CN202444278U - 一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置，涉及太阳能光伏发电领域，该装置包括光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器、IPM驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块，还包括二倍压整流电路，二倍压整流电路接入降压变压器和三相逆变器之间，本实用新型具有以下优点：用二倍压整流电路取代了三相桥式整流电路，减少了对硬件器材的需求，但能够得到所需的稳定的光伏侧直流电压，节约了成本，且制造简单方便。

Description

一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏发电领域，特别是一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对电力的需求日益增大，而能源危机和环境污染的日益加重，促进了人类对新能源发电技术的研究。光伏发电技术具有的各种优势使其成为未来发电的主导方式之一，发展前景巨大，成为近年来研究的热点。

光伏发电装置是将变化的太阳能转换相对稳定的交流电并入电网供负载使用的功率变换装置。应用在太阳能并网发电的逆变器需要实现以下功能：1.输出低失真度的正弦波形，通过过零捕获电路，与电网同步可并入电网的电能；2.在太阳能电池成本较高的情况下，合理设计系统，提高工作可靠习惯，提高效率；3.具有反孤岛运行能力，在电网发生故障时能及时保护发电装置和电网的安全。

对光伏发电硬件平台的模拟是对光伏发电的研究和应用，并网型光伏型系统是光伏发电的方向，与孤立运行的太阳能光伏电站相比，具有以下优点：(1)光伏电池可以始终把其全部储能发送到电网(2)节省了蓄电池充放电过程中能量损耗(3)避免了处理废旧蓄电池带来的二次污染，实现真正的绿色能源。但是也存在不足，系统响应速度慢、系统有静差、跟踪精度低、效率低的缺陷。

目前的基于三相桥式整流电路的光伏并网发电装置硬件平台包括：光伏阵列模拟装置、三相桥式整流器、升压变压器、三相逆变器、输出滤波器、并网变压器、电压和电流检测模块、控制模块、IPM驱动、保护模块等，由于采用了三相桥式整流器，所需要的硬件器材较多，成本较高，且整流后直流侧的电压只有500-600v，并网电压达不到电网电压要求，要采用并网升压变压器才能满足电网电压要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置，减少对硬件器材的需求，节约成本，在不使用升压变压器的条件下，使并网电压满足电网电压的要求。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置，包括光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器、IPM驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块，其中光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器后接入电网，电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接，控制模块与IPM驱动及保护模块连接，IPM驱动及保护模块接入三相逆变器，其特征在于，还包括二倍压整流电路，二倍压整流电路接入降压变压器和三相逆变器之间。

所述二倍压整流电路中二极管的型号为DD98N25K。

二倍压整流电路由两个电容和两个二极管组成，节约了成本，且制造简单方便，很好的实现光伏侧直流侧电压的模拟。

与现有的装置相比，本实用新型具有以下优点：用二倍压整流电路取代了三相桥式整流电路，减少了对硬件器材的需求，节约了成本，且制造简单方便，采用二倍压整流电路后，直流侧的电压可升至700-800v，不需要采用升压变压器，逆变后的并网电压就可满足电网电压要求。

附图说明

图1为本实用新型一实施例基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置结构框图；

图2为本实用新型一实施例基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置电路原理图；

图3为本实用新型一实施例基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置控制原理图；

图4(a)为三相中A相并网电压电流波形；图4(b)为三相中A相并网电流频域图；

其中：

e₁：交流电源；C1、C2：储能电容；La、Lb、Lc：电抗器；C3、C4、C5：电容；K1：断路器；G1-G6：IGBT模块；R1、R2、R3：限流电阻；J1：继电器；u_a、u_b、u_c：电网电压；i_a、i_b、i_c：并网电流；UPV：光伏阵列电压；IPV：直流侧电流；

外环PI处理后电流值；TC：PWM载波周期；d_A、d_B、d_C：为占空比控制量。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一实施例包括光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器、IPM驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块，其中光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器后接入电网，电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接，控制模块与IPM驱动及保护模块连接，IPM驱动及保护模块接入三相逆变器，其特征在于，还包括二倍压整流电路，二倍压整流电路接入降压变压器和三相逆变器之间。

如图2所示，整流升压部分采用二倍压整流电路，二倍压整流电路既可以达到电压值升高至原来电压的二倍，还可以对电路进行整流。通过两个电容和两个二极管就可以实现上述功能，简单方便，节约了成本。e₂正半周(上正下负)时，二极管D₁导通，D₂截止，电流经过D₁对C₁充电，将电容C₁上的电压充到接近e₂的峰值，并基本保持不变。e₂为负半周(上负下正)时，二极管D₂导通，D₁截止。此时，C₁上的电压U_C1与电源电压的有效值E₂串联相加，电流经D₂对电容C₂充电，充电电压

如此反复充电，C₂上的电压就达到变压器副边电压的二倍，可以实现二倍压整流。其中有：

$\left.\begin{array}{c}{U}_{c1}=\sqrt{2}*E_2\\ U_{\mathrm{dc}}=U_{c2}=U_{c1}+\sqrt{2}*E_2=2*\sqrt{2}{*E}_2\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中电容的电容量和输出电流有关，输出电流越大，电容量就需要越大。该电容在此电路上主要是起储能的作用，应该根据所需的负载功率来选取电容的容量值。其中两个二极管的型号为DD98N25K。

