CN214798894U - 智慧用能光伏并网系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光伏发电技术领域，具体公开了一种智慧用能光伏并网系统，包括太阳能光伏板、模组化结构的升压DC/DC变换器、直流母线、直流母线电容、并网逆变器、并网逆变器控制回路、输出滤波器、交流电网，太阳能光伏板配接有升压DC/DC变换器，升压DC/DC变换器并联到直流母线，直流母线上并联有直流母线电容，并网逆变器与直流母线和直流母线电容并联，并通过输出滤波器连接到交流电网中，并网逆变器与并网逆变器控制回路连接。本实用新型结构简单紧凑，稳定性好，而且提高了光伏发电的功率密度和能量转换效率，以及提高了工作寿命。本实用新型适用于控制光伏发电。
Description
技术领域
本实用新型属于光伏发电技术领域，具体地说是一种智慧用能光伏并网系统。
背景技术
随着环境污染、能源紧缺等问题日益严重，人们越来越关注太阳能清洁可再生能源，太阳能是极具发展前景的新一代能源，现在很多区域利用太阳能发电，又称为光伏发电。光伏发电具有清洁环保、可再生等优点，是应对能源紧缺、气候变化的一个有效途径。在分布式能源和智能电网中，低功率的住宅屋顶和光伏建筑一体化外墙光伏板系统越来越普遍，然而，由于云层移动以及附近的建筑物、树木的部分遮蔽，降低了这种低功率的光伏系统发电量，特别是在城市的低安装高度的地区，受局部阴影影响严重的光伏板通常会并联旁路二极管，避免热斑效应和防止老化，从而减少发电功率。
为了增加局部阴影条件下的光伏系统能量产出，近年来提出了各种各样的解决方案，目前有效的解决方案是采用微型光伏逆变器，微型光伏逆变器通过给每块光伏组件单独配置控制器，可以实现每块太阳能电池板最大功率跟踪。然而，由于严格的并网规则要求，需要附带大量组件和滤波器，这就会导致发热量大，不利于集成到光伏板里面，同时转换功率密度比较低，无法提供故障穿越，无功功率注入，频率调节等电网辅助服务。
实用新型内容
本实用新型的目的，是要提供一种智慧用能光伏并网系统，以提高光伏发电的功率密度和能量转换效率，以及提高工作寿命。
本实用新型为了实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种智慧用能光伏并网系统，包括太阳能光伏板、模组化结构的升压DC/DC变换器、直流母线、直流母线电容、并网逆变器、并网逆变器控制回路、输出滤波器、交流电网，太阳能光伏板配接有升压DC/DC变换器，升压DC/DC变换器并联到直流母线，直流母线上并联有直流母线电容，并网逆变器与直流母线和直流母线电容并联，并通过输出滤波器连接到交流电网中，并网逆变器与并网逆变器控制回路连接。
作为限定：升压DC/DC变换器采用非隔离式电容开关，包括多个模组单元，模组单元包括第一类开关管、第二类开关管、第三类开关管、第四类开关管、第一类电容器和第二类电容器，不同模组单元之间通过串联的方式连接，第三类开关管和第四类开关管由互补开关模式驱动，占空比固定为50％；第一模组单元中第三类开关管和第四类开关管串联后与电压源并联，第一类电容器和第一类开关管串联后与第三类开关管并联，第一类开关管的一个端子连接下一个模组单元的一端，第二类电容器和第二类开关管串联后与第四类开关管并联，第二类开关管的一个端子连接下一个模组单元的另一端；除第一模组单元外的其它模组单元中均为第三类开关管和第四类开关管串联，第一类电容器和第一类开关管串联后与第三类开关管并联，第一类开关管的一个端子连接下一个模组单元的一端，另一个端子连接上一个模组单元的一端，第二类电容器和第二类开关管串联后与第四类开关管并联，第二类开关管的一个端子连接下一个模组单元的另一端，另一个端子连接上一个模组单元的另一端。
作为进一步限定：第一类开关管、第二类开关管、第三类开关管、第四类开关管均采用氮化镓宽禁带功率器件，第一类电容器和第二类电容器均采用多层陶瓷电容器。
作为第二种限定：并网逆变器控制回路包括MPPT控制回路、电压控制回路和电流控制回路，MPPT控制回路是外部控制回路，采用扰动观测MPPT算法，应用于直流母线，并产生参考直流电压；电压控制回路是中间控制回路，调节要注入到交流电网的有功功率和无功功率参考；电流控制回路是内部控制回路，控制比例谐振电流；MPPT控制回路与电压控制回路连接，电压控制回路与电流控制回路连接。
作为第三种限定：智慧用能光伏并网系统还包括频率控制回路，频率控制回路通过二阶广义积分器锁相环提取电网频率，频率控制回路与交流电网连接。
由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的有益效果是：
（1）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，太阳能光伏板配接模组化结构的升压DC/DC变换器，模块化结构可以提供冗余和故障诊断，故障模组单元可通过冗余单元切换绕过状，或由另一个模组单元替换，以便整个变换器可以继续；
（2）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，升压DC/DC变换器不含反馈控制环路、电压、电流传感器、微控制器和通信链路，采用低成本的PWM集成电路发生器，将包括最大功率点跟踪（MPPT）在内的所有控制功能都转移到了电网侧的逆变器中，无需使用大容量的电容器、滤波器、控制器和电压/电流传感器来解决光伏侧变换器的问题，而且，整个结构简单，发热量小，同时变换器内部自带软开关功能，可免除开关损耗，与传统的微型逆变器相比，实现了更紧凑的结构和高效的转换效率；
