一种可变频型三相光伏逆变系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏逆变系统及其控制方法，尤其涉及一种可变频型三相光伏逆变系统及其控制方法。本发明的可变频型三相光伏逆变系统包括主控部分、逆变电路、检测电路、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、光伏组件接口、工频负载接口、变频负载接口、电控开关、警示应答装置，隔离变压器可选。控制方法为：当变频负载请求供电时，在所有工频负载允许断电的前提下，断开并禁止接通所有工频负载，对变频负载以变频方式供电；当频率变为恒定的工频时，系统参照用户预先设定的重要等级，自动将功率总和不大于系统剩余发电容量且允许通电的工频负载逐一上电。对于带有电机类负载的光伏发电系统，本发明可在方案设计之初减少光伏组件数量，降低装设成本。
【专利说明】一种可变频型三相光伏逆变系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光伏逆变系统及其控制方法，尤其涉及一种可变频型三相光伏逆变系统及其控制方法。
【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，尽可能的提高光伏发电系统的转换效率，降低损耗，另一方面，想方设法的降低光伏发电系统的装设成本。
[0004]当今，电力负载中有为数不少的电机类负载，这类负载在启动的短时间内，需要较大的电源功率，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，功率消耗较之稳定运行时大幅增加，因而，光伏发电系统在设计之初，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，这大幅提高了以光伏组件为主的光伏发电系统的装设成本。
【发明内容】
[0005]本发明的可变频型三相光伏逆变系统，是光伏发电系统的核心组成部分，成本与传统逆变装置差别不大，功能上可克服上述缺点，对于电机类负载，从变频的角度解决问题，通过减少光伏组件的容量，使光伏发电系统的装设成本大幅降低。除此之外，本发明的科学的电源管理与控制方法也对能源的节省与高效利用具有重要意义。
[0006]本发明所有相关描述中的“工频”含义为一个国家或地区市电、工业用电的频率，包括但不限于50赫兹、60赫兹。
[0007]本发明的可变频型三相光伏逆变系统包括主控部分、逆变电路、检测电路、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、光伏组件接口、工频负载接口、变频负载接口、电控开关、警示应答装置，变压器可选，其中主控部分与逆变电路、检测电路、蓄电池充放电电路、光伏组件接口、工频负载接口、变频负载接口、电控开关、警示应答装置分别电气连接；光伏组件接口、蓄电池充放电电路以及逆变电路的直流侧三者彼此电气连接；蓄电池充放电电路与蓄电池接口电气连接；检测电路与蓄电池充放电电路、电控开关、逆变电路的交直流两侧分别电气连接；工频负载接口、变频负载接口分别与逆变电路交流侧直接电气连接或经变压器间接电气连接。工频负载接口的数量为一个或相互并联的多个，变频负载接口的数量为一个或相互并联的多个。以上各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分。
[0008]主控部分与电控开关、警示应答装置分别通过有线或无线的方式进行通信:有线通信方式包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线；无线通信方式包括但不限于射频、红外、蓝牙、磁场。此外，电控开关的状态信息也可以选择经检测电路发送至主控部分。
[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，是整个光伏逆变系统的控制核心。其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD, FPGA, PLC0
[0010]本发明的逆变电路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。
[0011]本发明的逆变电路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二极管嵌位型、飞跨电容型、单元级联型。
[0012]本发明中的电控开关指可以通过有线或无线方式控制其开通、关断的开关器件，类型上包含但不限于断路器、接触器、继电器，位于逆变器交流侧与负载之间，可对一路或多路负载的上电、停电进行远程操控。
[0013]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、蓄电池充放电电路的电压传感器。
[0014]本发明包含辅助控制的警示应答装置，该警示应答装置位于各个负载附近，包含声音报警装置、光报警装置、指示灯、数码管、显示屏、显示器中的一种或多种，还包含警示应答按钮，并具有通信接口，主控部分对一路或多路负载进行通、断电远程操作前的一段时间内，操控对象附近的警示应答装置会选择发声、发光以及信息显示三种形式中的一种或多种进行报警，提示操作人员判断此时是否允许远程操作并通过警示应答按钮予以回复，主控部分根据一段时间内是否得到回复以及回复内容的不同，按照用户预先设定的程序分别进行后续操控。
[0015]本发明针对可变频型三相光伏逆变系统的具体控制方法如下。
[0016]1.针对所有负载。
[0017]当系统运行在非工频状态时，系统断开并禁止接通所有其它负载接口。
[0018]系统供电运行时，如系统供电能力下降，经问询后，断开现场应答允许断电且用户预先设定的重要等级相对较低的负载，如供电能力仍然不足，则强制断开用户预先设定的重要等级相对较低的负载，直至系统供电能力可以满足处于运行状态的全部负载。
