CN205509521U - 光伏发电系统电能质量综合调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了光伏发电系统电能质量综合调节装置，所述光伏发电系统电能质量综合调节装置设有一次侧部分和二次侧部分，所述一次侧部分设有四桥臂双电平逆变器、滤波电路及信号采集端，所述二次侧部分设有电源电路、测量电路及控制电路；所述电源电路电性连接于线缆、控制电路及测量电路，所述四桥臂双电平逆变器与控制电路电性连接，所述线缆处并联有空气开关，空气开关的输出端电性连接滤波电路，滤波电路电性连接于四桥臂双电平逆变器，所述信号采集端均电性连接于线缆、四桥臂双电平逆变器及滤波电路。本实用新型的有益效果是：其结构简单，能够大幅提高的质量，使得整个供电过程更加稳定，产品使用寿命长。

Description

光伏发电系统电能质量综合调节装置

技术领域

本实用新型涉及光伏发电系统电能质量综合调节装置。

背景技术

我国太阳能资源丰富，光伏发电关键技术日趋成熟，光伏发电规模也在大幅增长中。由于光伏发电本身的特性，其并入电网的电流经过逆变器将对电网造成谐波污染、功率因数影响等。特别在低压侧，三相四线制低压配电网（380V/220V）的用电负荷沿线分流，三相负荷不平衡严重，负荷率低、功率因数变化频繁，运行工作情况复杂，多年来一直存在无功补偿容量不足，无功补偿装置欠佳的随着高科技产业的发展，电力用户对电能质量的要求越来越高，给供电方提出很大的挑战。因此需要特定的装置对电能质量进行调节、如APF、SVG等。对于电能质量的调节问题，大多侧重于无功补偿功能，如D-STATCOM。对并联型补偿装置而论， TSR、TCR、TSC、SVC 等静止无功补偿装置在电力系统中已经得到了较为普遍的应用，对电能质量的改善和电力系统的稳定运行起到积极作用。

结合目前并联型补偿装置的功能，这类装置存在以下问题：

1、只能补偿无功功率，不能抑制谐波和平衡三相功率；

2、TSR、TSC 等晶闸管投切装置不能连续补偿，负荷波动较大时无法应用；

3、利用电容器进行无功补偿很容易引起系统谐振。

4、此类装置的补偿能力跟电压的平方成正比，在负荷较重或其它原因引起的系统电压降低的情况下，本需要补偿装置加大出力以维持电压，但它们的出力反而减小，不利于系统的稳定；

5、现有的D-STATCOM存在造价贵，某些结果不能应用于补偿零序电流、直流电压控制技术非常复杂，而且可控域小等问题；在参考电流提取方法上，现有的的提取方法其效果受电压谐波的影响较大。

6、目前对D-STATCOM 的控制大多采样空间矢量脉宽调制方法（SVPWM 方法），因为该方法控制效果好，电压利用率高。不过SVPWM方法的大部分计算都是在ab 0空间进行的，这样的算法存在以下问题：

1在判断参考向量V _{ref ab 0} 落在哪个分区的时候计算复杂，严重消耗CUP 的计算资源，难以适应实时性要求很高的系统；

2参考向量V _{ref ab 0}在分区边界附近时，由于计算误差，理论上V _{ref ab 0}所在的分区和实际计算出的位置可能不同，从而导致结果的不确定性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供光伏发电系统电能质量综合调节装置，其结构简单，能够大幅提高的质量，使得整个供电过程更加稳定，产品使用寿命长。

本实用新型所采用的技术方案是：

光伏发电系统电能质量综合调节装置，其用于光伏发电系统中，所述光伏发电系统有光伏系统侧与所述光伏发电系统电能质量综合调节装置通过线缆连接，所述线缆设有四条电缆，分别为A相、B相、C相及N相，所述光伏发电系统电能质量综合调节装置设有一次侧部分和二次侧部分，所述一次侧部分设有四桥臂双电平逆变器、滤波电路及信号采集端，所述二次侧部分设有电源电路、测量电路及控制电路；所述电源电路电性连接于线缆、控制电路及测量电路，所述四桥臂双电平逆变器与控制电路电性连接，所述线缆处并联有空气开关，空气开关的输出端电性连接滤波电路，滤波电路电性连接于四桥臂双电平逆变器，所述信号采集端均电性连接于线缆、四桥臂双电平逆变器及滤波电路。

