输出端电路连接的自动开关，该自动开关与并网逆变器之间电路连接；以及，与自动开关的输出端电路连接的电网交流配电盘；该电网交流配电盘与并网逆变器电路连接。本实用新型的并网逆变器可在电网发生故障时控制并网逆变器与电网断开，独立对负载进行不间断供电，使系统具有承受电网故障的能力。

Description

一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统 

技术领域

本实用新型涉及一种新能源分布式发电系统，具体涉及一种能够在电网出现故障停电时具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统。 

背景技术

目前，随着传统能源的日益枯竭和人们对环境保护的逐渐重视，电力系统正面临着重大变革，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向。其中，光伏发电及风力发电以其独特的优点，被公认为技术含量高、最有发展前途的新能源发电技术。 

由于计算机网络技术、全球化通信技术和高精尖的精密加工工业的快速发展，对电源的要求越来越高，因此针对这类重要负载，交流不间断电源UPS得到了广泛的应用，其主要功能是对负载不间断地提供交流电，同时可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率，具有承受电网波动或扰动(波涌、跌落、谐波)、间断甚至短时停电的能力。 

在新能源分布式发电系统中，为了避免电网出现故障断电时对本地负载正常工作的影响，常规的方式为在系统中专门安装一台UPS电源，其系统配置如图1所示，该系统包含光伏阵列11、光伏逆变器12、USP整流器及逆变器13和蓄电池14。光伏阵列11的输出端连接光伏逆变器12，光伏逆变器12的输出端连接市电，市电还与USP整流器及逆变器13的输入端连接，USP整流器及逆变器13还与蓄电池14连接，USP整流器及逆变器13的输出连接负载。在USP整流器及逆变器13的输入端和输出端之间还设有旁路，该旁路上设有开关，该开关用于控制旁路的闭合与断开，以导通或短路USP整流器及逆变器13。 

在这个系统中，USP整流器及逆变器13和光伏逆变器12是两个相互独立的子系统。该系统的缺点如下： 

正常运行时，供给负载的电能需要通过光伏逆变器12和USP整流器及逆变器13的三个逆变器或整流器转换环节，整个系统结构复杂，成本较高，且效率较低；

光伏逆变器12不能脱离开市电运行，即当市电的交流电网出现故障断电时，光伏供电系统需要立即切除供电。也就是说，当电网出现故障时，光伏系统提供的能源不能得到有效利用，负载只能通过蓄电池提供的能量供电，但由于蓄电池的容量限制，一般持续时间为10～20分钟，可持续供电的能力差，影响负载的工作。 

实用新型内容

本实用新型提供一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，可实现对重要负载的不间断供电功能，具有承受电网波动或扰动、间断甚至短时停电的能力，同时整个系统结构简单，系统效率和可靠性非常高。 

为实现上述目的本实用新型提供一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，其特征是，该系统包含： 

能量转换模块； 

与该能量转换模块的输出端电路连接的直流母线端； 

与上述的直流母线端的输入端电路连接的蓄电池； 

与上述直流母线端的输出端电路连接的并网逆变器； 

与上述并网逆变器的输出端电路连接的负载交流配电盘； 

与上述负载交流配电盘的输出端电路连接的自动开关，该自动开关与并网逆变器之间电路连接；以及， 

与上述自动开关的输出端电路连接的电网交流配电盘；该电网交流配电盘与并网逆变器电路连接； 

上述负载交流配电盘的输出端还与外部的交流负载电路连接； 

上述电网交流配电盘还与外部的市电电网电路连接。 

上述并网逆变器包含： 

数模模数变换器，该数模模数变换器的输入端电路连接直流母线端； 

与上述数模模数变换器的输出端电路连接的桥式逆变器； 

与上述桥式逆变器的输出端电路连接的滤波器；该滤波器输出单相交流输出；以及， 

分别与上述数模模数变换器和桥式逆变器电路连接的检测控制主模块； 

上述检测控制主模块还分别电路连接自动开关和电网交流配电盘。 

上述能量转换模块采用太阳能发电装置或风力发电装置，将太阳能或风能转换为直流电能。 

电网正常工作时，并网逆变器控制自动开关闭合，并网逆变器与市电电网保持连接，能量转换模块将电能通过直流母线端传输至并网逆变器，并网逆变器通过负载交流配电盘将电能传输至负载，为负载提供电能，还将电能通过自动开关和电网交流配电盘输送至市电电网。 

