以鋰離子超級電容器改善電能質量的單相光伏逆變器系統的製作方法

2023-04-29 16:17:51

本實用新型涉及光伏併網發電及控制技術領域，特別涉及一種以鋰離子超級電容器（LiC）改善電能質量的單相光伏逆變器系統。

背景技術：

根據國內外客戶反饋條件及市場趨勢，光伏併網系統中的逆變器選型安裝越來越傾向於小型化、智能化和模塊化，因此單相光伏併網逆變器應用愈加廣泛，以滿足小型家用單相光伏發電的要求。

光伏發電易受環境因素影響，不連續性和隨機性太大，容易造成發電系統的電壓波動，功率波動；另外，光伏發電系統還與大電網連接和單獨運行穩定性的問題聯繫緊密。同時改善電能質量對於電網的安全、經濟運行，保障工業產品質量和科學實驗的正常進行以及降低能耗等均有重要意義，電能質量直接關係到國家經濟的總體效益。

與不帶儲能裝置的單相併網發電系統相比，帶有儲能裝置的單相併網發電系統可根據需求通過並、離網切換功能實現電能的任意調度，常用作備用電源，用於電網掉電時緊急供電。

現階段，儲能裝置一般包括超導儲能系統、蓄電池儲能系統、飛輪儲能系統和超級電容器儲能系統等。從改善電能質量的角度來看，儲能裝置在補償有功的同時，還可以提供無功補償，應用越來越廣泛。

鋰離子超級電容器（LiC）在同一電解池中實現了超級電容器和鋰離子電池技術的結合，在保持高比功率、長壽命和快速充電特性的前提下，大幅度提高了能量密度。鋰離子超級電容器具有超級電容的長壽命、高功率和安全性，同時還具有比超級電容器更高的電壓、大容量和能量密度。因此，本發明提出將LiC應用於單相光伏逆變器。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種以鋰離子超級電容器改善電能質量的單相光伏逆變器系統，該單相光伏逆變器系統輸出穩定，可避免輸出電壓大幅度波動導致的一系列後果，從而改善電能質量控制效果和有功電流調節效果。

本實用新型的技術方案如下：

以鋰離子超級電容器改善電能質量的單相光伏逆變器系統，包括：

光伏陣列、儲能系統、全橋逆變電路、控制電路、檢測電路和非線性負載，儲能系統由鋰離子超級電容器和雙向DC/DC變流器並聯組成；其中，光伏陣列的輸出端連接儲能系統，儲能系統並聯於全橋逆變電路的直流側，非線性負載並聯於全橋逆變電路的交流側；檢測電路連接非線性負載，用來檢測非線性負載的無功電流和諧波電流；檢測電路的輸出端連接控制電路的輸入端，控制電路的輸出端連接全橋逆變電路。

進一步的，雙向DC/DC變流器通過電容C與鋰離子超級電容器連接，電容C用來穩定鋰離子超級電容器的輸出電壓；其中，雙向DC/DC變流器包括第一開關管 G1、第二開關管 G2和電感L，電容C與鋰離子電容器並聯，電容C、電感L、第二開關管G2依次相連，第二開關管G2與電感L相連的一端還連接第一開關管G1。

進一步的，檢測電路包括無功電流檢測電路和諧波電流檢測電路，檢測電路可採用DSP晶片實現。

進一步的，控制電路採用DSP晶片。

本實用新型中，光伏陣列由光伏電池並聯組成，用來將太陽能轉換為電能並輸出。儲能系統並聯於全橋逆變電路的直流側，用來根據需要存儲和釋放能量，使光伏陣列運行於最大功率跟蹤狀態，減少送入電網的功率波動。光伏陣列和儲能系統連接直流母線，直流母線輸入的直流電經全橋逆變電路轉換為交流電。非線性負載經全橋逆變電路連接直流母線，公共電網接入到非線性負載和全橋逆變電路之間。檢測電路與非線性負載連接，用來檢測非線性負載的無功電流和諧波電流，檢測結果送入控制電路。控制電路根據檢測結果控制全橋逆變電路的輸出，使全橋逆變電路輸出電流與公共電網電流同頻同相，從而實現併網。