滤波电路设有一端与空气开关的输出端电性连接的主接触器、一端与空气开关的输出端电性连接的涌流接触器、与涌流接触器另一端串联的防涌流电阻、均与主接触器另一端和防涌流电阻另一端电性连接的电抗器及均与电抗器、防涌流电阻和主接触器电性连接的滤波器。

信号采集端设有第一电流互感器、第二电流互感器、第一电压互感器及第二电压互感器；第一电流互感器串联在线缆中，且第一电流互感器与测量电路电性连接；第二电流互感器串联在电抗器与主接触器之间，且第二电流互感器串联在电抗器与防涌流电阻之间，所述第二电流互感器电性连接于测量电路；空气开关与接触器之间通过缆线连接，所述第一电压互感器并联在空气开关与主接触器的缆线上，且所述第一电压互感器电性连接于测量电路；四桥臂双电平逆变器设有IGBT模块及与IGBT模块并联的直流电容器，所述第二电压互感器并联在直流电容器。

电源电路均与线缆的A相和N相电性连接，或者电源电路均与线缆的B相和N相电性连接，或者电源电路均与线缆的C相和N相电性连接。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有避雷器，所述避雷器电性连接于空气开关与主接触器之间的缆线上。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有温度传感器，所述温度传感器电性连接于控制电路，所述温度传感器安装在IGBT模块处。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有风扇，所述风扇与控制电路电性连接。

本实用新型的有益效果是：其结构简单，能够大幅提高的质量，使得整个供电过程更加稳定，产品使用寿命长。

附图说明

图1是本实用新型原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型光伏发电系统电能质量综合调节装置，其用于光伏发电系统中，所述光伏发电系统有光伏系统侧与所述光伏发电系统电能质量综合调节装置通过线缆1连接，所述线缆1设有四条电缆，分别为A相、B相、C相及N相，其特征在于：所述光伏发电系统电能质量综合调节装置设有一次侧部分和二次侧部分，所述一次侧部分设有四桥臂双电平逆变器、滤波电路及信号采集端，所述二次侧部分设有电源电路2、测量电路4及控制电路3；所述电源电路2电性连接于线缆1、控制电路3及测量电路4，所述四桥臂双电平逆变器与控制电路3电性连接，所述线缆1处并联有空气开关7，空气开关7的输出端电性连接滤波电路，滤波电路电性连接于四桥臂双电平逆变器，所述信号采集端均电性连接于线缆1、四桥臂双电平逆变器及滤波电路。

滤波电路设有一端与空气开关7的输出端电性连接的主接触器8、一端与空气开关7的输出端电性连接的涌流接触器9、与涌流接触器9另一端串联的防涌流电阻10、均与主接触器8另一端和防涌流电阻10另一端电性连接的电抗器12及均与电抗器12、防涌流电阻10和主接触器8电性连接的滤波器11。

信号采集端设有第一电流互感器13、第二电流互感器16、第一电压互感器14及第二电压互感器15；第一电流互感器13串联在线缆1中，且第一电流互感器13与测量电路4电性连接；第二电流互感器16串联在电抗器12与主接触器8之间，且第二电流互感器16串联在电抗器12与防涌流电阻10之间，所述第二电流互感器电性连接于测量电路4；空气开关7与接触器之间通过缆线连接，所述第一电压互感器14并联在空气开关7与主接触器8的缆线上，且所述第一电压互感器14电性连接于测量电路4；四桥臂双电平逆变器设有IGBT模块5及与IGBT模块5并联的直流电容器6，所述第二电压互感器15并联在直流电容器6。

电源电路2均与线缆1的A相和N相电性连接，或者电源电路2均与线缆1的B相和N相电性连接，或者电源电路2均与线缆1的C相和N相电性连接。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有避雷器17，所述避雷器17电性连接于空气开关7与主接触器8之间的缆线上。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有温度传感器，所述温度传感器电性连接于控制电路3，所述温度传感器安装在IGBT模块5处。