当并网逆变器检测到市电电网非正常工作时，控制自动开关断开，使并网逆变器与电网断开连接，并网逆变器输出的电能只提供负载工作。 

当并网逆变器检测到电网恢复正常工作时，即控制自动开关闭合，并网逆变器恢复向电网提供电能。 

本实用新型一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统和现有技术的发电系统相比，其优点在于，本实用新型设有由并网逆变器电路控制的自动开关，可在电网发生故障时切断并网逆变器与电网的连接，由并网逆变器独立对负载进行不间断供电，使系统具有承受电网波动或扰动(波涌、跌落、谐波)、间断甚至短时停电的能力。 

本实用新型的能量转换模块采用太阳能发电装置或风力发电装置，由于引入了光伏或风力发电所提供的能量，使得在市电故障时，对负载的不间断供电持续时间得到较大提升，甚至可以做到长时间的不间断供电。整个系统结构简单、系统效率和可靠性非常高。 

附图说明

图1为现有技术传统配置UPS功能的分布式光伏发电系统示意图； 

图2为本实用新型一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统的总体模块图； 

图3为本实用新型一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统的并网逆变器的模块图； 

图4为本实用新型一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统的并网逆变器的电路原理图。 

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。 

如图2所示，本实用新型提供一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，该系统包含能量转换模块21、直流母线端22、蓄电池23、并网逆变器24、负载交流配电盘25、自动开关26和电网交流配电盘27。能量转换模块21采用太阳能发电装置或风力发电装置，例如太阳能电池方阵或风力发电机等，将太阳能或风能转化为直流的电能。能量转换模块21的输出端与直流母线端22的输入端电路连接。该直流母线端22的输入端还与蓄电池23电路连接，该蓄电池23用于系统的辅助供电，保证当能量转换模块21发生故障而无法持续供电时，系统仍能在大约十至二十分钟的短时间内持续向负载或市电电网提供电能。直流母线端22的输出端电路连接的并网逆变器24的输入端。并网逆变器24的输出端电路连接的负载交流配电盘25的输入端。负载交流配电盘25的输出端电路连接自动开关26和外部重要的交流负载3。自动开关26的输出端电路连接电网交流配电盘27，电网交流配电盘27的输出端电路连接交流的市电电网。 

并网逆变器24还与电网交流配电盘27电路连接，检测市电电网的电压频率、相位和幅值。并网逆变器24还与自动开关26电路连接，并网逆变器24向自动开关26发送开断信号，控制自动开关26断开或闭合。当并网逆变器24控制自动开关26断开时，并网逆变器24与市电电网之间断开，并网逆变器24输出的电能输送至外部重要的交流负载3；当并网逆变器24控制自动开关26闭合时，并网逆变器24与市电电网之间导通，并网逆变器24输出的电能输送至市电电网。 

如图3所示，为本实用新型并网发电系统的并网逆变器24的功能模块图。并网逆变器24是并网发电系统的核心部分，该并网逆变器24包含通过直流母线端22与能量转换模块21电路连接的数模模数变换器241，与该数模模数变换器241的输出端电路连接的桥式逆变器242，与该桥式逆变器242的输出端连接的滤波器243，以及分别与上述数模模数变换器241和桥式逆变器242电路连接的检测控制主模块244。滤波器243输出单相交流输出。并网逆变器24还包含与数模模数变换器241的输出端电路连接的辅助开关电源 电路245，该辅助开关电源电路245输出端电路连接检测控制主模块244。 

如图4所示，为本实用新型并网发电系统的并网逆变器24的电路原理图。数模模数变换器241采用BOOST斩波升压电路，其包含IGBT绝缘栅双极型晶体管S5、二极管D1、电容C1、电容C2和电感L1。电容C1连接数模模数变换器241的输入，电容C1的两端分别电路连接电感L1和S5的发射极；电感L1两端分别电路连接电容C1和S5的集电极；二极管D1的正极电路连接S5的集电极，其负极电路连接电容C2，电容C2的两端分别电路连接二极管D1的负极和S5的发射极，电容C2电路连接数模模数变换器241的输出。 

