CN202340124U - 小型智能双向自适应光伏并网发电系统 - Google Patents

小型智能双向自适应光伏并网发电系统 Download PDF

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孙秋野
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Abstract

一种小型智能双向自适应光伏并网发电系统，包括光伏电池板矩阵与汇流箱，汇流箱输出端连接有蓄电池控制器、逆变/整流一体化转换器和直流负载控制开关，蓄电池控制器、直流负载控制开关连接蓄电池组、本地直流负载，在转换器输出端接有交流负载控制开关和并网控制器，在交流负载控制开关输出端接有本地交流负载，各输出端接有转换模块，电压和电流采样转换模块接有信号调制电路，在信号调制电路的输出端接有DSP处理器，各控制端连接PWM接口。一种小型智能双向自适应光伏并网发电系统的控制方法，包括控制参数准备、运行光伏电池输出直流电的控制的子程序。优点是：可靠性好，安装、运行、维护方便，稳定性高，适用性强，光的用率高。

Description

小型智能双向自适应光伏并网发电系统
技术领域
本实用新型属于太阳能并网发电系统，特别涉及一种小型智能双向自适应光伏并网发电系统。
背景技术
随着经济和社会的发展,化石能源日趋紧缺和环保压力不断加大，各国都在积极探讨新能源、可再生能源，特别是太阳能。由于太阳能具有储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和逐渐显现的经济性等优势，使其成为人类最为理想的替代能源。因此，研究和开发太阳能发电已成为世界各国实现可持续发展的能源战略决策。近几年来，中国的新能源发电事业也得到了很快的发展。由于中国地域辽阔，海岸线长，拥有丰富的太阳能资源，大力发展太阳阳能发电技术及其相关的储能、电能传输等相关技术成为缓解现今能源危机的关键。
目前国内太阳能发电通常采用整流、逆变的离网型运行模式，系统的储能方式有抽水蓄能、蓄电池等方式。但是此类系统都具有输出功率对负载波动响应时间长，供电电能稳定性差的特点。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种小型智能双向自适应光伏并网发电系统，可兼容整流和逆变环节，以满足用户对发电系统可靠性的需求；同时，系统安装、运行、维护简单方便，稳定性高，适用性强，太阳能利用率高。
本实用新型的技术解决方案是：
小型智能双向自适应光伏并网发电系统，包括具有最大功率跟踪功能光伏电池板矩阵1，与光伏电池板矩阵1输出端连接的汇流箱2，其特殊之处是：在汇流箱2输出端连接有用来对蓄电池开关状态及蓄电池充、放电状态进行转换控制的蓄电池控制器3、逆变/整流一体化转换器7和直流负载控制开关5，所述的蓄电池控制器3、直流负载控制开关5分别连接蓄电池组4、本地直流负载6，在逆变整流一体化转换器7输出端分别接有交流负载控制开关8和并网控制器10，在交流负载控制开关8输出端接有本地交流负载9，在光伏电池板矩阵1的输出端、汇流箱2输出端、逆变/整流一体化转换器7输出端、并网控制器10与电网11的公共耦合节点接有对输出电压及电流信号进行采集的电压和电流采样转换模块12，所述的电压和电流采样转换模块12通过信号采集总线13接有信号调制电路14，在信号调制电路14的输出端接有DSP处理器15，蓄电池组控制器3、直流负载控制开关5、逆变整流一体化转换器7、交流负载控制开关8和并网控制器10的控制端分别连接至DSP处理器15的PWM接口，在DSP处理器15上还接有周围电路。
上述的逆变整流一体化转换器7是由逆变模式选择开关701、逆变器702、整流模式选择开关703和整流器704组成，逆变模式选择开关701和整流模式选择开关703根据DSP处理器发出的PWM波分别闭合，使逆变整流一体化转换器7处于逆变模式或整流模式。
上述的DSP处理器15周围电路是由接在DSP处理器15的地址端、数据端和电源接口的寄存模块16、通讯模块17和DSP电源模块18，所述的信号调制电路14、DSP处理器15及寄存模块16、通讯模块17和DSP电源模块18组成主控单元。
上述的DSP处理器的A/D接口还设有为系统提供不同的工作模式和工作参数指标的检测单元19，检测单元19通过模拟发电系统运行的环境，测量交流负载、直流负载和交流直流负载混合运行模式下的发电系统运行的状态参数，检测出发电系统的设定是否合理及判断发电系统是否能正常工作。
