具備離網/併網、充電控制及功率調節功能的光伏變流裝置的製作方法
2023-05-22 18:34:01
專利名稱：具備離網/併網、充電控制及功率調節功能的光伏變流裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用在太陽能光伏併網發電中的控制裝置。
背景技術：
隨著經濟發展，人口增加，能源消耗快速增長，帶來能源短缺、環境汙染、生態惡化等重大問題。太陽能光伏發電是各國競相發展的重點。光伏系統併網運行是太陽能光伏進入大規模應用的必由之路，而光伏併網逆變控制器是光伏併網系統的關鍵設備。從公開發表的文獻以及專利來看，現有的光伏併網逆變控制器僅能夠將光伏陣列的直流電逆變成交流電饋送至常規電網，但不能實現併網、蓄電池充放電和饋送電能的功率調節(包括有功和無功)和無功補償一體化控制功能，因此不能用於可靠性要求較高的離網/併網型分布式發電系統。
發明內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種可以離網/併網、充電控制及功率調節的具備離網/併網、充電控制及功率調節功能的光伏變流裝置，針對常規光伏併網發電系統逆變主電路的結構特點，在電網故障時，可以離網運行，向區域負載供電；提出將無功功率補償與光伏併網發電相結合，從而節省設備投資，同時改善電網的供電質量。
本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是本實用新型的結構特點是太陽電池陣列和蓄電池的輸出經由切換電路接入直流母線，陣列輸出端串接有防反二極體，蓄電池輸出由二極體、功率電阻和接觸器並聯接入母線；採用DSP控制單元，設置由所述DSP控制單元控制的IGBT功率電子開關T1～T6，所述功率電子開關T1～T6聯接成三相全橋逆變電路設置在陣列串接二極體後的輸出迴路中，所述DSP控制單元對於功率電子開關T1～T6的控制方式為正弦波脈寬調製SPWM；逆變輸出側經電抗L由變壓器隔離變換，通過接觸器KM2併入電網，KM2觸點兩側並接有軟啟動功率電阻R2；在併網節點之後的電網負載側採用霍爾電流互感器，檢測負載電流中無功和諧波分量，由DSP控制單元根據此產生併網電流無功分量，以補償負載所需的無功和諧波電流。
本實用新型的結構特點也在於在所述逆變電路與電網之間設置接觸器KM3；以所述太陽電池陣列的開路電壓和輸出功率作為判斷白天和夜晚的探測信號。
與光伏併網逆變技術和有源電流濾波技術相比，本實用新型的有益效果體現在1、本實用新型是在太陽電池陣列的輸出迴路中串聯防反二極體，可防止夜晚太陽電池的電壓為零時，市電網向太陽電池陣列反充電；2、本實用新型以具有開關損耗低、工作頻率高、安全工作區寬等優良特性的絕緣柵極雙極型電晶體IGBT作為功率電子開關，以所述功率電子開關T1～T6聯接成三相全橋逆變電路可以實現直流←→交流能量的雙向流動；3、本實用新型以所述三相全橋逆變電路的輸出迴路中設置工頻變壓器，可以實現交流電壓匹配和太陽電池陣列與市電網的隔離；4、本實用新型以所述檢測負載電流無功和諧波分量控制方式，是一個開環補償方式，有利於系統控制的穩定性；5、本實用新型以太陽電池陣列的開路電壓和輸出功率作為判斷白天和夜晚的探測信號，可以使系統準確判斷是處於同時併網發電和無功補償狀態還是僅處於無功補償狀態；6、本實用新型在電網故障時，可以將蓄電池存儲的能量逆變成380V/50Hz交流電，繼續給區域內的交流負載供電，實現系統的可靠離網運行，實現後備式電源功能；7、本實用新型在蓄電池電壓低於充電啟動電壓時，由電網(晚上)或電網與陣列(白天)或陣列(電網故障)等多種充電方式對蓄電池進行充電，實現系統的高效可靠的能量管理，能夠有效地、充分地利用能源且不增加額外硬體；8、本實用新型以電網對蓄電池進行浮充，可以大大減小裝置對電網的汙染，且可延長蓄電池的壽命。
圖1為本實用新型電路原理圖。
圖2(a)為負載無功電流為0時(即ia＝0)，光伏併網功率調節器輸出電流ica(有效值8.23A0與電網相電壓ea的波形關係。
圖2(b)為無功發生器發感性無功(滯後ea90°)時，負載電流ia(有效值8.37A)與光伏併網功率調節器輸出電流ica(有效值11.6A)波形，ica超前ia約43°圖3為併網電流和電網電壓波形。
圖4為網側充電電流和電網電壓同步信號波形。
圖5獨立逆變空載時，控制板上檢測的逆變電壓波形。
以下通過具體實施方式
對本實用新型作進一步描述實施例參見圖1，本實施例採用DSP控制單元，並設置由DSP控制單元控制的IGBT功率電子開關T1～T6，功率電子開關T1～T6聯接成三相全橋逆變電路設置在太陽電池陣列的輸出迴路中，DSP控制單元對於功率電子開關T1～T6的控制方式為正弦波脈寬調製SPWM。
