一種高功率因數型三相光伏發電系統及其控制方法
2023-06-09 08:57:21 1
一種高功率因數型三相光伏發電系統及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種光伏發電系統，尤其涉及一種高功率因數型三相光伏發電系統及其控制方法。本發明的高功率因數型三相光伏發電系統包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、蓄電池充放電電路、蓄電池接口、光伏組件接口、負載接口，隔離變壓器可選，各組成部分在功能或結構上可合併或拆分。具體控制方法如下：光伏組件產生的不穩定的直流電經逆變電路轉化為穩定的交流電，向負載提供有功功率；節電變流電路通過實時檢測負載側參數，提供與之匹配的無功功率，並可對負載產生的諧波進行濾除。本發明既能大幅提高系統的功率因數，還能顯著優化電能質量，並可在系統方案設計之初減少光伏組件裝機容量，降低系統裝設成本。
【專利說明】一種高功率因數型三相光伏發電系統及其控制方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光伏發電系統，尤其涉及一種高功率因數型三相光伏發電系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業的發展，石油、煤、天然氣等不可再生能源日漸稀少，以太陽能為代表的新能源符合全球低碳經濟的時代潮流，已經得到世界各國政府的認可、重視與扶持。
[0003]光伏發電相關產業在最近幾年得到了快速發展，但時至今日，相對於使用如煤炭、石油等不可再生能源的傳統發電系統，光伏發電在成本上仍處於劣勢地位。這就要求科技工作者不斷探索，一方面，想方設法的降低光伏發電系統的裝設成本，另一方面，儘可能的提高光伏發電系統的功率因數以及轉換效率，降低損耗。
[0004]當今，電力負載中有為數不少的以電動機為代表的感性負載，這類負載在工作時，光伏發電系統不僅僅提供有功功率，還必須同時提供一定量的無功功率，因為最大視在功率、最大電流和最大電壓等參數的限制，傳統光伏發電系統必須降低功率因數運行，這種情況大大降低了太陽能轉化為電能的效率，並且因為在高電壓大電流的狀態下長時間運行，增加了電能在傳輸過程中的損耗，也降低了光伏發電系統的使用壽命。
[0005]更明顯的弊端在於:光伏發電系統在設計之初，因應感性負載的特性，加上電機類負載啟動時較多的無功功率需求，設計人員通常會把光伏組件的容量設計成比負載的額定功率多出一半至幾倍的瓦特數，無疑，這大幅提高了光伏發電系統的裝設成本。
[0006]除了上述弊端之外，當今的大量負載都會產生各種諧波，這些諧波不僅降低系統的使用壽命，還使電能的損耗大幅增加，甚至影響一些高精密儀器、設備的正常工作。
【發明內容】
`[0007]本發明的高功率因數型三相光伏發電系統，能克服上述缺點，從無功補償與濾除諧波的角度解決問題，通過減小光伏組件的容量，使光伏發電系統的裝設成本大幅降低。
[0008]本發明的高功率因數型三相光伏發電系統包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、光伏組件接口、蓄電池充放電電路、蓄電池接口、負載接口，隔離變壓器為可選組件，各組成部分在功能或結構上可以合併或拆分。主控部分與逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路、檢測電路分別電氣連接；光伏組件接口與逆變電路的直流側直接電氣連接；節電變流電路與負載接口直接電氣連接，二者的電氣連接點與逆變電路的交流側直接電氣連接或經變壓器間接電氣連接；蓄電池接口與蓄電池充放電電路直接電氣連接；檢測電路與逆變電路、節電變流電路、光伏組件接口、蓄電池充放電電路分別電氣連接。
[0009]本發明的主控部分包含微處理器、微控制器中的一種或多種，負責整個系統的信息採集、分析處理、決策輸出等核心任務，是整個光伏發電系統的控制核心。其中微控制器的類型包括但不限於單片機、DSP、CPLD, FPGA, PLC0
[0010]逆變電路與節電變流電路的構成方式類似，二者可以選擇的構成方式包括但不限於:包含若干個變流橋臂或集成功率模塊。對於包含變流橋臂的情況，每個橋臂由多個全控開關器件串聯構成，每個全控開關器件都反並聯一個續流二極體，本發明描述中的「全控開關器件」指既能控制開通又能控制關斷的電力電子開關器件，類型包括但不限於電晶體、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。對於包含集成功率模塊的情況，集成功率模塊的類型包括但不限於IPM功率模塊。
[0011]本發明的檢測電路包括但不限於:逆變電路交流側的電壓傳感器與電流傳感器、逆變電路直流側的電壓傳感器與電流傳感器。
[0012]逆變電路與節電變流電路採用的拓撲結構的電平數為2或大於2的奇數，其中大於2的奇數個電平的拓撲結構的類型包括但不限於單元級聯型、飛跨電容型、二極體嵌位型，這裡的全控開關器件包括但不限於電晶體、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。
[0013]逆變電路、節電變流電路二者各自採用何種拓撲結構、選用多少電平數互不相關。即二者採用的拓撲結構可以相同，也可不同；二者選用的拓撲結構的電平數可以相同，也可不同。
[0014]本發明可在傳統光伏發電系統功能的基礎上增加無功補償的功能，採用控制方法如下:通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率以及無功功率，通過控制實現:逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路提供負載需求的無功功率。