该发电系统由发电单元、逆变整流控制单元、检测单元、并网单元组成，兼容整流和逆变环节，能实现电能双向自适应功能，系统中的负载单元既可以由光伏电池板输出电能供电，又可以由电网供电，所提供的发电系统采用DSP对蓄电池充放电、直流负载、交流负载和并网进行有效控制，响应时间短，克服了控制指令执行滞后的缺点，大大提高了系统运行供电的稳定性稳定性和持续性，从而满足用户对风能发电系统可靠性的需求；同时，系统安装、运行、维护简单方便，太阳能利用率高。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构图；
图2是本实用新型中逆变整流一体化转换器的电路方框图；
图3是本实用新型的供电控制流程图。
具体实施方式
如图1所示， 该小型智能双向自适应光伏并网发电系统组成如下：具有最大功率跟踪功能光伏电池板矩阵1，与光伏电池板矩阵1输出端连接的汇流箱2，分别与汇流箱2输出端相连的蓄电池组控制器3、逆变/整流一体化转换器7、直流负载控制开关5，与蓄电池组控制器3相连的蓄电池组4，所述的蓄电池组控制器3用来对蓄电池开关状态及蓄电池充、放电状态进行转换控制；与直流负载控制开关5相连的本地直流负载6，分别接在逆变整流一体化转换器7输出端的交流负载控制开关8、本地交流负载9和具有孤岛检测功能的并网控制器1，用来对光伏电池板矩阵1的输出端、汇流箱2输出端、逆变/整流一体化转换器7输出端、并网控制器10与电网11的公共耦合节点进行输出电压及电流信号通过互感器进行采集的电压和电流采样转换模块12，所述的电压和电流采样转换模块12通过信号采集总线13与信号调制电路14的输入端相连，在信号调制电路14的输出端接有DSP处理器15，蓄电池组控制器3、直流负载控制开关5、逆变整流一体化转换器7、交流负载控制开关8和并网控制器10的控制端分别连至DSP处理器15的PWM接口，在DSP处理器15的地址端、数据端和电源接口分别接有由寄存模块16、通讯模块17和DSP电源模块18构成的周围电路，所述的DSP处理器15及信号调制电路14、寄存模块16、通讯模块17和DSP电源模块18组成主控单元。
其中光伏电池板矩阵1，蓄电池组控制器3、蓄电池组4组成发电单元。并网控制器10的输出端与电网11相连。
蓄电池组4中各蓄电池之间并联，蓄电池组4主要是将太阳能发电机组发出的多余电能进行储存，在电能紧缺的时候充当补充电源，平衡逆变器输入功率与光伏电池输出功率的功率差。
所述的并网控制器10由接入电网的三个断路器和可控整流电路组成。并网控制器10对孤岛状态进行准确快速的检测，并快速、有效的执行切除并网单元，实现对本地负载不间断供电和对电网冲击最小的目标。
主控单元中DSP处理器15采用型号为TMS320F2407A，信号调制电路14负责将采样得到的电压、电流信号进行滤波和放大处理，寄存器模块16主要储存系统运行状态参数，通讯模块17主要负责DSP处理器15与上位机之间的通讯，可实现远程控制；DSP处理器15主要是对接收到的数据进行运算和处理，产生PWM波对蓄电池组控制器3、逆变器整流一体化转换器7、直流负载控制开关5、交流负载控制开关8和并网控制器10进行驱动控制。
该发电系统还可配置与DSP处理器15相连的检测单元19，所述的检测单元19是一个一体化负载模拟箱，包括交流模拟负载和直流模拟负载，通过实际测量交流模拟负载、直流模拟负载和交流直流模拟负载混合运行模式下的发电系统运行的状态参数，检测出发电系统的设定是否合理及判断发电系统是否能正常工作，为系统提供不同的工作模式和工作参数指标。
如图2所示，所述的逆变整流一体化转换器7是由逆变工模式选择开关701、逆变器702、整流模式选择开关703和整流器704组成，逆变模式选择开关701和整流模式选择开关703根据DSP处理器发出的PWM波分别闭合，使逆变整流一体化转换器7作为逆变器或整流器，且处于逆变模式或整流模式。
该发电系统的控制过程如下：
1、控制参数准备
步骤1.1、开始
步骤1.2、接收数据并放入内存，所述的数据为设定周期内电压和电流采样转换模块12采集经DSP处理器15接收的A/D转换后的数据；
步骤1.3、对步骤1.2中的数据进行标度转换，换算成三相电压和三相电流的瞬时值                                                、
Figure 849821DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 891726DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 782322DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 392426DEST_PATH_IMAGE005
、；
步骤1.4、计算三相总瞬时有功功率p、总瞬时无功功率q、总瞬时视在功率s和功率因数
Figure 378016DEST_PATH_IMAGE007
;
                                            
