CN207530547U - 一种双级光伏发电并网装置 - Google Patents

一种双级光伏发电并网装置 Download PDF

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王曹
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张好
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Abstract

本实用新型属于电力系统技术领域，公开了一种双级光伏发电并网装置，包括：三电平DC‑DC换流器、直流耦合电容、两电平DC‑AC逆变器；所述三电平DC‑DC换流器的输入侧与光伏电池系统连接，所述三电平DC‑DC换流器的输出侧与所述直流耦合电容连接；所述两电平DC‑AC逆变器的输入侧与所述直流耦合电容连接，所述两电平DC‑AC逆变器的输出侧与交流电网连接。本实用新型解决了现有技术中并网系统控制复杂、电能转换效率较低、耦合直流电容器的直流电压波动较大、输入电流波形质量不高的问题，能有效减小耦合直流电容器的直流电压波动，提高输入电流波形质量。

Description

一种双级光伏发电并网装置
技术领域
本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种双级光伏发电并网装置。
背景技术
随着社会发展对能源需求的日益增加且环境污染问题日益严重，以光伏发电为代表的可再生能源发电技术得到越来越多的关注。光伏发电系统输出为直流，需要通过逆变装置并入交流电网运行。
目前的并网装置可采用单级的DC-AC结构，直接将光伏输出直流电压逆变为交流，实现与交流电网并网。但单级并网系统控制复杂，且通常需要的高升压比降低了电能转换效率。也有的并网装置采用了双极并网结构，但作为第一级的DC-DC换流器通常为两电平结构，导致两级之间耦合直流电容器的直流电压波动较大，且第一级输入直流电流波形质量不高。
实用新型内容
本申请实施例通过提供一种双级光伏发电并网装置，解决了现有技术中并网系统控制复杂、电能转换效率较低、耦合直流电容器的直流电压波动较大、输入电流波形质量不高的问题。
本申请实施例提供一种双级光伏发电并网装置，包括：三电平DC-DC换流器、直流耦合电容、两电平DC-AC逆变器；
所述三电平DC-DC换流器的输入侧与光伏电池系统连接，所述三电平DC-DC换流器的输出侧与所述直流耦合电容连接；所述两电平DC-AC逆变器的输入侧与所述直流耦合电容连接，所述两电平DC-AC逆变器的输出侧与交流电网连接。
优选的，所述三电平DC-DC换流器包括：4个电感，4个二极管，4个电力电子开关；
4个所述电感分别为第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4；
4个所述二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；
4个所述电力电子开关分别为第一电力电子开关SC1、第二电力电子开关SC2、第三电力电子开关SC3、第四电力电子开关SC4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT；
所述第一电力电子开关SC1的集电极分别与所述第一电感L1、所述第一二极管D1连接；所述第三电力电子开关SC3的集电极分别与所述第三电感L3、所述第三二极管D3连接；
所述第二电力电子开关SC2的发射极分别与所述第二电感L2、所述第二二极管D2连接；所述第四电力电子开关SC4的发射极分别与所述第四电感L4、所述第四二极管D4连接；
所述第一电力电子开关SC1的发射极分别与所述第三电力电子开关SC3的发射极、所述第二电力电子开关SC2的集电极、所述第四电力电子开关SC4的集电极连接。
优选的，所述直流耦合电容由两个电容值相同的电容串联构成。
优选的，所述两电平DC-AC逆变器包含：2个电感，4个电力电子开关；
2个所述电感分别为第五电感L5、第六电感L6；
4个所述电力电子开关分别为第五电力电子开关Si1、第六电力电子开关Si2、第七电力电子开关Si3、第八电力电子开关Si4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT；
