一種高頻隔離單相光伏併網系統及其控制方法
2023-05-21 03:23:11 2
專利名稱：一種高頻隔離單相光伏併網系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻隔離的單相光伏併網系統的拓撲及其控制方法，屬於新能源
領域，特別是可再生能源發電技術領域。
背景技術：
近年來，能源危機的加重和人們環保意識的增強促進了分布式發電技術在世界各 國快速發展。光伏發電作為分布式發電技術的一種，因為其清潔環保，噪聲汙染小，維護費 用低，能提高整個電力系統的穩定性和靈活性而備受關注，越來越多的光伏併網系統被投 入使用。同時，併網運行將使光伏發電系統本身以及電網的結構和運行方式都發生重大變 化，因此，如何保證光伏併網發電系統的安全可靠運行成為光伏發電技術研究的重要內容。
傳統單相光伏併網系統的典型結構圖如圖2，3所示。為了實現電氣隔離，避免電 磁幹擾，併網系統需要使用隔離變壓器，同時，由於光伏陣列輸出電壓較低，而DC/AC變換 (逆變)器具有Buck(降壓)屬性，所以變壓器還起到升壓作用，以保證逆變後的電壓幅值 滿足併網要求。圖2是傳統的使用工頻隔離變壓器的單相光伏併網系統的結構圖，它的缺 點是工頻變壓器笨重而龐大，增加了整個系統的體積和重量，不符合電力電子向輕量化、小 型化方向發展的趨勢。圖3是傳統的使用高頻隔離變壓器的單相光伏併網系統的結構圖， 此電路雖然用高頻變壓器代替工頻變壓器減小了系統的重量和體積，但是增加的兩級電路 會造成拓撲變複雜，可靠性和能量轉換效率降低的後果。在這兩種典型結構的基礎上，各種 新的光伏併網拓撲被不斷提出，但總是沒能同時很好的解決小型輕量和高能量轉換效率這 兩個主要問題，因此，仍有必要研究新的光伏發電併網拓撲及其控制技術。
發明內容
發明目的 本發明所要解決的技術問題是提出一種高效率的高頻隔離單相光伏併網系統，通 過拓撲的改變，解決傳統光伏併網系統笨重龐大，拓撲複雜，變換級數多，穩定性和效率較 低等問題。針對光伏併網系統的自身特點，提出了優化的控制方法，克服了光伏陣列輸出電 壓的波動對系統造成的不利影響，保證了整個系統輸出電能質量高，畸變小，動態響應快， 對可再生能源發電技術的發展和環境保護起到了積極的作用。
技術方案 —種高頻隔離單相光伏併網系統，該系統包括光伏陣列，緩衝電容，高頻變換器，
高頻變壓器，AC/AC變換器，濾波器、電網以及控制電路；其中光伏陣列的輸出端經過緩衝
電容與高頻變換器的直流端連接，高頻變換器的交流端與高頻變壓器的原邊繞組Nl連接，
高頻變壓器的副邊繞組N2與AC/AC變換器的輸入端連接，AC/AC變換器的輸出端經濾波器
與電網連接，所述控制電路輸出的調製波信號，用於對整個系統進行控制。 本發明的高頻隔離單相光伏併網系統的高頻變換器為DC/AC變換器。 本發明的高頻隔離單相光伏併網系統的AC/AC變換器為單相全波橋式電路或單相全橋橋式電路，當AC/AC變換器為全波橋式電路，則高頻變換器對應為三繞組高頻變壓
器；當AC/AC變換器為全橋橋式電路，則高頻變換器對應為兩繞組的高頻變壓器。 本發明的高頻隔離單相光伏併網系統的濾波器為一階L濾波器或者三階LCL濾波器。 —種基於本發明的高頻隔離單相光伏併網系統的控制方法，當能量從光伏陣列向
電網流動時，該系統按照如下運行的模式工作 A、光伏陣列的輸出電壓經濾波後經過緩衝電容向高頻變換器提供直流電壓；
B、高頻變換器工作在逆變狀態，將A步驟的直流電壓逆變成低壓高頻交流電壓；
C、 B步驟所述低壓高頻交流電壓經高頻變壓器升壓後輸入至AC/AC變換器；
