CN2891473Y - 具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置 - Google Patents

具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置 Download PDF

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张国荣
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Abstract

具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置，其特征是太阳电池阵列和蓄电池输出经由切换电路分别或同时接入直流母线；设置构成逆变电路的功率电子开关，DSP对其控制方式为正弦波脉宽调制SPWM；逆变输出侧经电抗L由变压器隔离变换，通过接触器并入电网，接触器触点两侧并有软启动功率电阻；DSP控制单元根据负载电流中无功和谐波分量产生并网电流无功分量，以补偿负载所需的无功和谐波电流。本实用新型可延长蓄电池使用寿命，不增加附加设备下，提供无功补偿和有源滤波功能，适于并网节点在虚弱电网的末梢，有利于提高和改善电网供电能力和质量，可用于离网及并网运行的分布式发电系统。

Description

具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置
技术领域：
本实用新型涉及一种应用在太阳能光伏并网发电中的控制装置。
背景技术：
随着经济发展，人口增加，能源消耗快速增长，带来能源短缺、环境污染、生态恶化等重大问题。太阳能光伏发电是各国竞相发展的重点。光伏系统并网运行是太阳能光伏进入大规模应用的必由之路，而光伏并网逆变控制器是光伏并网系统的关键设备。从公开发表的文献以及专利来看，现有的光伏并网逆变控制器仅能够将光伏阵列的直流电逆变成交流电馈送至常规电网，但不能实现并网、蓄电池充放电和馈送电能的功率调节(包括有功和无功)和无功补偿一体化控制功能，因此不能用于可靠性要求较高的离网/并网型分布式发电系统。
发明内容：
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可以离网/并网、充电控制及功率调节的具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置，针对常规光伏并网发电系统逆变主电路的结构特点，在电网故障时，可以离网运行，向区域负载供电；提出将无功功率补偿与光伏并网发电相结合，从而节省设备投资，同时改善电网的供电质量。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型的结构特点是：
太阳电池阵列和蓄电池的输出经由切换电路接入直流母线，阵列输出端串接有防反二极管，蓄电池输出由二极管、功率电阻和接触器并联接入母线；
采用DSP控制单元，设置由所述DSP控制单元控制的IGBT功率电子开关T1～T6，所述功率电子开关T1～T6联接成三相全桥逆变电路设置在阵列串接二极管后的输出回路中，所述DSP控制单元对于功率电子开关T1～T6的控制方式为正弦波脉宽调制SPWM；
逆变输出侧经电抗L由变压器隔离变换，通过接触器KM2并入电网，KM2触点两侧并接有软启动功率电阻R2；
在并网节点之后的电网负载侧采用霍尔电流互感器，检测负载电流中无功和谐波分量，由DSP控制单元根据此产生并网电流无功分量，以补偿负载所需的无功和谐波电流。
本实用新型的结构特点也在于：在所述逆变电路与电网之间设置接触器KM3；以所述太阳电池阵列的开路电压和输出功率作为判断白天和夜晚的探测信号。
与光伏并网逆变技术和有源电流滤波技术相比，本实用新型的有益效果体现在：
1、本实用新型是在太阳电池阵列的输出回路中串联防反二极管，可防止夜晚太阳电池的电压为零时，市电网向太阳电池阵列反充电；
2、本实用新型以具有开关损耗低、工作频率高、安全工作区宽等优良特性的绝缘栅极双极型晶体管IGBT作为功率电子开关，以所述功率电子开关T1～T6联接成三相全桥逆变电路可以实现直流←→交流能量的双向流动；
3、本实用新型以所述三相全桥逆变电路的输出回路中设置工频变压器，可以实现交流电压匹配和太阳电池阵列与市电网的隔离；
4、本实用新型以所述检测负载电流无功和谐波分量控制方式，是一个开环补偿方式，有利于系统控制的稳定性；
5、本实用新型以太阳电池阵列的开路电压和输出功率作为判断白天和夜晚的探测信号，可以使系统准确判断是处于同时并网发电和无功补偿状态还是仅处于无功补偿状态；
6、本实用新型在电网故障时，可以将蓄电池存储的能量逆变成380V/50Hz交流电，继续给区域内的交流负载供电，实现系统的可靠离网运行，实现后备式电源功能；
7、本实用新型在蓄电池电压低于充电启动电压时，由电网(晚上)或电网与阵列(白天)或阵列(电网故障)等多种充电方式对蓄电池进行充电，实现系统的高效可靠的能量管理，能够有效地、充分地利用能源且不增加额外硬件；