（3）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，升压DC/DC变换器采用高频开关的氮化镓宽禁带功率器件，把多个开关管集成到单一电路板上，氮化镓器件的占用面积小且驱动要求低，有助于变换器的小型化；采用坚固耐用高效的多层陶瓷电容器代替传统的笨重电解电容器，降低了变换器的发热量和冷却要求，提高了使用寿命，而且使得变换器的结构非常紧凑，与太阳能光伏板的背面集成在一起，从而形成了一个新的自带升压集成式的光伏模块；
（4）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，直流母线并联直流母线电容，将整流电路的输出电压平波，将交流分量减小到最小，为后面的逆变器提供“纯直流电压”，以减小逆变器输出的交流电压波形失真，使直流母线电压随环境条件的变化很小，简化了电网侧逆变器的要求，与大多数集中式和分布式光伏架构相比，在部分阴影下实现了更高的整体系统效率；
（5）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，太阳能光伏板通过升压DC/DC变换器与直流母线并联连接，整个光伏并网系统始终只有一个最大功率点MPP，即使在辐照度和温度条件失配的情况下也是单峰P-V曲线，与其他并串结构式中的多峰P-V曲线相反，无需旁路掉任何光伏模块，对并网逆变器进行最大功率点跟踪MPPT控制，同时调节所有光伏板的工作点，从而在任何部分遮蔽条件下实现了几乎100％的功率提取效率；
（6）本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，并网逆变器控制回路由三个嵌套的控制回路组成，可以实现复杂的控制功能，如故障穿越，无功功率注入，频率调节，而且，直流母线电压波动很小，因为单一光伏板在不同环境条件下最大功率点的电压偏差比较小，使得并网逆变器很容易在满足输入电压要求的同时达到最大转换功率。
综上所述，本实用新型提供的智慧用能光伏并网系统，结构简单紧凑，稳定性好，而且提高了光伏发电的功率密度和能量转换效率，以及提高了工作寿命。
本实用新型适用于控制光伏发电。
附图说明
图1为本实用新型实施例智慧用能光伏并网系统的电路拓扑图；
图2为本实用新型实施例升压DC/DC变换器的电路图；
图3为本实用新型实施例模组单元的电路图；
图中：1、太阳能光伏板；2、升压DC/DC变换器；3、直流母线；4、直流母线电容；5、并网逆变器；6、输出滤波器；7、交流电网；8、MPPT控制回路；9、电压控制回路；10、电流控制回路；11、频率控制回路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和理解本实用新型，并不用于限制本实用新型。
实施例 智慧用能光伏并网系统
一种智慧用能光伏并网系统，其电路拓扑图如图1所示，包括太阳能光伏板1、模组化结构的升压DC/DC变换器2、直流母线3、直流母线电容4、并网逆变器5、并网逆变器5控制回路、输出滤波器6、交流电网7和频率控制回路11，太阳能光伏板1配接有升压DC/DC变换器2，升压DC/DC变换器2并联到直流母线3，直流母线3上并联有直流母线电容4，并网逆变器5与直流母线3和直流母线电容4并联，并通过输出滤波器6连接到交流电网7中，交流电网7与频率控制回路11连接，频率控制回路11通过二阶广义积分器锁相环提取电网频率；并网逆变器5与并网逆变器5控制回路连接，并网逆变器5控制回路包括MPPT控制回路8、电压控制回路9和电流控制回路10，MPPT控制回路8是外部控制回路，采用扰动观测MPPT算法，应用于直流母线3，并产生参考直流电压V DC *；电压控制回路9是中间控制回路，调节要注入到交流电网7的有功功率参考P *和无功功率参考Q *；电流控制回路10是内部控制回路，控制比例谐振电流；MPPT控制回路8与电压控制回路9连接，电压控制回路9与电流控制回路10连接。
本实施例中升压DC/DC变换器2的电路图如图2所示，采用非隔离式电容开关，包括N/2个模组单元（N=2j，j=1，2，…），N为升压倍数，升压倍数N大于VDC/VMP，其中，VDC是直流母线3的直流链路电压，VDC=400V，VMP是太阳能光伏板1最大功率点处的标称电压；模组单元包括第一类开关管SN/2 a、第二类开关管SN/2 b、第三类开关管SN/2 p、第四类开关管SN/2 n、第一类电容器CN/2 a和第二类电容器CN/2 b，不同模组单元之间通过串联的方式连接，第三类开关管SN/2 p和第四类开关管SN/2 n由互补开关模式驱动，占空比固定为50％；第一模组单元中第三类开关管S1p和第四类开关管S1n串联后与电压源并联，第一类电容器C1a和第一类开关管S1a串联后与第三类开关管S1p并联，第一类开关管S1a的端子PC1a+连接下一个模组单元的一端，第二类电容器C1b和第二类开关管S1b串联后与第四类开关管S1n并联，第二类开关管S1b的端子PC1b-连接下一个模组单元的另一端；除第一模组单元外的其它模组单元的电路图如图3所示，中均为第三类开关管Sjp和第四类开关管Sjn串联，第一类电容器Cja和第一类开关管Sja串联后与第三类开关管Sjp并联，第一类开关管Sja的端子PCja+连接下一个模组单元的一端，端子PC（j-1）a+连接上一个模组单元的一端，第二类电容器Cjb和第二类开关管Sjb串联后与第四类开关管Sjn并联，第二类开关管Sjb的端子PCjb-连接下一个模组单元的另一端，端子PC(j-1)b-连接上一个模组单元的另一端。第i个模组单元的第一类电容器Cia和第二类电容器Cib由上一个模组单元的第一类电容器C(i-1)a和第二类电容器C(i-1)b与太阳能光伏板1的输出电压VPV串联连接来充电，所以有关系：V C (i) = V C (i − 1) + V PV 1 < i ≤ N/2