Figure 811534DEST_PATH_IMAGE008
                                                     
                       
Figure 779490DEST_PATH_IMAGE009
                                
Figure 813305DEST_PATH_IMAGE010
式中：ui分别为、
Figure 981484DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 564912DEST_PATH_IMAGE003
，
步骤1.5、计算a、b、c各相瞬时有功功率
Figure 486732DEST_PATH_IMAGE012
、、，瞬时无功功率
Figure 540904DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 797573DEST_PATH_IMAGE016
、，瞬时视在功率
Figure 39384DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 331825DEST_PATH_IMAGE019
、Sc；
A相：
                                             
                                        
Figure 86472DEST_PATH_IMAGE021
                                             式中：iap=ia×cos
Figure 160869DEST_PATH_IMAGE022
B相：
                                             
Figure 539078DEST_PATH_IMAGE024
                                                      
式中：ibp=ib×cos
Figure 628443DEST_PATH_IMAGE022
Figure 895476DEST_PATH_IMAGE026
C相：
                                              
Figure 766480DEST_PATH_IMAGE027
                                                      
                                        
Figure 169779DEST_PATH_IMAGE028
式中：icp=ic×cos
Figure 428723DEST_PATH_IMAGE022
Figure 871467DEST_PATH_IMAGE029
式中
Figure 811742DEST_PATH_IMAGE030
   步骤1.6、按照步骤1.2至步骤1.6，计算出光伏电池板和交流负载配电线部分的总功率
Figure 256498DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 889605DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure 865651DEST_PATH_IMAGE033
Figure 817472DEST_PATH_IMAGE034
； 
步骤1.7、参数计算子程序结束；
2、发电及供电控制
步骤2.1：依据参数计算子程序的数据，计算直流负载端功率
Figure 460942DEST_PATH_IMAGE035
，交流负载端功率
Figure 733792DEST_PATH_IMAGE036
；
步骤2.2：判断光伏电池板矩阵1输出端功率
Figure 462714DEST_PATH_IMAGE037
是否大于直流负载端功率，如果是，则DSP处理器15发出PWM波驱动直流负载控制开关5，直接对本地直流负载6进行供电，执行步骤2.4；否则，执行步骤2.3；
步骤2.3：计算直流负载现所需电能
Figure 492035DEST_PATH_IMAGE039
，
——式中，
Figure 670207DEST_PATH_IMAGE040
为供电时间
判断现蓄电池储存能量
Figure 886425DEST_PATH_IMAGE041
是否大于
Figure 457345DEST_PATH_IMAGE042
，如果是，则DSP处理器15发出PWM波驱动蓄电池组工作，对本地直流负载6供电；否则，DSP处理器15发出PWM波给逆变整流一体化转换器7和驱动并网控制器10，并网控制器10闭合，逆变整流一体化转换器7转为整流模式，此时由电网补充系统能量缺口，直到直流负载所需要的电能
Figure 809829DEST_PATH_IMAGE042
等于发电系统所能提供的电能；
步骤2.4：判断（Pout-P）是否大于交流负载端功率
Figure 955640DEST_PATH_IMAGE043
，如果是，则DSP处理器15发出PWM波，逆变整流一体化转换器7为逆变工作模式，光伏电池矩阵1发出的直流电经变为交流电后，经交流负载控制开关8直接对本地交流负载9进行供电，执行步骤2.6；否则，执行步骤2.5；
步骤2.5：计算交流负载现所需电能
Figure 393575DEST_PATH_IMAGE044
，
——式中，
Figure 814192DEST_PATH_IMAGE040
为供电时间
判断现蓄电池储存能量是否大于
Figure 56003DEST_PATH_IMAGE045
，如果是，则DSP发出PWM波使蓄电池控制器3、交流负载控制开关8导通，逆变整流一体化转换器7为逆变工作模式，驱动蓄电池组4工作，对本地交流负载9供电；否则，DSP发出PWM波并网控制器10，并网控制器10闭合，此时由电网11补充系统能量缺口，直到交流负载所需要的电能
Figure 184496DEST_PATH_IMAGE045
等于发电系统所能提供的电能；
步骤2.6：计算Pleft=Pout-P-
Figure 408804DEST_PATH_IMAGE043
，判断
Figure 158716DEST_PATH_IMAGE046
是否等于0，如果不是，DSP处理器15发出PWM波使蓄电池控制器3闭合，光伏电池板矩阵1发出的直流电驱动蓄电池组4工作，进行蓄电池储能，然后执行步骤2.7；否则，则该流程结束。
步骤2.7：计算对蓄电池储能后的剩余电能，判断
Figure 443067DEST_PATH_IMAGE046
是否等于0，如果不是，通过DSP处理器发出PWM波使逆变整流一体化转换器进入到逆变模式，将光伏电池板输出的直流电能转换为工频交流电，输送到电网当中 ；否则，则该流程结束。