[0015]本發明也可在傳統光伏發電系統功能的基礎上增加有源濾波的功能，採用控制方法如下:通過檢測電路實時獲得負載側電流的瞬時值，經分析計算可得負載電流中所含的各次諧波的頻率、幅值及相位等參數，通過控制使節電變流電路發出與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的抑制波，抑制波與諧波相抵消，從而實現了對諧波的濾除。
[0016]本發明還可在傳統光伏發電系統功能的基礎上同時增加無功補償與有源濾波的功能，採用控制方法如下:通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，通過控制實現:逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路向負載發出無功功率以及與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，這樣就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除。
[0017]相對於傳統光伏發電系統，本發明的優勢包括但不限於如下方面:
首先，一個明顯的優勢在於:本發明的光伏發電系統使光伏組件的設計容量降至接近於極限值，只需略大於負荷的額定功率即可。對於同樣的帶有感性分量的負載，當今廣泛應用的傳統設計方案中，光伏組件的設計容量一般為本設計方案的1.5倍至3倍，個別無功功率需求較高的應用場合甚至達到3倍以上。本發明具有上述優勢的原因在於:電機類負載啟動時較多的無功功率需求由本發明的節電變流電路提供，而不是由光伏組件提供，這大幅降低了光伏發電系統的裝設成本。
[0018]其次，在長期運行過程中，對於電力負載中異步電動機為代表的感性負載，本發明的光伏發電系統不僅僅提供有功功率，還可同時發出與負荷匹配的無功功率，大幅提高功率因數，並且減少了電能在傳輸過程中的損耗，也間接延長了光伏發電系統的使用壽命。
[0019]再次，現在的大量負載電流中都含有各種諧波，本發明的光伏發電系統可以實時濾除這些諧波，不僅延長了系統的使用壽命，還使電能的損耗大幅降低，附近的高精密儀器、設備也可正常工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例的一次側電氣結構示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例的控制與檢測電路示意圖。
[0022]圖3為本發明實施例的主控部分電路原理圖。
[0023]圖4為本發明實施例的逆變電路原理圖。
[0024]圖5為本發明實施例的節電變流電路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]以下實施例屬於本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的範圍，也不是限定本發明的應用形式。
[0026]本實施例如圖1?圖5所示。
[0027]本實施例包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、光伏組件接口、蓄電池充放電電路、蓄電池接口、負載接口，其中主控部分與逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路、檢測電路分別電氣連接；檢測電路與逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路分別電氣連接；蓄電池充放電電路與逆變電路的直流側電氣連接；節電變流電路、逆變電路與負載接口在交流側直接電氣連接；蓄電池接口與蓄電池充放電電路電氣連接。本實施例的一次側電氣結構示意圖如圖1所示。
[0028]本實施例的檢測電路包括但不限於:
1.逆變電路交流側的電壓傳感器；
2.逆變電路交流側的電流傳感器；
3.逆變電路直流側的電壓傳感器；
4.逆變電路直流側的電流傳感器。
[0029]本實施例的主控部分電路原理圖如圖3所示，Ul是微控制器，對系統的運行進行精確控制，並對傳感器數據進行實時分析並決策；U17是為微控制器提供精準時鐘的晶體振蕩器；U11是用於存儲數據的存儲器；主控部分通過Jll、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32等埠分別與外部功能模塊進行信息交換，其中Jll為開關量輸入埠，包含但不限於系統發出的過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護、超載等開關量信息；J12為開關量輸出接口，主控部分的開關量控制信息經此埠發出；J13為串行通信接口 ；J15是微控制器編程接口 ；J21是用於並行通信的數據/地址總線接口 ；J31是SPI通信接口 ；J32是SCI通信接口 ；微控制器精確計算出實時脈寬信息，並經J20接口輸出PWM脈衝。
[0030]本實施例的逆變電路原理圖如圖4所示，該逆變電路採用三相兩電平的拓撲結構，含有三個結構完全相同的變流橋臂，每個變流橋臂由兩組並聯有續流二極體的IGBT串聯而成，逆變電路直流側並聯有支撐電容Cdl。
[0031]本實施例的的節電變流電路原理圖如圖5所示，該節能變流電路採用三相三電平的拓撲結構，含有三個結構完全相同的橋臂，每個橋臂由四組並聯有續流二極體的IGBT串聯而成，橋臂中間的兩個IGBT與一個嵌位電路並聯，該嵌位電路由兩個二極體串聯而成。每個橋臂的嵌位電路中兩個串聯二極體之間的電氣連接部分與逆變電路直流側兩個串聯電容(Cd21和Cd22)的電氣連接部分短接，該節能變流電路交流側串聯有電抗Ls。
[0032]本實施例同時具有無功補償與有源濾波的功能，採用具體控制方法如下:檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，發送給主控部分，主控部分經計算分析可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，執行如下具體控制策略:
