一种高功率因数型三相光伏发电系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏发电系统，尤其涉及一种高功率因数型三相光伏发电系统及其控制方法。本发明的高功率因数型三相光伏发电系统包括主控部分、逆变电路、节电变流电路、检测电路、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、光伏组件接口、负载接口，隔离变压器可选，各组成部分在功能或结构上可合并或拆分。具体控制方法如下：光伏组件产生的不稳定的直流电经逆变电路转化为稳定的交流电，向负载提供有功功率；节电变流电路通过实时检测负载侧参数，提供与之匹配的无功功率，并可对负载产生的谐波进行滤除。本发明既能大幅提高系统的功率因数，还能显著优化电能质量，并可在系统方案设计之初减少光伏组件装机容量，降低系统装设成本。
【专利说明】一种高功率因数型三相光伏发电系统及其控制方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光伏发电系统，尤其涉及一种高功率因数型三相光伏发电系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，石油、煤、天然气等不可再生能源日渐稀少，以太阳能为代表的新能源符合全球低碳经济的时代潮流，已经得到世界各国政府的认可、重视与扶持。
[0003]光伏发电相关产业在最近几年得到了快速发展，但时至今日，相对于使用如煤炭、石油等不可再生能源的传统发电系统，光伏发电在成本上仍处于劣势地位。这就要求科技工作者不断探索，一方面，想方设法的降低光伏发电系统的装设成本，另一方面，尽可能的提高光伏发电系统的功率因数以及转换效率，降低损耗。
[0004]当今，电力负载中有为数不少的以电动机为代表的感性负载，这类负载在工作时，光伏发电系统不仅仅提供有功功率，还必须同时提供一定量的无功功率，因为最大视在功率、最大电流和最大电压等参数的限制，传统光伏发电系统必须降低功率因数运行，这种情况大大降低了太阳能转化为电能的效率，并且因为在高电压大电流的状态下长时间运行，增加了电能在传输过程中的损耗，也降低了光伏发电系统的使用寿命。
[0005]更明显的弊端在于:光伏发电系统在设计之初，因应感性负载的特性，加上电机类负载启动时较多的无功功率需求，设计人员通常会把光伏组件的容量设计成比负载的额定功率多出一半至几倍的瓦特数，无疑，这大幅提高了光伏发电系统的装设成本。
[0006]除了上述弊端之外，当今的大量负载都会产生各种谐波，这些谐波不仅降低系统的使用寿命，还使电能的损耗大幅增加，甚至影响一些高精密仪器、设备的正常工作。
【发明内容】
`[0007]本发明的高功率因数型三相光伏发电系统，能克服上述缺点，从无功补偿与滤除谐波的角度解决问题，通过减小光伏组件的容量，使光伏发电系统的装设成本大幅降低。
[0008]本发明的高功率因数型三相光伏发电系统包括主控部分、逆变电路、节电变流电路、检测电路、光伏组件接口、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、负载接口，隔离变压器为可选组件，各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分。主控部分与逆变电路、节电变流电路、蓄电池充放电电路、检测电路分别电气连接；光伏组件接口与逆变电路的直流侧直接电气连接；节电变流电路与负载接口直接电气连接，二者的电气连接点与逆变电路的交流侧直接电气连接或经变压器间接电气连接；蓄电池接口与蓄电池充放电电路直接电气连接；检测电路与逆变电路、节电变流电路、光伏组件接口、蓄电池充放电电路分别电气连接。
[0009]本发明的主控部分包含微处理器、微控制器中的一种或多种，负责整个系统的信息采集、分析处理、决策输出等核心任务，是整个光伏发电系统的控制核心。其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD, FPGA, PLC0
[0010]逆变电路与节电变流电路的构成方式类似，二者可以选择的构成方式包括但不限于:包含若干个变流桥臂或集成功率模块。对于包含变流桥臂的情况，每个桥臂由多个全控开关器件串联构成，每个全控开关器件都反并联一个续流二极管，本发明描述中的“全控开关器件”指既能控制开通又能控制关断的电力电子开关器件，类型包括但不限于晶体管、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。对于包含集成功率模块的情况，集成功率模块的类型包括但不限于IPM功率模块。
[0011]本发明的检测电路包括但不限于:逆变电路交流侧的电压传感器与电流传感器、逆变电路直流侧的电压传感器与电流传感器。
[0012]逆变电路与节电变流电路采用的拓扑结构的电平数为2或大于2的奇数，其中大于2的奇数个电平的拓扑结构的类型包括但不限于单元级联型、飞跨电容型、二极管嵌位型，这里的全控开关器件包括但不限于晶体管、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。
[0013]逆变电路、节电变流电路二者各自采用何种拓扑结构、选用多少电平数互不相关。即二者采用的拓扑结构可以相同，也可不同；二者选用的拓扑结构的电平数可以相同，也可不同。
[0014]本发明可在传统光伏发电系统功能的基础上增加无功补偿的功能，采用控制方法如下:通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率以及无功功率，通过控制实现:逆变电路提供负载需求的有功功率；节电变流电路提供负载需求的无功功率。