图3是电压外环PI控制，电流内环无差拍控制框图。其实现的步骤如下：

1.检测三相逆变器直流侧电容电压U_dc，检测并网电流i_a、i_b、i_c，电网电压u_a、u_b、u_c；

2.直流侧电压稳定通过PI调节器实现，

工作过程如下所示：交流侧输出电流i升高，直流侧电容C放电，功率输出，则直流侧电压实时值U_dc下降，PI输入负偏差，基波有功电流指令反相，直流侧电容C充电，功率输入，则直流侧电压实时值U_dc上升，K_p和K_i分别为PI调节器的比例系数和积分系数，通过调节K_p和K_i的取值来实现直流侧电压的稳定，对三相电网A相进行分析，令参考值U_dc ^*与测量值U_dc的差值ΔU经PI调节器输出电流环参考量PI离散调节公式为：

$\mathrm{\ΔU}\left(k\right)=U_{\mathrm{dc}}^{*}\left(k\right)-U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)---\left(2\right)$

$I_a^{*}\left(k\right)=I_a^{*}(k-1)+(\mathrm{\ΔU}\left(k\right)-\mathrm{\ΔU}(k-1))*K_p+\mathrm{\ΔU}\left(k\right)*T_c/K_i---\left(3\right)$

3.外环PI计算结果乘上电网中A相的同步信号sinwt得到

减去电感电流第k次当前采样值i_a(k)，再与反馈系数K之积，其差值再乘以由逆变器本身参数所决定的量L_a/T_c，得出的值与电网电压U_S的前馈信号求和，再除以直流侧电压值U_dc的一半，得出调制波信号。调制波信号经PWM调制，驱动逆变器并联运行。其中同步角速度的获取过程为：相电压u_a经过过零检测回路测得电网的实际频率f，控制内部通过软件生成与电网同步的角速度wt，使其与电网保持同步角速度。L_a/T_c是一个比例系数，用A相中的电抗La除以PWM的载波周期得到。

系统运行的环路电压瞬时方程为：

$L_a\·\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=R_a\·i_a+U_{\mathrm{inv}}-u_a---\left(4\right)$

U_inv是逆变器未经过电抗器La的A相的相电压，R_a是线路中的电阻。将上式离散化，取di_a＝i_a(k+1)-i_a(k)，有：

$L_a\·\frac{i(k+1)-i\left(k\right)}{T_C}=U_{\mathrm{inv}}\left(k\right)-u_a\left(k\right)=d_A\·U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)/2-u_a\left(k\right)---\left(5\right)$

式中，d_A为开关管脉宽控制量，k为调制系数，L_s为逆变器滤波电感值，TC为PWM载波周期，

为外环PI计算结果和同步信号的乘积，i_a(k)为第k次当前采样值，为：

$d_A=\frac{2}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\·(u_a\left(k\right)+L_a\·\frac{i_a^{*}(k+1)-i_a\left(k\right)}{T_C})---\left(6\right)$

实际应用时，考虑计算误差，对d取一系数K(0＜K＜1)，即：

$d_A=\frac{2K}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\·(u_a\left(k\right)+L_a\·\frac{i_a^{*}(k+1)-i_a\left(k\right)}{T_C})---\left(7\right)$

同理有B、C两相的控制量的占空比为：

$\left.\begin{array}{c}{d}_B=\frac{2K}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\·(u_b\left(k\right)+L_b\·\frac{i_b^{*}(k+1)-i_b\left(k\right)}{T_C})\\ d_C=\frac{2K}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\·(u_c\left(k\right)+L_c\·\frac{i_c^{*}(k+1)-i_c\left(k\right)}{T_C})\end{array}\right\}---\left(8\right)$

4.通过上述得到的占空比，可得到IGBT的开关时间，控制器根据计算的时间来实时控制主电路开关元件IGBT的开通与关断，从而实现控制并网电流。

电压外环采用PI控制，电流内环采用无差拍控制其参数容易设计，控制精度高，控制响应速度快。

图4(a)是三相中A相并网电压电流波形，图4(b)是三相中A相并网电流频域图。从图4(a)中可以看出，电流内环采用无差拍控制算法0.08s以后系统达到稳定，稳定时，并网电流与电网电压几乎同相，实现了相位跟踪功能，使得系统具有较高的功率因数。而且仿真测量并网电流的总畸变率满足光伏系统并网电流总畸变率低于5％的要求。另外，从中可以图4(b)看出i_a几乎不含有高频毛刺，能够较好地实现三相光伏并网的要求。

Claims (2)

1.一种基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置，包括光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器、IPM驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块，其中光伏阵列模拟装置、降压变压器、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器后接入电网，电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接，控制模块与IPM驱动及保护模块连接，IPM驱动及保护模块接入三相逆变器，其特征在于，还包括二倍压整流电路，二倍压整流电路接入降压变压器和三相逆变器之间。

2.根据权利要求1所述的基于二倍压整流的模拟光伏并网发电装置，其特征在于，所述二倍压整流电路中二极管的型号为DD98N25K。

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