1.逆變電路提供負載需求的有功功率；
2.節電變流電路向負載發出與之匹配的無功功率；
3.節電變流電路向負載發出與檢測到的各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的抑制波。
[0033]這樣，本實施例就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除，既實現了能量利用率的明顯提高，又讓損耗大幅降低，並使諧波的汙染得到根本抑制，還延長了系統的使用壽命O
[0034]更顯著的優勢在於:因為可以不依靠太陽能向負荷提供無功功率，系統中光伏組件的裝設容量只需略高於負載的額定功率，接近於理論最小值，大幅降低了光伏發電系統裝設成本。
[0035]本發明在新能源以及節能減排領域具有較高的推廣價值。
【權利要求】
1.一種高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於包括主控部分、節電變流電路、逆變電路、檢測電路、光伏組件接口、負載接口，其中主控部分與節電變流電路、逆變電路、檢測電路分別電氣連接；光伏組件接口與逆變電路的直流側直接電氣連接；節電變流電路與負載接口直接電氣連接，二者的電氣連接點與逆變電路的交流側直接電氣連接或經變壓器間接電氣連接，各組成部分在功能或結構上可以合併或拆分。
2.根據權利要求1所述的高功率因數型三相光伏發電系統,其特徵在於主控部分包含微處理器、微控制器中的一種或多種，其中微控制器的類型包括但不限於單片機、DSP>CPLD、FPGA、PLC。
3.根據權利要求2所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於逆變電路、節電變流電路二者可以選擇的構成方式包括但不限於:包含若干個變流橋臂或集成功率模塊，對於包含變流橋臂的情況，每個橋臂由多個全控開關器件串聯構成，每個全控開關器件都反並聯一個續流二極體，本發明描述中的「全控開關器件」指既能控制開通又能控制關斷的電力電子開關器件，類型包括但不限於電晶體、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT、GT0、SET ;對於包含集成功率模塊的情況，集成功率模塊的類型包括但不限於IPM功率模塊。
4.根據權利要求3所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於包括蓄電池充放電電路、蓄電池接口，逆變電路直流側與蓄電池充放電電路直接電氣連接，蓄電池充放電電路與蓄電池接口、主控部分分別電氣連接。
5.根據權利要求4所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於檢測電路包括但不限於:逆變電路交流側的電壓傳感器與電流傳感器、逆變電路直流側的電壓傳感器與電流傳感器。
6.根據權利要求5所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於逆變電路與節電變流電路採用的拓撲結構的電平數為2或大於2的奇數，其中大於2的奇數個電平的拓撲結構的類型包括但不限於單元級聯型、飛跨電容型、二極體嵌位型，逆變電路與節電變流電路二者各自採用何種拓撲結·構、選用多少電平數互不相關，這裡的全控開關器件包括但不限於電晶體、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。
7.根據權利要求1至權利要求6所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於包括無功補償功能，採用的控制方法為:通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率以及無功功率，通過控制實現:逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路提供負載需求的無功功率。
8.根據權利要求1至權利要求6所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於包括有源濾波功能，採用的控制方法為:通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載電流中所含的各次諧波的頻率、幅值及相位等參數，通過控制使節電變流電路發出與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，這些抑制波與諧波相抵消，從而實現了對諧波的濾除。
9.根據權利要求1至權利要求6所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於同時具有無功補償與有源濾波的功能，採用的控制方法為:通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，通過控制實現:逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路向負載發出無功功率以及與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的抑制波，這樣就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除。
10.根據權利要求1至權利要求6所述的高功率因數型三相光伏發電系統，其特徵在於包含隔離變壓器，隔離變壓器的位置包 括但不限於逆變電路交流側與負載接口之間。
【文檔編號】H02J3/18GK103855787SQ201210520938
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2012年12月7日
【發明者】李木 申請人:李木