所述第五电力电子开关Si1的集电极与所述第七电力电子开关Si3的集电极连接；
所述第六电力电子开关Si2的发射极与所述第八电力电子开关Si4的发射极连接；
所述第五电力电子开关Si1的发射极分别与所述第六电力电子开关Si2的集电极、所述第五电感L5连接；
所述第七电力电子开关Si3的发射极分别与所述第八电力电子开关Si4的集电极、所述第六电感L6连接。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供的一种双级光伏发电并网装置，第一级采用三电平DC-DC升压换流器结构，第二级采用两电平DC-AC逆变器结构和定直流电压。采用双级结构的光伏发电并网装置相对单级并网装置可有效提高电能转换效率，减小控制复杂程度。采用三电平升压换流器可有效减小耦合直流电容器的直流电压波动，提高输入电流波形质量。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种双级光伏发电并网装置的拓扑结构图；
图2为本实用新型实施例提供的一种双级光伏发电并网装置的三电平DC-DC换流器控制策略框图；
图3为本实用新型实施例提供的一种双级光伏发电并网装置的两电平DC-AC逆变器控制策略框图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种双级光伏发电并网装置，解决了现有技术中并网系统控制复杂、电能转换效率较低、耦合直流电容器的直流电压波动较大、输入电流波形质量不高的问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种双级光伏发电并网装置，包括：三电平DC-DC换流器、直流耦合电容、两电平DC-AC逆变器；
所述三电平DC-DC换流器的输入侧与光伏电池系统连接，所述三电平DC-DC换流器的输出侧与所述直流耦合电容连接；所述两电平DC-AC逆变器的输入侧与所述直流耦合电容连接，所述两电平DC-AC逆变器的输出侧与交流电网连接。
本实用新型提供的一种双级光伏发电并网装置，第一级采用三电平DC-DC升压换流器结构，第二级采用两电平DC-AC逆变器结构和定直流电压。采用双级结构的光伏发电并网装置相对单级并网装置可有效提高电能转换效率，减小控制复杂程度。采用三电平升压换流器可有效减小耦合直流电容器的直流电压波动，提高输入电流波形质量。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
图1为本实用新型提供的一种双级光伏发电并网装置拓扑结构图，包括：三电平DC-DC换流器、直流耦合电容、两电平DC-AC逆变器；
所述三电平DC-DC换流器的输入侧与光伏电池系统连接，所述三电平DC-DC换流器的输出侧与所述直流耦合电容连接；所述两电平DC-AC逆变器的输入侧与所述直流耦合电容连接，所述两电平DC-AC逆变器的输出侧与交流电网连接。
其中，所述三电平DC-DC换流器包括：4个电感，4个二极管，4个电力电子开关；4个所述电感分别为第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4；4个所述二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；4个所述电力电子开关分别为第一电力电子开关SC1、第二电力电子开关SC2、第三电力电子开关SC3、第四电力电子开关SC4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT。
所述第一电力电子开关SC1的集电极分别与所述第一电感L1、所述第一二极管D1连接；所述第三电力电子开关SC3的集电极分别与所述第三电感L3、所述第三二极管D3连接；所述第二电力电子开关SC2的发射极分别与所述第二电感L2、所述第二二极管D2连接；所述第四电力电子开关SC4的发射极分别与所述第四电感L4、所述第四二极管D4连接；所述第一电力电子开关SC1的发射极分别与所述第三电力电子开关SC3的发射极、所述第二电力电子开关SC2的集电极、所述第四电力电子开关SC4的集电极连接。
其中，所述两电平DC-AC逆变器包含：2个电感，4个电力电子开关；2个所述电感分别为第五电感L5、第六电感L6；4个所述电力电子开关分别为第五电力电子开关Si1、第六电力电子开关Si2、第七电力电子开关Si3、第八电力电子开关Si4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT。