[0015]本发明也可在传统光伏发电系统功能的基础上增加有源滤波的功能，采用控制方法如下:通过检测电路实时获得负载侧电流的瞬时值，经分析计算可得负载电流中所含的各次谐波的频率、幅值及相位等参数，通过控制使节电变流电路发出与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波，抑制波与谐波相抵消，从而实现了对谐波的滤除。
[0016]本发明还可在传统光伏发电系统功能的基础上同时增加无功补偿与有源滤波的功能，采用控制方法如下:通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，通过控制实现:逆变电路提供负载需求的有功功率；节电变流电路向负载发出无功功率以及与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，这样就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除。
[0017]相对于传统光伏发电系统，本发明的优势包括但不限于如下方面:
首先，一个明显的优势在于:本发明的光伏发电系统使光伏组件的设计容量降至接近于极限值，只需略大于负荷的额定功率即可。对于同样的带有感性分量的负载，当今广泛应用的传统设计方案中，光伏组件的设计容量一般为本设计方案的1.5倍至3倍，个别无功功率需求较高的应用场合甚至达到3倍以上。本发明具有上述优势的原因在于:电机类负载启动时较多的无功功率需求由本发明的节电变流电路提供，而不是由光伏组件提供，这大幅降低了光伏发电系统的装设成本。
[0018]其次，在长期运行过程中，对于电力负载中异步电动机为代表的感性负载，本发明的光伏发电系统不仅仅提供有功功率，还可同时发出与负荷匹配的无功功率，大幅提高功率因数，并且减少了电能在传输过程中的损耗，也间接延长了光伏发电系统的使用寿命。
[0019]再次，现在的大量负载电流中都含有各种谐波，本发明的光伏发电系统可以实时滤除这些谐波，不仅延长了系统的使用寿命，还使电能的损耗大幅降低，附近的高精密仪器、设备也可正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例的一次侧电气结构示意图。
[0021]图2为本发明实施例的控制与检测电路示意图。
[0022]图3为本发明实施例的主控部分电路原理图。
[0023]图4为本发明实施例的逆变电路原理图。
[0024]图5为本发明实施例的节电变流电路原理图。
【具体实施方式】
[0025]以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。
[0026]本实施例如图1?图5所示。
[0027]本实施例包括主控部分、逆变电路、节电变流电路、检测电路、光伏组件接口、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、负载接口，其中主控部分与逆变电路、节电变流电路、蓄电池充放电电路、检测电路分别电气连接；检测电路与逆变电路、节电变流电路、蓄电池充放电电路分别电气连接；蓄电池充放电电路与逆变电路的直流侧电气连接；节电变流电路、逆变电路与负载接口在交流侧直接电气连接；蓄电池接口与蓄电池充放电电路电气连接。本实施例的一次侧电气结构示意图如图1所示。
[0028]本实施例的检测电路包括但不限于:
1.逆变电路交流侧的电压传感器；
2.逆变电路交流侧的电流传感器；
3.逆变电路直流侧的电压传感器；
4.逆变电路直流侧的电流传感器。
[0029]本实施例的主控部分电路原理图如图3所示，Ul是微控制器，对系统的运行进行精确控制，并对传感器数据进行实时分析并决策；U17是为微控制器提供精准时钟的晶体振荡器；U11是用于存储数据的存储器；主控部分通过Jll、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32等端口分别与外部功能模块进行信息交换，其中Jll为开关量输入端口，包含但不限于系统发出的过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护、超载等开关量信息；J12为开关量输出接口，主控部分的开关量控制信息经此端口发出；J13为串行通信接口 ；J15是微控制器编程接口 ；J21是用于并行通信的数据/地址总线接口 ；J31是SPI通信接口 ；J32是SCI通信接口 ；微控制器精确计算出实时脉宽信息，并经J20接口输出PWM脉冲。
[0030]本实施例的逆变电路原理图如图4所示，该逆变电路采用三相两电平的拓扑结构，含有三个结构完全相同的变流桥臂，每个变流桥臂由两组并联有续流二极管的IGBT串联而成，逆变电路直流侧并联有支撑电容Cdl。
[0031]本实施例的的节电变流电路原理图如图5所示，该节能变流电路采用三相三电平的拓扑结构，含有三个结构完全相同的桥臂，每个桥臂由四组并联有续流二极管的IGBT串联而成，桥臂中间的两个IGBT与一个嵌位电路并联，该嵌位电路由两个二极管串联而成。每个桥臂的嵌位电路中两个串联二极管之间的电气连接部分与逆变电路直流侧两个串联电容(Cd21和Cd22)的电气连接部分短接，该节能变流电路交流侧串联有电抗Ls。
[0032]本实施例同时具有无功补偿与有源滤波的功能，采用具体控制方法如下:检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，发送给主控部分，主控部分经计算分析可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，执行如下具体控制策略:
1.逆变电路提供负载需求的有功功率；