桥式逆变器242采用H桥式拓扑结构实现单相电能输出，其包含IGBT绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3和S4。S1的集电极电路连接二极管D1的负极和S2的集电极，发射极电路连接S3的集电极；S2的集电极电路连接二极管D1的负极和S1的集电极，发射极电路连接S4的集电极；S3的集电极电路连接S1的发射极，其发射极电路连接S5的发射极和S4的发射极；S4的集电极电路连接S2的发射极，发射极电路连接S3的发射极。S1的发射极和S2的发射极输出单相电能。 

滤波器243采用LCL滤波器，其对桥式逆变器242的输出进行滤波后输单相的交流输出。滤波器243包含电感L2、L3和电容C3。电感L2的一端分别连接S2的发射极，其另一端并联连接电感L3和电容C3；电感L3的一端电路连接电感L2和电容C3，其另一端连接滤波器243的输出；电容C3的一端电路连接电感L2和电感L3，其另一端电路连接S1的发射极和滤波器243的输出。 

检测控制主模块244采用DSP主控制电路，其芯片型号为TMS2812。其包含太阳能控制器MPPT、第一电压控制器2441、第一电流控制器2442、系统控制模块2443、第二电压控制器2444、电流指令生成模块2445、第二电流控制器2446、反孤岛控制模块2447和单相滤波器锁相环PLL。太阳能控制器MPPT的输入端分别电路连接数模模数变换器241的输入端、S5的集电极和系统控制模块2443的输出端。第一电压控制器2441的输入端连接太阳能控制器MPPT的输出端和数模模数变换器241的输入端，其输出端电路连接第一电流控制器2442的输入端。第一电流控制器2442输入端电路连接 第一电压控制器2441的输出端和S5的集电极，其输出端电路连接数模模数变换器241。系统控制模块2443的输出端还与自动开关26电路连接，以控制自动开关26的断开和闭合。 

太阳能控制器MPPT接收系统控制模块2443的使能信号、数模模数变换器241输入端的电压，以及S5集电极的电流，根据上述数据输出反馈电压。第一电压控制器2441接收太阳能控制器MPPT的反馈电压和数模模数变换器241输入端的电压，并根据上述信号输出调制信号至第一电流控制器2442。第一电流控制器2442接收S5集电极的电流和第一电压控制器2441的调制信号，并根据上述信号输出PWM脉冲宽度调制信号至数模模数变换器241，控制能量转换模块21输出的电压，以实现对能量转换模块21输出电压的提升及最大功率跟踪控制。 

单相滤波器锁相环PLL的输入端电路连接电网交流配电盘27，以检测市电电网电压的频率、相位和幅值，单相滤波器锁相环PLL输出两路信号，其一个输出端分别电路连接电流指令生成模块2445的输入端和反孤岛控制模块2447的输入端，单相滤波器锁相环PLL的另一输出端与系统控制模块2443的输入端电路连接。反孤岛控制模块2447的输出端电路连接电流指令生成模块2445的一个输入端，以及系统控制模块2443的一个输入端。电流指令生成模块2445的两个输入端，其中一输入端电路连接第二电压控制器2444的输出，另一输入端电路连接辅助开关电源电路245和反孤岛控制模块2447的输出，其输出端电路连接第二电流控制器2446。第二电压控制器2444的输入端电路连接辅助开关电源电路245和S1的集电极，其输出端电路连接电流指令生成模块2445。第二电流控制器2446的输入端连接电流指令生成模块2445的输出和S3的集电极，其输出电路连接桥式逆变器242。 

第二电压控制器2444接收桥式逆变器242输入端和辅助开关电源电路245的电压信号，并输出调制信号通过电流指令生成模块2445根据交、直轴电流生成交流相电流指令，并输送至第二电流控制器2446。第二电流控制器2446根据第二电压控制器2444的输出信号和桥式逆变器242输出端的输出电流，来输出PWM脉冲宽度调制信号至桥式逆变器242，来实现网侧有功、无功解耦控制，并实现单相电能输出。 

单相滤波器锁相环PLL通过电网交流配电盘27检测市电电网电压的频 率、相位和幅值，检测市电电网是否发生非正常工作，并发送信号至系统控制模块2443和反孤岛控制模块2447，反孤岛控制模块2447通过单相滤波器锁相环PLL的信号检测并网逆变器24孤岛状态，并发送输出信号至系统控制模块2443，由系统控制模块2443根据单相滤波器锁相环PLL和反孤岛控制模块2447的信号来控制自动开关26的断开和闭合，以控制并网逆变器24是否与市电电网连接。 