D、 AC/AC變換器將C步驟傳輸入的電壓經過變換輸出正弦脈寬調製(SP麗)方波 電壓，經濾波器濾波後向電網輸出正弦電流完成併網。 本發明的控制方法的B至D步驟中，高頻變換器和AC/AC變換器共同採用正弦脈 寬脈位調製(SPWPM)的方法，高頻變換器輸出電壓方波正負交替，AC/AC變換器將高頻變換 器輸出的正負交替的電壓方波轉換為正弦脈寬調製方波。 本發明的控制方法的B至D步驟中，控制電路對高頻變換器和AC/AC變換器的控 制採用如下步驟 首先採用最大功率點追蹤控制算法追蹤光伏陣列可以輸出的最大有功功率，得到 有功參考指令； 其次將該有功參考指令與按照電網需求設定的無功功率參考指令共同產生交流 電流參考信號； 接著通過反饋控制算法對高頻變換器的輸出電流進行控制，輸出調製波信號，控
制高頻變換器和AC/AC變換器向電網輸出期望的有功功率和可調的無功功率。 本發明的控制方法的步驟A中還有對直流電壓的變化進行補償的步驟，補償的方
法是給控制電路輸出的調製波信號乘以一個動態補償係數，該係數與實時檢測到的光伏陣
列輸出電壓成反比。 有益效果 20世紀70年代末國外已開始在正弦波逆變器中應用類似的高頻鏈拓撲，其控制 方法至今仍在不斷研究和優化中，國內的研究起步相對較晚。但是國內外對這種高頻鏈拓 撲及其控制的研究主要集中在獨立運行的逆變器和AC/AC變換器上，運用於UPS (不間斷電 源)等場合。本發明首次把這種拓撲和控制加以改進，以運用到併網系統中，並針對性地解 決了在光伏併網系統中遇到的特殊問題，實現了光伏併網系統的電磁隔離、小型輕量、以及 高轉換效率。本發明所提供的高效率的高頻隔離單相光伏併網系統及其控制方法的有益效 果主要有 1.小型、輕量，省去了笨重龐大的工頻變壓器，由重量體積大大減小了的高頻變壓 器替代其電氣隔離和升壓的作用； 2.只有兩級功率變換低壓直流電壓/低壓高頻交流電壓脈衝/高壓工頻交流電
壓，拓撲簡單，轉換效率高，可靠性好； 3.整個系統動態響應快，能實現能量雙向流動； 4.克服了光伏陣列輸出電壓的波動對系統造成的不利影響，輸出正弦波質量高，
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5.系統既可以把光伏陣列可輸出的最大有功功率送入電網，又可以充當無功發生裝置對電網無功進行補償。
圖1是本發明高效率的高頻隔離單相光伏併網系統的結構圖。
圖2是傳統的使用工頻隔離變壓器的單相光伏併網系統的結構圖。 圖3是傳統的使用高頻隔離變壓器的單相光伏併網系統的結構圖。 圖4是本發明高效率的高頻隔離單相光伏併網系統實例一一一使用全橋橋式AC/
AC變換器和LCL濾波器的電路。 圖5是本發明高效率的高頻隔離單相光伏併網系統實例二 一一使用全橋全波式AC/AC變換器和L濾波器的電路。 圖6是實例二所對應的單極性SPWPM調製原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明 如圖l所示，併網型單相光伏發電系統包括光伏陣列，緩衝電容，高頻變換器，高頻變壓器，AC/AC變換器，濾波器和電網。其中光伏陣列的輸出通過緩衝電容接高頻變換器的直流端，高頻變換器的交流端接高頻變壓器的Nl繞組，高頻變壓器的N2繞組接AC/AC變換器，AC/AC變換器的輸出經濾波器接電網。其中高頻變換器可選擇各種能量可以雙向流動的DC/AC變換器，例如如圖4，5所示的全橋式電路。AC/AC變換器有全橋全波式和全橋橋式兩種電路，如果選擇如圖4所示的全橋橋式電路，則各相對應使用兩繞組的高頻變壓器；如果選擇如圖5所示的全橋全波式電路，則各相對應使用三繞組高頻變壓器，當能量從光伏陣列向電網流動時，三個繞組中包括一個原邊繞組和兩個副邊繞組。濾波器為如圖4所示的一階L濾波器或者如圖5所示的三階LCL濾波器。 該高效率的高頻隔離單相光伏併網系統的運行方式為當能量從光伏陣列向電網流動時，光伏陣列的輸出經穩壓和濾波後提供直流電壓，高頻變換器工作在逆變狀態，將直流電壓逆變成幾十至幾百千赫的低壓高頻交流電壓，低壓高頻交流電壓經高頻變壓器升壓後輸入AC/AC變換器，AC/AC變換器變頻輸出高壓正弦脈寬調製方波電壓，經濾波器濾波後向電網輸出正弦電流完成併網。因為整個系統的能量可以雙向流動，所以本系統也可作其他用途，例如可以根據電網需求，系統給電網進行無功補償，如果系統中包含其他儲能裝置或本地負載，電網還可以和光伏發電系統一起為儲能裝置和本地負載提供有功功率。