所述第五电力电子开关Si1的集电极与所述第七电力电子开关Si3的集电极连接；所述第六电力电子开关Si2的发射极与所述第八电力电子开关Si4的发射极连接；所述第五电力电子开关Si1的发射极分别与所述第六电力电子开关Si2的集电极、所述第五电感L5连接；所述第七电力电子开关Si3的发射极分别与所述第八电力电子开关Si4的集电极、所述第六电感L6连接。
所述直流耦合电容由两个电容值相同的电容串联构成。其中，一个电容的一端分别与所述第一二极管D1、所述第三二极管D3、所述第五电力电子开关Si1的集电极、所述第七电力电子开关Si3的集电极连接。另一个电容的一端分别与所述第二二极管D2、所述第四二极管D4、所述第六电力电子开关Si2的发射极、所述第八电力电子开关Si4的发射极连接。
综上，所述双级光伏发电并网装置由3个部分构成：
(1)三电平DC-DC换流器：包含4个参数值相同的电感，4个参数全同的二极管，4个带有反并联二极管的电力电子开关(例如IGBT)SC1，SC2，SC3和SC4，为描述简单起见，将这四个电力电子开关的控制脉冲信号也分别对应命名为SC1，SC2，SC3和SC4。
(2)Z直流耦合电容，直流耦合电容由两个电容值C完全相同的电容串联构成，两个电容连接点命名为n。
(3)两电平DC-AC逆变器：包含2个参数值相同的电感，4个带有反并联二极管的电力电子开关(例如IGBT)Si1，Si2，Si3和Si4，为描述简单起见，将这四个电力电子开关的控制脉冲信号也分别对应命名为Si1，Si2，Si3和Si4。
图1还给出了与本实用新型提供的双级光伏发电并网装置连接的光伏电池系统和交流系统。光伏电池系统输出端并接一个电容Cpv,用于稳定输出端电压，双级光伏发电并网装置的三电平DC-DC换流器的输入端与光伏电池系统输出端连接，双级光伏发电并网装置的三电平DC-DC换流器的输出端与直流耦合电容连接，直流耦合电容与两电平DC-AC逆变器的输入端连接，两电平DC-AC逆变器的输出端与交流系统连接。
图2为本实用新型的一种双级光伏发电并网装置的三电平DC-DC换流器的控制策略框图。首先光伏电池系统将根据最大功率追踪(MPPT)算法计算出其直流电容Cpv上的电压参考值upvref，MPPT算法是目前成熟的技术；将电压参考值upvref减去电容Cpv上的实际电压upv，将差值送入PI校正器(PI校正器的设计是目前成熟的技术)，得到光伏电池系统输出电流参考值ipvref，将电流参考值ipvref减去光伏电池系统实际输出电流ipv，将差值送入PI校正器(PI校正器的设计是目前成熟的技术)，得到参考电压u1ref，分别送入四个比较器，作为比较器输入之一；三角载波信号通过四个移相角度分别为0度、90度、180度和270度的移相器，得到四个不同的三角载波信号，分别依次送入四个比较器，作为比较器输入之一；四个比较器各种根据其两个输入信号产生相应的控制脉冲，其中参考电压u1ref与移相0度的三角载波比较后得到控制脉冲SC1，参考电压u1ref与移相90度的三角载波比较后得到控制脉冲SC2，参考电压u1ref与移相180度的三角载波比较后得到控制脉冲SC3，参考电压u1ref与移相270度的三角载波比较后得到控制脉冲SC4。
图3为本实用新型的一种双级光伏发电并网装置的两电平DC-AC逆变器的控制策略框图。首先将直流耦合电容C的电压参考值uvref(该值是预先给定的)减去直流耦合电容C的实际电压，该实际电压是直流耦合电容两个电容的电压值之和，即u1+u2，将差值送入PI校正器(PI校正器的设计是目前成熟的技术)，得到角度增量Δθ；将交流系统电压us通过锁相环PLL，得到us的角度θs，加上角度增量Δθ得到DC-AC逆变器输出电压参考值uref的角度θ；根据交流系统电压us和两电平DC-AC逆变器输出电流is，计算输出无功功率qs，计算无功功率的方法是目前成熟的技术，例如采用虚拟三相电压电流法；将两电平DC-AC逆变器输出无功功率参考值qref(该值是预先给定的)减去实际输出无功功率qs，将差值送入PI校正器(PI校正器的设计是目前成熟的技术)，得到DC-AC逆变器输出电压参考值uref的幅值m；根据DC-AC逆变器输出电压参考值uref的角度θ和幅值m，通过余弦函数发生器COS产生DC-AC逆变器输出电压参考值uref，根据参考值uref利用目前成熟的PWM调制技术(例如三角载波)产生两电平DC-AC逆变器4个电力电子开关的控制脉冲Si1，Si2，Si3和Si4。