以下具体说明本实用新型的运作流程： 

能量转换模块21将风能或太阳能装换为直流的电能输入到并网逆变器24的直流母线端22，在市电电网正常时，并网逆变器24将直流的电能转化为单相的交流输出并输送到负载交流配电盘25，负载交流配电盘25将交流输出输送给重要的交流负载3，并通过闭合的自动开关26和电网交流配电盘27连接到市电电网。此时并网逆变器24的工作模式为电流源控制模式，在该模式下，并网逆变器24通过其第二电压控制器2444和第二电流控制器2446对桥式逆变器242的进行检测，采用PWM调制桥式逆变器242，实现对市电电网的有功、无功控制。并网逆变器24还通过第一电压控制器2441和第一电流控制器2442对数模模数变换器241进行检测，并采用PWM对数模模数变换器241进行调制，实现能量转换模块21发电的最大功率跟踪控制，以及提升系统得效率。 

当市电电网出现故障断电时，并网逆变器24通过反孤岛控制模块2447使变流器输出频率发生偏移，当频率超出正常频率范围时，此时，并网逆变器24的系统控制模块2443向自动开关26发送关断信号，使并网逆变器24输出与市电电网断开，防止电能输送到市电电网，并防止因故障事故或停电维修而电网跳脱时，分布式并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电电网。而使并网发电系统和负载3形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。同时，由于自动开关26断开，使电网与负载3断开，此时负载3由并网逆变器24的输出独立供电。 

在并网逆变器24对负载3独立供电时，其工作方式转换为电压型控制方式，此时蓄电池23不输出电能，全部由光伏电池或风电机组向负载3提供所需的能源，此时并网逆变器24封闭最大功率跟踪控制功能，并网逆变器24 的输出功率由负载3所需功率决定。 

并网逆变器24内通过单相滤波器锁相环PLL实时锁相检测市电电网电压的频率、相位和幅值，当检测到电网恢复正常，且电网电压相位与逆变器输出电压相位差小于7度时，单相滤波器锁相环PLL发出电网恢复信号，并网逆变器24的系统控制模块2443接收到单相滤波器锁相环PLL电网恢复信号后，向自动开关26发出闭合信号，使并网逆变器24与市电电网连接，恢复到并网供电的模式，并网逆变器24向市电电网提供电能。 

尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (3)

1.一种具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，其特征在于，该系统包含：

能量转换模块(21)；

与所述能量转换模块(21)的输出端电路连接的直流母线端(22)；

与所述的直流母线端(22)的输入端电路连接的蓄电池(23)；

与所述直流母线端(22)的输出端电路连接的并网逆变器(24)；

与所述并网逆变器(24)的输出端电路连接的负载交流配电盘(25)；

与所述负载交流配电盘(25)的输出端电路连接的自动开关(26)，该自动开关(26)与所述并网逆变器(24)之间电路连接；以及，

与所述自动开关(26)的输出端电路连接的电网交流配电盘(27)；该电网交流配电盘(27)与所述并网逆变器(24)电路连接；

所述负载交流配电盘(25)的输出端还与外部的交流负载电路连接(3)；

所述电网交流配电盘(27)还与外部的市电电网电路连接。

2.如权利要求1所述的具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，其特征在于，所述并网逆变器(24)包含：

数模模数变换器(241)，该数模模数变换器(241)的输入端电路连接直流母线端(22)；

与所述数模模数变换器(241)的输出端电路连接的桥式逆变器(242)；

与所述桥式逆变器(242)的输出端电路连接的滤波器(243)；该滤波器(243)输出单相交流输出；以及，

分别与所述数模模数变换器(241)和桥式逆变器(242)电路连接的检测控制主模块(244)；

所述检测控制主模块(244)分别还电路连接所述自动开关(26)和电网交流配电盘(27)。

3.如权利要求1所述的具有不间断电源功能的光伏风能并网发电系统，其特征在于，所述能量转换模块(21)采用太阳能发电装置或风力发电装置，将太阳能或风能转换为直流电能。 

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