適用於上述高效率的高頻隔離單相光伏併網系統的控制目標如下高頻變換器和AC/AC變換器配合工作，控制器控制系統有功功率和無功功率的輸出，使整個系統能量可以受控作雙向流動，MPPT控制算法追蹤光伏陣列可以輸出的最大有功功率，把它和電網需要的無功功率送入電網，另外需要控制併網交流電流使其正弦度高，以保證對電網無汙染。
對於高頻變換器具體的控制方法為採用MPPT控制算法(可採用爬山法，電導增量法等)追蹤光伏陣列可以輸出的最大有功功率得到有功參考指令，與按照電網需求設定的無功功率參考指令共同產生交流電流參考信號，接著通過反饋控制算法(如PID控制、重複控制、諧振控制、滑模控制等)對高頻變換器的輸出電流進行控制，輸出調製波信號，控制變換器向電網輸出期望的有功功率和可調的無功功率。值得注意的是，對於光伏系統而言，直流側電壓，即光伏陣列輸出電壓是隨著光照強度和溫度的變化而變化的，為了保證併網電流正弦度良好及其幅值頻率穩定，必須對直流電壓的變化進行補償。補償的方法是給控制電路輸出的調製波信號乘以一個動態補償係數，該係數與實時檢測到的光伏陣列輸出電壓成反比當光伏陣列輸出電壓減小時，動態係數增大，調製比隨之增大，補償了光伏陣列輸出電壓的減小，使AC/AC變換器的輸出脈寬調製信號的伏秒面積不隨光伏陣列電壓的減小而變化，於是輸出電流保持良好的正弦性，系統運行穩定；當光伏陣列輸出電壓增大時，動態係數減小，調製比隨之減小，補償了光伏陣列輸出電壓的增大，使AC/AC變換器的輸出脈寬調製信號的伏秒面積不隨光伏陣列電壓的增大而變化，於是輸出電流保持良好的正弦性，系統運行穩定。 把按照上述方法得到的調製波進行SPWPM調製，同時控制高頻變流器和AC/AC變換器，使二者配合工作，高頻變換器輸出電壓方波周期為開關周期的兩倍，且每周期內的前後半周期電壓方波正負交替，AC/AC變換器每隔一個開關周期翻轉一次高頻變換器輸出的電壓方波，將電壓從高頻變為工頻，這樣只需兩級變換電路就實現了高頻連結隔離變換，保證了整個系統可控穩定的運行。 對於如圖4所示的使用全橋橋式AC/AC變換器的單相電路實例一，單極性SPWPM調製的方法如下將調製波進行SP麗調製得到信號、，將、下降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S3的驅動信號；將調製波的反極性信號進行SP麗調製得到信號b，將k2下降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S2、 S4的驅動信號；將載波下降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S7a， S7b， S8a， S8b和S5a， S5b， S6a， S6b的驅動信號。
對於如圖5所示的使用全橋全波式AC/AC變換器的單相電路實例二，單極性SPWPM調製的方法如圖6所示將調製波um進行SP麗調製得到信號、，將、下降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S3的驅動信號；將調製波的反極性信號-um進行SP麗調製得
到信號b，將k2下降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S2、 S4的驅動信號；將載波下
降沿二分頻、反相互補後分別得到功率開關S7， S8和S5， S6的驅動信號。 上述單極性SPWPM移相控制具有如下優點實現了 AC/AC變換器的零電壓開關
(ZVS)開關；輸出濾波器的前端電壓為單極性SP麗波，頻譜特性優，濾波器體積重量小；工