2.节电变流电路向负载发出与之匹配的无功功率；
3.节电变流电路向负载发出与检测到的各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波。
[0033]这样，本实施例就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除，既实现了能量利用率的明显提高，又让损耗大幅降低，并使谐波的污染得到根本抑制，还延长了系统的使用寿命O
[0034]更显著的优势在于:因为可以不依靠太阳能向负荷提供无功功率，系统中光伏组件的装设容量只需略高于负载的额定功率，接近于理论最小值，大幅降低了光伏发电系统装设成本。
[0035]本发明在新能源以及节能减排领域具有较高的推广价值。
【权利要求】
1.一种高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于包括主控部分、节电变流电路、逆变电路、检测电路、光伏组件接口、负载接口，其中主控部分与节电变流电路、逆变电路、检测电路分别电气连接；光伏组件接口与逆变电路的直流侧直接电气连接；节电变流电路与负载接口直接电气连接，二者的电气连接点与逆变电路的交流侧直接电气连接或经变压器间接电气连接，各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分。
2.根据权利要求1所述的高功率因数型三相光伏发电系统,其特征在于主控部分包含微处理器、微控制器中的一种或多种，其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP>CPLD、FPGA、PLC。
3.根据权利要求2所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于逆变电路、节电变流电路二者可以选择的构成方式包括但不限于:包含若干个变流桥臂或集成功率模块，对于包含变流桥臂的情况，每个桥臂由多个全控开关器件串联构成，每个全控开关器件都反并联一个续流二极管，本发明描述中的“全控开关器件”指既能控制开通又能控制关断的电力电子开关器件，类型包括但不限于晶体管、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT、GT0、SET ;对于包含集成功率模块的情况，集成功率模块的类型包括但不限于IPM功率模块。
4.根据权利要求3所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于包括蓄电池充放电电路、蓄电池接口，逆变电路直流侧与蓄电池充放电电路直接电气连接，蓄电池充放电电路与蓄电池接口、主控部分分别电气连接。
5.根据权利要求4所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于检测电路包括但不限于:逆变电路交流侧的电压传感器与电流传感器、逆变电路直流侧的电压传感器与电流传感器。
6.根据权利要求5所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于逆变电路与节电变流电路采用的拓扑结构的电平数为2或大于2的奇数，其中大于2的奇数个电平的拓扑结构的类型包括但不限于单元级联型、飞跨电容型、二极管嵌位型，逆变电路与节电变流电路二者各自采用何种拓扑结·构、选用多少电平数互不相关，这里的全控开关器件包括但不限于晶体管、IGBT, MOSFET, IGCT, IEGT, GTO, SET。
7.根据权利要求1至权利要求6所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于包括无功补偿功能，采用的控制方法为:通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率以及无功功率，通过控制实现:逆变电路提供负载需求的有功功率；节电变流电路提供负载需求的无功功率。
8.根据权利要求1至权利要求6所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于包括有源滤波功能，采用的控制方法为:通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载电流中所含的各次谐波的频率、幅值及相位等参数，通过控制使节电变流电路发出与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，这些抑制波与谐波相抵消，从而实现了对谐波的滤除。
9.根据权利要求1至权利要求6所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于同时具有无功补偿与有源滤波的功能，采用的控制方法为:通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，通过控制实现:逆变电路提供负载需求的有功功率；节电变流电路向负载发出无功功率以及与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波，这样就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除。
10.根据权利要求1至权利要求6所述的高功率因数型三相光伏发电系统，其特征在于包含隔离变压器，隔离变压器的位置包 括但不限于逆变电路交流侧与负载接口之间。
【文档编号】H02J3/18GK103855787SQ201210520938
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】李木 申请人:李木