所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有风扇，所述风扇与控制电路3电性连接。

本实用新型对以下方面进行改进。

1、参考电流提取方法的改进：在D-STATCOM 的研究过程中，参考电流的提取方法有很多种，较常用的一种是基于a - b 坐标变换的瞬时功率方法，该方法物理意义清晰，不过其效果受电压谐波的影响较大。本申请方案在研究过程中设计出一种直接在a - b - c坐标下计算系统参考电流的方法，该方法具有如下优点：1其效果不受电压谐波的影响；2应用该方法计算得出的系统三相参考电流是完全平衡对称的；3应用该方法可以不用精确测定三相电压的相序，只需保证装置内部各处相序一致即可。这使得安装调试十分方便，对现实应用具有非常重要的意义；4不需要坐标变换，计算简单。

2、直接PWM算法的设计：本方案在研究过程中提出了一种基于abc空间直接求解a、b、c、n各相上桥臂导通时间 t^’ ₁、t^’ ₂、t^’ ₃、t^’ ₄的新算法。可以证明该直接PWM 方法与SVPWM 方法的效果等价，但其计算量远小于SVPWM 方法，因为它直接在abc坐标下完成，不需要坐标变换，这有利于PWM 方法在数字控制系统下实现。

3、控制算法的设计：整个系统的控制算法由DSP 芯片执行相应的控制程序来实现。程序的主流程包括三个部分：初始化、开机过程和运行过程。初始化程序包括对DSP 自身硬件资源的初始化和对用户自定义数据空间的初始化。开机过程主要是与外界交互，按照开机逻辑将装置启动的过程。运行过程中主要完成两件工作，第一，响应中断，完成对装置的控制，实现补偿目标；第二，故障处理，在装置运行出现异常的时候，及时做出反应，以保障装置和电力系统安全。

四个中断处理程序是控制系统的核心，它们分别是外部中断程序、时钟中断程序、捕获中断程序和模数转换中断程序。四个中断程序协同工作，完成采样、同步、计算、PWM 信号发生等工作，实现对光伏发电系统电能质量综合调节装置的数字控制。

故障处理程序主要针对IGBT 过流、交流电压越限、直流电压越限、温度过高、负荷太小（比如负荷电流小于10A）等情况进行处理，在发生这几种现象时封锁IGBT 的驱动脉冲，等到工况恢复正常以后再重新将光伏发电。

各个模块介绍

1、直流电容器：由于中线电流由第四桥臂补偿，造成电容电压波动的主要原因是负序电流导致的2 倍频的波动，因此经过公式验证及据电容器产品规格，由3 个6800uF/400V 的电容器串联组成，实际容量为2267uF。

2、直流电容电压平衡电路：由于采用了电容器组，各电容器上的电压需要均衡，采用电阻均衡的方法，选取的电阻阻值要远小于电解电容的漏电阻。如果阻值大于漏电阻，漏电阻对分压将起主要作用，有可能造成电容分压不均，造成某个电容因过压被击穿。同时，为了减小变频器带电源时电阻的热损耗，电阻阻值也不能太小。综合考虑，分压电阻一般选取在50k~100k 欧姆左右。具体的参数应当由所选电容器的参数计算得出，但是一般情况下，电容器的漏电阻应当是兆欧数量级的，因此选用51 千欧的电阻是恰当的，此时，在额定直流电压下的功耗大约为4.82W，放大以后，可以选取51 千欧/5W 的电阻，与电容器组进行并联联接。

3、直流电容放电回路：由于要求直流电容放电需要一定的放电速度，对于交流投切电容器，一般是在1 分钟之内需要放到50V 以下，也就是RC 回路时间常数大约为15 秒，但这样的放电速度对光伏发电系统电能质量综合调节装置来说太慢了一些，建议选取RC回路时间常数大约为6秒，此时可以计算出所需电阻大小约为：6/0.0067=896 欧，取1 千欧，额定直流电压下最大功率约为：700*700/1000=490W，放大为500W。