其中，VC(i)为第i个模组单元的电容器两端的电压，VC(i − 1) 为第i-1个模组单元的电容器两端的电压。
将上式应用于连续的模组单元，可以推导出整个变换器的输出电压为N× VPV，即为太阳能光伏板1的输出电压的N倍。
本实施例中第一类开关管、第二类开关管、第三类开关管、第四类开关管均采用氮化镓宽禁带功率器件，第一类电容器和第二类电容器均采用多层陶瓷电容器。
Claims (6)
1.一种智慧用能光伏并网系统，其特征在于，包括太阳能光伏板、模组化结构的升压DC/DC变换器、直流母线、直流母线电容、并网逆变器、并网逆变器控制回路、输出滤波器、交流电网，太阳能光伏板配接有升压DC/DC变换器，升压DC/DC变换器并联到直流母线，直流母线上并联有直流母线电容，并网逆变器与直流母线和直流母线电容并联，并通过输出滤波器连接到交流电网中，并网逆变器与并网逆变器控制回路连接。
2.根据权利要求1所述的智慧用能光伏并网系统，其特征在于，升压DC/DC变换器采用非隔离式电容开关，包括多个模组单元，模组单元包括第一类开关管、第二类开关管、第三类开关管、第四类开关管、第一类电容器和第二类电容器，不同模组单元之间通过串联的方式连接，第三类开关管和第四类开关管由互补开关模式驱动，占空比固定为50％；第一模组单元中第三类开关管和第四类开关管串联后与电压源并联，第一类电容器和第一类开关管串联后与第三类开关管并联，第一类开关管的一个端子连接下一个模组单元的一端，第二类电容器和第二类开关管串联后与第四类开关管并联，第二类开关管的一个端子连接下一个模组单元的另一端；除第一模组单元外的其它模组单元中均为第三类开关管和第四类开关管串联，第一类电容器和第一类开关管串联后与第三类开关管并联，第一类开关管的一个端子连接下一个模组单元的一端，另一个端子连接上一个模组单元的一端，第二类电容器和第二类开关管串联后与第四类开关管并联，第二类开关管的一个端子连接下一个模组单元的另一端，另一个端子连接上一个模组单元的另一端。
3.根据权利要求2所述的智慧用能光伏并网系统，其特征在于，第一类开关管、第二类开关管、第三类开关管、第四类开关管均采用氮化镓宽禁带功率器件，第一类电容器和第二类电容器均采用多层陶瓷电容器。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的智慧用能光伏并网系统，其特征在于，并网逆变器控制回路包括MPPT控制回路、电压控制回路和电流控制回路，MPPT控制回路是外部控制回路，采用扰动观测MPPT算法，应用于直流母线，并产生参考直流电压；电压控制回路是中间控制回路，调节要注入到交流电网的有功功率和无功功率参考；电流控制回路是内部控制回路，控制比例谐振电流；MPPT控制回路与电压控制回路连接，电压控制回路与电流控制回路连接。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的智慧用能光伏并网系统，其特征在于，智慧用能光伏并网系统还包括频率控制回路，频率控制回路通过二阶广义积分器锁相环提取电网频率，频率控制回路与交流电网连接。
6.根据权利要求4所述的智慧用能光伏并网系统，其特征在于，智慧用能光伏并网系统还包括频率控制回路，频率控制回路通过二阶广义积分器锁相环提取电网频率，频率控制回路与交流电网连接。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116454980A (zh) * | 2023-06-15 | 2023-07-18 | 麦田能源股份有限公司 | 电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法 |
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2021
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| CN116454980A (zh) * | 2023-06-15 | 2023-07-18 | 麦田能源股份有限公司 | 电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法 |
| CN116454980B (zh) * | 2023-06-15 | 2023-09-01 | 麦田能源股份有限公司 | 电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法 |
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