程實現較易。 本發明所提供的高效率的高頻隔離單相光伏併網系統小型、輕量，省去了笨重龐大的工頻變壓器，由重量體積大大減小了的高頻變壓器替代其電氣隔離和升壓的作用；只有兩級功率變換低壓直流電壓/低壓高頻交流電壓脈衝/高壓SP麗電壓，拓撲簡單，轉換效率高，可靠性好；針對光伏併網系統的自身特點，提出了優化的控制算法，克服了光伏陣列輸出電壓的波動對系統造成的不利影響，保證了整個系統輸出正弦波質量高，畸變小，動態響應快，能實現能量雙向流動，且可充當無功發生裝置對電網無功進行補償。
權利要求
一種高頻隔離單相光伏併網系統，其特徵在於該系統包括光伏陣列，緩衝電容，高頻變換器，高頻變壓器，AC/AC變換器，濾波器、電網以及控制電路；其中光伏陣列的輸出端經過緩衝電容與高頻變換器的直流端連接，高頻變換器的交流端與高頻變壓器的原邊繞組N1連接，高頻變壓器的副邊繞組N2與AC/AC變換器的輸入端連接，AC/AC變換器的輸出端經濾波器與電網連接，所述控制電路輸出的調製波信號，用於對整個系統進行控制。
2. 根據權利要求1所述的高頻隔離單相光伏併網系統，其特徵在於所述的高頻變換 器為DC/AC變換器。
3. 根據權利要求1所述的高頻隔離單相光伏併網系統，其特徵在於所述的AC/AC變 換器為全橋全波式電路或全橋橋式電路，當AC/AC變換器為單相全波橋式電路，則高頻變 換器對應為三繞組高頻變壓器；當AC/AC變換器為單相全橋橋式電路，則高頻變換器對應 為兩繞組的高頻變壓器。
4. 根據權利要求1所述的高頻隔離單相光伏併網系統，其特徵在於所述的濾波器為 一階L濾波器或者三階LCL濾波器。
5. —種基於權利要求1所述的高頻隔離單相光伏併網系統的控制方法，其特徵在於 當能量從光伏陣列向電網流動時，該系統按照如下運行的模式工作A、 光伏陣列的輸出電壓經濾波後經過緩衝電容向高頻變換器提供直流電壓；B、 高頻變換器工作在逆變狀態，將A步驟的直流電壓逆變成低壓高頻交流電壓；C、 B步驟所述低壓高頻交流電壓經高頻變壓器升壓後輸入至AC/AC變換器；D、 AC/AC變換器將C步驟傳輸入的電壓經過變換輸出高壓正弦脈寬調製(SP麗)方波 電壓，經濾波器濾波後完成併網。
6. 根據權利要求5所述的高頻隔離單相光伏併網系統的控制方法，其特徵在於所述 B至D步驟中，高頻變換器和AC/AC變換器共同採用正弦脈寬脈位調製(SPWPM)的方法，高 頻變換器輸出電壓方波正負交替，AC/AC變換器將高頻變換器輸出的正負交替的電壓方波 轉換為SP麗方波。
7. 根據權利要求5所述的高頻隔離單相光伏併網系統的控制方法，其特徵在於所述B 至D步驟中，控制電路對高頻變換器和AC/AC變換器的控制採用如下步驟首先採用最大功率點追蹤控制算法追蹤光伏陣列可以輸出的最大有功功率，得到有功 參考指令；其次將該有功參考指令與按照電網需求設定的無功功率參考指令共同產生交流電流 參考信號；接著通過反饋控制算法對高頻變換器的輸出電流進行控制，輸出調製波信號，控制高 頻變換器和AC/AC變換器向電網輸出期望的有功功率和可調的無功功率。
8. 根據權利要求5所述的高頻隔離單相光伏併網系統的控制方法，其特徵在於步驟A 中還有對直流電壓的變化進行補償的步驟，補償的方法是給控制電路輸出的調製波信號乘 以一個動態補償係數，該係數與實時檢測到的光伏陣列輸出電壓成反比。
全文摘要
本發明提供一種高頻隔離單相光伏併網系統及其控制方法。系統主要由光伏陣列，緩衝電容，高頻變換器，高頻變壓器，AC/AC變換器，濾波器和電網組成；通過使用高頻連結技術，實現了光伏發電系統與電網的電氣隔離，減小了隔離變壓器和整個系統的重量和體積，且只需兩級功率變換，簡化了拓撲，提高了整個系統的可靠性和電能轉換的效率。此外，針對該拓撲和光伏系統自身的特點，提出了優化的控制算法，克服了光伏陣列輸出電壓的波動對系統造成的不利影響，保證了整個系統輸出電能質量高，畸變小，動態響應快，能量可雙向流動，能夠根據電網需求提供無功補償。
文檔編號H02M7/537GK101777775SQ20101011455
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者周克亮, 周文華, 朱力, 朱文杰, 蘇秀娥 申請人:東南大學