此外需要一个常闭的继电器，参数应为，耐压不小于1400V，电流不小于最大电流的2 倍，即大于2*1400/1000=2.8A，可放大取3A。最终的电路设计，采用接触器的常闭辅助触点，这样的优点是，在装置停止运行后，主接触器断开的同时，马上对直流电容器进行自动放电，可以避免危险的存在。

4、涌流抑制回路：电源投入瞬间对平波电容充电的电流很大，具有很高的di/dt。为了限制充电电流，保证电网不受影响，同时保护逆变器开关元件，可在充电时串入电阻，等直流电压到设定值后，充电电流变小，电源可以直接对电容充电，此时再将电阻短路。涌流抑制电路由电阻和开关元件并联组成。

5、IGBT模块的选择：通过综合考虑电压和电流的大小，四个桥臂IGBT模块可选为：200A/1200V的模块。

6、温度保护电路：由于IGBT模块通过电流的能力与温度的关系密切，当其内核温度超过125℃时，将导IGBT模块烧毁，因此必须监IGBT模块的运行温度，IGBT模块进行温度保护。IGBT模块的产品资料介绍，IGBT模块的内核温度与外壳温度间一般相差40℃，再考虑一定的裕量，因此使用3个70℃的温控开关装在4 个IGBT 中间，温控开关为温度传感器，温控开关为常开触电，3个并联连接，只要有一个监测到温度过高，就会给出故障信号到控制电路，由控制电路控制装置停止运行。

7、电抗器：通过综合考虑设备的输出容量和谐波抑制能力，联接电感选为0.6mH。

8、无源滤波器：滤波器为无源滤波器，无源滤波器的作用有两点，一是滤除光伏发电系统电能质量综合调节装置发出的开关频率的谐波，防止污染电网；二是抑制尖峰电压，提高光伏发电系统电能质量综合调节装置的抗干扰能力，同时防止损坏光伏发电系统电能质量综合调节装置。尖峰电压可能来自系统，也可能是由于突然开关所引起的瞬时电压。现在采用的是一阶阻容滤波与联结电抗器配合组成无源滤波器，参数由仿真确定，并通过多次实验的检验和调整，主要是在保证滤除开关频率谐波的同时，不引起系统谐振。现在采用的参数为，电容30uF，电阻0.2 欧姆，50 瓦。

9、避雷器：避雷器的选择原则参照变频器产品中避雷器的选择。较大的冲击电压由压敏电阻和气隙放电管吸收。当较大的冲击电压进来后，电压加在气隙放电管两端，使得气隙放电管放电，这时压敏电阻两端的电压增大，压敏电阻的阻值变小，将冲击电压引到地线吸收。同样是要根据标准来选用压敏电阻和气隙放电管。压敏电阻和气隙放电管的选择由严酷度等级等来决定，现在变频器使用的压敏电阻为470Ω，气隙放电管为3600V。

10、风扇：风扇的选择要考虑到出风量、风压、风扇的使用寿命等因素。根据散热要求以及实际箱柜体设计来选择风扇，并设计合适的风道。

11、主接触器：选用220V，>45A，中线不装接触器。

12、空气开关：220V，>45A，中线不装空气开关。

本实用新型以下功能

1、抑制电流谐波：光伏发电系统电能质量综合调节装置可以通过补偿负荷电流中各主要谐波，使得配电网清洁高效，满足国标对配电网谐波的要求。在瞬时有功无功理论的基础上，自主创新的参考电流计算方法保证了良好的谐波补偿效果。

2、连续、动态地补偿无功功率：为了克服投切式电容器不能连续补偿的弱点，所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置具备连续补偿能力，且补偿容量准确可控，不因接入点电压的降低而降低。同时，所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置不仅能补偿感性无功，还具备补偿容性无功的能力。

3、补偿负荷三相不平衡：所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置能够在负荷三相不平衡时，将三相功率重新分配，从而使得补偿后的装置－负荷联合体呈现对称平衡负荷特性，减小中线电流，降低损耗，避免因三相不平衡而可能引起的事故。