Claims (4)

1.一种小型智能双向自适应光伏并网发电系统，包括具有最大功率跟踪功能光伏电池板矩阵（1），与光伏电池板矩阵（1）输出端连接的汇流箱（2），其特征是：在汇流箱（2）输出端连接有用来对蓄电池开关状态及蓄电池充、放电状态进行转换控制的蓄电池控制器（3）、逆变/整流一体化转换器（7）和直流负载控制开关（5），所述的蓄电池控制器（3）、直流负载控制开关（5）分别连接蓄电池组（4）、本地直流负载（6），在逆变整流一体化转换器（7）输出端分别接有交流负载控制开关（8）和并网控制器（10），在交流负载控制开关（8）输出端接有本地交流负载（9），在光伏电池板矩阵（1）的输出端、汇流箱（2）输出端、逆变/整流一体化转换器（7）输出端、并网控制器（10）与电网（11）的公共耦合节点接有对输出电压及电流信号进行采集的电压和电流采样转换模块（12），所述的电压和电流采样转换模块（12）通过信号采集总线（13）接有信号调制电路（14），在信号调制电路（14）的输出端接有DSP处理器（15），蓄电池组控制器（3）、直流负载控制开关（5）、逆变整流一体化转换器（7）、交流负载控制开关（8）和并网控制器（10）的控制端分别连接至DSP处理器（15）的PWM接口，在DSP处理器（15）上还接有周围电路。
2.如权利要求1所述的小型智能双向自适应光伏并网发电系统，其特征是：所述的逆变整流一体化转换器（7）是由逆变模式选择开关（701）、逆变器（702）、整流模式选择开关（703）和整流器（704）组成，逆变模式选择开关（701）和整流模式选择开关（703）根据DSP处理器发出的PWM波分别闭合，使逆变整流一体化转换器（7）处于逆变模式或整流模式。
3.如权利要求1所述的小型智能双向自适应光伏并网发电系统，其特征是：所述的DSP处理器（15）周围电路是由接在DSP处理器（15）的地址端、数据端和电源接口的寄存模块（16）、通讯模块（17）和DSP电源模块（18），所述的信号调制电路（14）、DSP处理器（15）、寄存模块（16）、通讯模块（17）和DSP电源模块（18）组成主控单元。
4.如权利要求1所述的小型智能双向自适应光伏并网发电系统，其特征是：在DSP处理器（15）的A/D接口还设有为系统提供不同的工作模式和工作参数指标的检测单元（19）。
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