本实用新型提供的一种双级光伏发电并网装置，由DC-DC换流器、DC-AC逆变器以及两者之间的耦合电容器构成。DC-DC换流器采用三电平结构，输入侧与光伏电池系统连接，输出侧与直流耦合电容连接，采用定直流电压控制策略，并具有直流侧电容电压不平衡补偿环节；DC-AC逆变器采用常规两电平逆变器结构，输入侧与直流耦合电容连接，输出侧与交流电网连接，采用定直流电压和定无功功率控制策略。
本实用新型提供的一种双级光伏发电并网装置，兼有双级并网系统控制简单，电能转换效率高的优点，同时减小直流电容电压波动，提高了直流输入电流的波形质量，对于提高光伏发电并网装置的性能具有重要的技术经济效益和实用价值。
本实用新型实施例提供的一种双级光伏发电并网装置至少包括如下技术效果：
在本申请实施例中，提供的一种双级光伏发电并网装置，第一级采用三电平DC-DC升压换流器结构和定直流电压控制策略，第二级采用两电平DC-AC逆变器结构和定直流电压和定无功功率控制策略。采用双级结构的光伏发电并网装置相对单级并网装置可有效提高电能转换效率，减小控制复杂程度。采用三电平升压换流器可有效减小耦合直流电容器的直流电压波动，提高输入电流波形质量。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种双级光伏发电并网装置，其特征在于，包括：三电平DC-DC换流器、直流耦合电容、两电平DC-AC逆变器；
所述三电平DC-DC换流器的输入侧与光伏电池系统连接，所述三电平DC-DC换流器的输出侧与所述直流耦合电容连接；所述两电平DC-AC逆变器的输入侧与所述直流耦合电容连接，所述两电平DC-AC逆变器的输出侧与交流电网连接；
所述三电平DC-DC换流器包括：4个电感，4个二极管，4个电力电子开关；4个所述电感分别为第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4；4个所述二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；4个所述电力电子开关分别为第一电力电子开关SC1、第二电力电子开关SC2、第三电力电子开关SC3、第四电力电子开关SC4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT；
所述第一电力电子开关SC1的集电极分别与所述第一电感L1、所述第一二极管D1连接；所述第三电力电子开关SC3的集电极分别与所述第三电感L3、所述第三二极管D3连接；所述第二电力电子开关SC2的发射极分别与所述第二电感L2、所述第二二极管D2连接；所述第四电力电子开关SC4的发射极分别与所述第四电感L4、所述第四二极管D4连接；所述第一电力电子开关SC1的发射极分别与所述第三电力电子开关SC3的发射极、所述第二电力电子开关SC2的集电极、所述第四电力电子开关SC4的集电极连接；
所述两电平DC-AC逆变器包含：2个电感，4个电力电子开关；2个所述电感分别为第五电感L5、第六电感L6；4个所述电力电子开关分别为第五电力电子开关Si1、第六电力电子开关Si2、第七电力电子开关Si3、第八电力电子开关Si4；4个所述电力电子开关均为带反并联二极管的IGBT；
所述第五电力电子开关Si1的集电极与所述第七电力电子开关Si3的集电极连接；所述第六电力电子开关Si2的发射极与所述第八电力电子开关Si4的发射极连接；所述第五电力电子开关Si1的发射极分别与所述第六电力电子开关Si2的集电极、所述第五电感L5连接；所述第七电力电子开关Si3的发射极分别与所述第八电力电子开关Si4的集电极、所述第六电感L6连接。
2.根据权利要求1所述的双级光伏发电并网装置，其特征在于，所述直流耦合电容由两个电容值相同的电容串联构成。
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CN111030484A (zh) * 2020-01-02 2020-04-17 阳光电源股份有限公司 一种逆变系统

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