4、多种控制方式：所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置可以根据不同的现场要求灵活设定不同的控制方式，最终达到不同的补偿效果，例如三相负荷平衡、功率因数校正、谐波抑制等，也就是说，前述功能可以根据负荷状况及用户需求进行订制，并不是每台装置都必须包括上述所有功能。

5、综测功能：所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置带有存储器，可以保存电网的主要参数，并通过自带的通信接口传送给电力用户，方便统计和管理。

6、多种保护功能：所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置具备过流、过压、温度、雷击等多种保护功能，以确保装置和电力系统安全运行。

7、可扩展性：所研制的光伏发电系统电能质量综合调节装置在现有的基础上还可以根据市场需求进行功能扩展，比如针对室内应用的装置可以扩展带液晶显示的监测、控制台，便于工作人员实地查看装置运行情况；在通讯网络畅通的情况下，还可以扩展为远程控制。

本实用新型的有益效果是：其结构简单，能够大幅提高的质量，使得整个供电过程更加稳定，产品使用寿命长。

Claims (7)

1.光伏发电系统电能质量综合调节装置，其用于光伏发电系统中，所述光伏发电系统有光伏系统侧与所述光伏发电系统电能质量综合调节装置通过线缆（1）连接，所述线缆（1）设有四条电缆，分别为A相、B相、C相及N相，其特征在于：所述光伏发电系统电能质量综合调节装置设有一次侧部分和二次侧部分，所述一次侧部分设有四桥臂双电平逆变器、滤波电路及信号采集端，所述二次侧部分设有电源电路（2）、测量电路（4）及控制电路（3）；所述电源电路（2）电性连接于线缆（1）、控制电路（3）及测量电路（4），所述四桥臂双电平逆变器与控制电路（3）电性连接，所述线缆（1）处并联有空气开关（7），空气开关（7）的输出端电性连接滤波电路，滤波电路电性连接于四桥臂双电平逆变器，所述信号采集端均电性连接于线缆（1）、四桥臂双电平逆变器及滤波电路。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：滤波电路设有一端与空气开关（7）的输出端电性连接的主接触器（8）、一端与空气开关（7）的输出端电性连接的涌流接触器（9）、与涌流接触器（9）另一端串联的防涌流电阻（10）、均与主接触器（8）另一端和防涌流电阻（10）另一端电性连接的电抗器（12）及均与电抗器（12）、防涌流电阻（10）和主接触器（8）电性连接的滤波器（11）。

3.根据权利要求2所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：信号采集端设有第一电流互感器（13）、第二电流互感器（16）、第一电压互感器（14）及第二电压互感器（15）；第一电流互感器（13）串联在线缆（1）中，且第一电流互感器（13）与测量电路（4）电性连接；第二电流互感器（16）串联在电抗器（12）与主接触器（8）之间，且第二电流互感器（16）串联在电抗器（12）与防涌流电阻（10）之间，所述第二电流互感器（16）电性连接于测量电路（4）；空气开关（7）与接触器之间通过缆线连接，所述第一电压互感器（14）并联在空气开关（7）与主接触器（8）的缆线上，且所述第一电压互感器（14）电性连接于测量电路（4）；四桥臂双电平逆变器设有IGBT模块（5）及与IGBT模块（5）并联的直流电容器（6），所述第二电压互感器（15）并联在直流电容器（6）。

4.根据权利要求1所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：电源电路（2）电极的一端与线缆（1）的N相电性连接，所述电源电路（2）电极的另一端与所述线缆（1）的A相或B相或C相电性连接。

5.根据权利要求3所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有避雷器（17），所述避雷器（17）电性连接于空气开关（7）与主接触器（8）之间的缆线上。

6.根据权利要求3所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有温度传感器，所述温度传感器电性连接于控制电路（3），所述温度传感器安装在IGBT模块（5）处。

7.根据权利要求3所述的光伏发电系统电能质量综合调节装置，其特征在于：所述光伏发电系统电能质量综合调节装置还包括有风扇，所述风扇与控制电路（3）电性连接。