8、本实用新型以电网对蓄电池进行浮充，可以大大减小装置对电网的污染，且可延长蓄电池的寿命。
附图说明：
图1为本实用新型电路原理图。
图2(a)为负载无功电流为0时(即ia＝0)，光伏并网功率调节器输出电流ica(有效值8.23A0与电网相电压ea的波形关系。
图2(b)为无功发生器发感性无功(滞后ea90°)时，负载电流ia(有效值8.37A)与光伏并网功率调节器输出电流ica(有效值11.6A)波形，ica超前ia约43°
图3为并网电流和电网电压波形。
图4为网侧充电电流和电网电压同步信号波形。
图5独立逆变空载时，控制板上检测的逆变电压波形。
以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步描述：
实施例：
参见图1，本实施例采用DSP控制单元，并设置由DSP控制单元控制的IGBT功率电子开关T1～T6，功率电子开关T1～T6联接成三相全桥逆变电路设置在太阳电池阵列的输出回路中，DSP控制单元对于功率电子开关T1～T6的控制方式为正弦波脉宽调制SPWM。
图1所示，本实施例中的电路设置还包括：
在太阳电池阵列的输出回路中串联防反二极管D1。在夜晚，太阳电池阵列开路电压为零，不能向市电网提供有功能量，而光伏并网功率调节器还需要补偿负载无功，为维持逆变桥路的正常工作，母线直流电压必须达到一定值，防反二极管D1可防止所述母线直流电压加到太阳电池阵列引出的电压正负极上，保护太阳电池板。
在三相全桥逆变电路的交流输出串联电抗器L，再与工频变压器连接。电抗器L作用是连接电网和平滑并网电流，其参数的选择关系到并网电流波形的误差脉动幅度和跟踪电流的有效范围。
在光伏并网功率调节器交流侧串接软启动电阻R2，电阻上并接交流接触器KM2。在光伏并网功率调节器与市电网之间连接的闸刀闭合之前，交流接触器KM2处于常开状态，合闸后，市电网电压经过软启动电阻R2由三相全桥逆变电路向直流侧电容充电，当DSP检测到直流侧电压达一定值时，控制交流接触器KM2闭合，短接软启动电阻R2。软启动电阻R2是防止夜晚时，由于直流侧电容电压为零，直接合闸会造成大的冲击电流。
具体实施中，太阳电池阵列的工作电压和输出电流决定并网有功功率的大小，还具有太阳电池阵列最大功率跟踪功能，使并网发电功率为太阳电池阵列的最大输出功率；负载电流中无功与谐波含量决定并网无功功率的大小，经过功率合成和功率变换，光伏并网功率调节器的输出能量并入市电网，形成并网发电、无功补偿和谐波抑制的统一控制。
具体实施：
无功负载是实验专用的30KVA有源无功发生器SVG。
图2(a)为负载无功电流为0时(即ia＝0)，光伏并网功率调节器输出电流ica(有效值8.23A)与电网相电压ea的波形关系，其中ea是控制板上的电压采样电路的输出信号，ica与ea同相位，系统处于并网发电状态。
图2(b)为无功发生器发感性无功(滞后ea90°)时，负载电流ia(有效值8.37A)与光伏并网功率调节器输出电流ica(有效值11.6A)波形，ica超前ia约43°，系统处于并网发电和无功补偿状态。
由图2(a)和图2(b)可知，在无功负载投入运行前，光伏并网功率调节器输出的电流完全为有功；在无功负载投入运行后，光伏并网功率调节器的并网电流中包含了无功电流，其相位和幅值均发生变化，且电网电流isa在无功负载投入前后变化不大，实验结果表明，该系统无功检测和补偿效果良好。
并网电流跟踪实验如图3所示。图3中，示波通道1为一相并网电流波形，示波通道2为电网相电压波形，电流有效值为28.2A，电网充电模式下电网侧电流波形如图4所示；独立逆变时，装置输出的电压波形如图5所示。

Claims (3)

1、具备离网/并网、充电控制及功率调节功能的光伏变流装置，其特征在于：
太阳电池阵列和蓄电池的输出经由切换电路接入直流母线，阵列输出端串接有防反二极管，蓄电池输出由二极管、功率电阻和接触器并联接入母线；
采用DSP控制单元，设置由所述DSP控制单元控制的IGBT功率电子开关T1～T6，所述功率电子开关T1～T6联接成三相全桥逆变电路设置在阵列串接二极管后的输出回路中，所述DSP控制单元对于功率电子开关T1～T6的控制方式为正弦波脉宽调制SPWM；
逆变输出侧经电抗L由变压器隔离变换，通过接触器KM2并入电网，KM2触点两侧并接有软启动功率电阻R2；
在并网节点之后的电网负载侧采用霍尔电流互感器，检测负载电流中无功和谐波分量，由DSP控制单元根据此产生并网电流无功分量，以补偿负载所需的无功和谐波电流。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述逆变电路与电网之间设置接触器KM3。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征是以所述太阳电池阵列的开路电压和输出功率作为判断白天和夜晚的探测信号。
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