圖1所示，本實施例中的電路設置還包括
在太陽電池陣列的輸出迴路中串聯防反二極體D1。在夜晚，太陽電池陣列開路電壓為零，不能向市電網提供有功能量，而光伏併網功率調節器還需要補償負載無功，為維持逆變橋路的正常工作，母線直流電壓必須達到一定值，防反二極體D1可防止所述母線直流電壓加到太陽電池陣列引出的電壓正負極上，保護太陽電池板。
在三相全橋逆變電路的交流輸出串聯電抗器L，再與工頻變壓器連接。電抗器L作用是連接電網和平滑併網電流，其參數的選擇關係到併網電流波形的誤差脈動幅度和跟蹤電流的有效範圍。
在光伏併網功率調節器交流側串接軟啟動電阻R2，電阻上並接交流接觸器KM2。在光伏併網功率調節器與市電網之間連接的閘刀閉合之前，交流接觸器KM2處於常開狀態，合閘後，市電網電壓經過軟啟動電阻R2由三相全橋逆變電路向直流側電容充電，當DSP檢測到直流側電壓達一定值時，控制交流接觸器KM2閉合，短接軟啟動電阻R2。軟啟動電阻R2是防止夜晚時，由於直流側電容電壓為零，直接合閘會造成大的衝擊電流。
具體實施中，太陽電池陣列的工作電壓和輸出電流決定併網有功功率的大小，還具有太陽電池陣列最大功率跟蹤功能，使併網發電功率為太陽電池陣列的最大輸出功率；負載電流中無功與諧波含量決定併網無功功率的大小，經過功率合成和功率變換，光伏併網功率調節器的輸出能量併入市電網，形成併網發電、無功補償和諧波抑制的統一控制。
具體實施無功負載是實驗專用的30KVA有源無功發生器SVG。
圖2(a)為負載無功電流為0時(即ia＝0)，光伏併網功率調節器輸出電流ica(有效值8.23A)與電網相電壓ea的波形關係，其中ea是控制板上的電壓採樣電路的輸出信號，ica與ea同相位，系統處於併網發電狀態。
圖2(b)為無功發生器發感性無功(滯後ea90°)時，負載電流ia(有效值8.37A)與光伏併網功率調節器輸出電流ica(有效值11.6A)波形，ica超前ia約43°，系統處於併網發電和無功補償狀態。
由圖2(a)和圖2(b)可知，在無功負載投入運行前，光伏併網功率調節器輸出的電流完全為有功；在無功負載投入運行後，光伏併網功率調節器的併網電流中包含了無功電流，其相位和幅值均發生變化，且電網電流isa在無功負載投入前後變化不大，實驗結果表明，該系統無功檢測和補償效果良好。
併網電流跟蹤實驗如圖3所示。圖3中，示波通道1為一相併網電流波形，示波通道2為電網相電壓波形，電流有效值為28.2A，電網充電模式下電網側電流波形如圖4所示；獨立逆變時，裝置輸出的電壓波形如圖5所示。
權利要求1.具備離網/併網、充電控制及功率調節功能的光伏變流裝置，其特徵在於太陽電池陣列和蓄電池的輸出經由切換電路接入直流母線，陣列輸出端串接有防反二極體，蓄電池輸出由二極體、功率電阻和接觸器並聯接入母線；採用DSP控制單元，設置由所述DSP控制單元控制的IGBT功率電子開關T1～T6，所述功率電子開關T1～T6聯接成三相全橋逆變電路設置在陣列串接二極體後的輸出迴路中，所述DSP控制單元對於功率電子開關T1～T6的控制方式為正弦波脈寬調製SPWM；逆變輸出側經電抗L由變壓器隔離變換，通過接觸器KM2併入電網，KM2觸點兩側並接有軟啟動功率電阻R2；在併網節點之後的電網負載側採用霍爾電流互感器，檢測負載電流中無功和諧波分量，由DSP控制單元根據此產生併網電流無功分量，以補償負載所需的無功和諧波電流。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是在所述逆變電路與電網之間設置接觸器KM3。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵是以所述太陽電池陣列的開路電壓和輸出功率作為判斷白天和夜晚的探測信號。
專利摘要具備離網/併網、充電控制及功率調節功能的光伏變流裝置，其特徵是太陽電池陣列和蓄電池輸出經由切換電路分別或同時接入直流母線；設置構成逆變電路的功率電子開關，DSP對其控制方式為正弦波脈寬調製SPWM；逆變輸出側經電抗L由變壓器隔離變換，通過接觸器併入電網，接觸器觸點兩側並有軟啟動功率電阻；DSP控制單元根據負載電流中無功和諧波分量產生併網電流無功分量，以補償負載所需的無功和諧波電流。本實用新型可延長蓄電池使用壽命，不增加附加設備下，提供無功補償和有源濾波功能，適於併網節點在虛弱電網的末梢，有利於提高和改善電網供電能力和質量，可用於離網及併網運行的分布式發電系統。
文檔編號H02J3/18GK2891473SQ20062007069
公開日2007年4月18日 申請日期2006年3月25日 優先權日2006年3月25日
發明者蘇建徽, 汪海寧, 張國榮, 茆美琴, 張健, 杜燕, 杜雪芳, 劉翔 申請人:合肥工業大學