儲能系統由一個LiC和雙向DC/DC變流器組成。鋰離子超級電容器是一種非對稱性電容器，其活性炭電極為正極，Li摻雜的碳電極作為負極，可在同一電解池實現超級電容器和鋰離子電池技術的結合。正極通過活性物質的表層嵌入脫出鋰離子來儲能，即所謂的贗電容；負極通過摻雜Li的多孔活性炭依靠雙電層來實現儲能，即所謂的雙電層電容。相對於活性炭組成的對稱性電容器，非對稱性電容器的能量密度得以顯著提高。

本實用新型中，LiC通過雙向DC/DC變流器接入全橋逆變電路的直流側，即輸入端。當光伏陣列輸出功率較大時，LiC可作為儲能設備，儲存部分光伏陣列的輸出電能；當光伏陣列輸出功率較小時，LiC可為光伏陣列提供能力補充，以保證電能質量。

和現有技術相比，本實用新型具有如下優點和有益效果：

輸出穩定，可避免輸出電壓大幅度波動導致的一系列後果，從而改善電能質量控制效果和有功電流調節效果。

附圖說明

圖1是本實用新型單相光伏逆變器系統的具體控制框圖；

圖2是本實用新型儲能系統的具體電路拓撲圖。

圖中，1-光伏陣列，2-儲能系統，3-全橋逆變電路，4-控制電路，5-檢測電路，6-非線性負載，7-鋰離子超級電容器，8-雙向DC/DC變流器。

具體實施方式

下面將參考附圖來詳細說明本發明。

參見圖1，本實用新型在全橋逆變電路3直流側並聯一儲能系統2，儲能系統2由鋰離子超級電容器7和雙向DC/DC變流器8並聯構成。雙向DC/DC變流器8根據光伏陣列1的輸出功率和電網反饋信息，控制鋰離子超級電容器7的能量流動。

光伏陣列1的輸出功率是波動的，且變化率較大，大致可分為相對高頻和相對低頻的兩部分功率波動。鋰離子超級電容器7隨相對高頻的功率波動充電或放電，通過削峰、填谷實現併網功率的平抑、減小其變化率。電網故障時，斷開電網，光伏陣列1的輸出功率即可存儲到儲能系統2，這樣光伏陣列1仍能繼續發電，從而提高系統發電效率，同時起到穩定直流母線電壓的作用，防止電壓過高而損壞設備。在光照強度不夠，比如陰天、夜晚等或電網斷電時，儲能系統2用作不間斷電源進行供電，可作為有源功率調節器用來提高電網終端的電能質量。另外，鋰離子超級電容器7可為光伏陣列1提供能量補充，減少光伏陣列1因光照強度變化對系統運行的影響，提高系統的工作可靠性。

本實施例中，全橋逆變電路3由4個橋臂構成，各橋臂由一IGBT和一反並聯二極體組成，成對的兩個橋臂同時導通，兩對橋臂交替各導通180度。全橋逆變電路3採用雙極性正弦脈寬調製（spwm）。

參見圖2，儲能系統2中的雙向DC/DC變流器8採用半橋結構，其中第一開關管 G1和第二開關管 G2互補工作。雙向DC/DC變流器8的輸入電壓由鋰離子超級電容器7的儲存電能提供，通過電感L、第一開關管 G1和第二開關管 G2，達到雙向直流升壓與降壓的目的。第一開關管 G1和第二開關管 G2均由一個IGBT和一個反並聯二極體組成。當光伏陣列1輸出功率大於給定的併網功率時，儲能裝置2充電，此時雙向DC/DC變流器8工作在 Buck 電路模式。當光伏陣列1輸出功率小於給定的併網功率時，儲能裝置2放電，此時雙向DC/DC變流器8工作在 Boost 電路模式。

儲能系統2併網時主要由全橋逆變電路3實現併網控制，控制目標主要使全橋逆變電路3輸出的交流電流與電網電壓同頻同相，同時儘量讓輸出併網電流總諧波畸率小，實現對有功、無功、諧波的複合控制，保證輸出電能質量，降低對電網的幹擾。