[0019]系统供电运行时，如系统供电能力提高或有负载停止工作，系统通过对比系统可提供剩余容量与所有请求供电的工频负载的功率需求，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通。
[0020]2.针对变频负载。
[0021]当变频负载请求供电时，视不同情形选择不同的控制对策:
第一种情形，系统中没有其它负载处于运行状态，则关闭并禁止接通所有工频负载接口，接通请求供电的变频负载接口，按照用户预先设定的变频方式供电；
第二种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果应答信号中有禁止断电请求，则等待，直至该禁止断电信号消失为止； 第三种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果所有正运行的负载现场无禁止断电信号发出，但存在正在运行的负载未回复应答信号，即回复信号不全，则依据用户设定的逻辑进行后续操作；
第四种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果所有正运行的负载现场无禁止断电信号发出，且所有正在运行的负载都回复了应答信号，即回复信号完全，则按照用户预先设定的变频方式供电。
[0022]针对变频负载，无论何种情况，当变频负载可以上电时，首先断开所有负载接口，之后接通请求供电的变频负载接口，并禁止其它负载接口上电，再后按照用户预先设定的变频方式启动、运行，当频率变为工频时，系统通过对可提供功率与所有此前断开的工频负载容量需求进行对比，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通。
[0023]针对变频负载，无论何种情况，当变频负载工作完毕且断电后，首先问询各个负荷的运行现场，之后系统对比实时可提供功率与先前断开的所有工频负载容量，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一恢复供电。
[0024]3.针对工频负载。
[0025]工频负载请求供电时，视不同情形选择不同的控制对策:
第一种情形，没有其它负载运行，则直接为该工频负载通电。
[0026]第二种情形，有其它负载运行在工频状态，且系统可提供剩余容量能够满足其功率要求时，直接接通供电。
[0027]第三种情形，有其它负载运行在工频状态，且系统可提供剩余容量不能满足其功率要求时，经问询后，现场应答允许断电的重要等级比其低的负载功率与系统剩余容量总和可以满足请求供电的工频负载，则系统断开允许断电的重要等级比其低的负载，并对该工频负载通电。
[0028]上述三种情形之外的境况，请求供电的工频负载必须等待。
[0029]相对于传统光伏逆变系统，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:针对电机类负载，本发明的光伏逆变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。对于同样的电机类负载，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，这大幅提高了当今以光伏组件为主的光伏发电系统的装设成本。
[0030]其次，在长期运行过程中，对于电力负载中大量存在的电机，工频启动一般伴随着大电流、高功率以及诸多谐波，使电机的使用寿命大幅降低，而且，过大的电流、过高的视在功率、过多的谐波含量也容易使逆变装置发生故障或损坏，并且带来额外的损耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明实施例的一次侧电气结构示意图。
[0032]图2为本发明实施例的控制与检测电路示意图。
[0033]图3为本发明实施例的主控部分电路原理图。
[0034]图4为本发明实施例的逆变电路原理图。【具体实施方式】
[0035]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。
[0036]本实施例如图1?图4所示。
[0037]本实施例包括主控部分、逆变电路、蓄电池充放电电路、蓄电池接口、检测电路、光伏组件接口、工频负载接口、变频负载接口、电控开关、警示应答装置，本实施例的一次侧电气结构示意图如图1所示。
[0038]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；
5.蓄电池充放电电路的电压传感器；
6.电控开关状态感知电路。
[0039]本实施例的控制与检测电路示意图如图2所示。
[0040]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等接口分别与外部功能模块进行信息交换，其中Jll为开关量输入接口，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接口发出；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。
[0041]本实施例中电控开关的类型选择接触器，位于逆变器交流侧与负载之间，可以并只能对其中一路负载的上电、关断进行远程操控。
[0042]本实施例中的主控部分与警示应答装置通过多根信号线的方式进行信息的传递；主控部分的控制命令经信号线传至电控开关；电控开关的状态信息经检测电路中的电控开关状态感知电路发送至主控部分。
[0043]本实施例中的警示应答装置位于各个负载附近，功能结构上包括声光报警装置以及警示应答按钮，并具有通信接口，主控部分在对一路或多路负载进行通、断电远程操作前的一段时间内，在主控部分的控制下，操控对象附近的警示应答装置会声光报警，提醒操作人员判断此时是否允许远程操作并通过警示应答按钮予以回复，主控部分根据一段时间内是否得到回复以及回复内容的不同，按照用户预先设定的程序分别进行后续操控。
[0044]本实施例的逆变电路原理图如图4所不，该逆变电路米用二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。
[0045]本实施例针对不同类型负载，采用的具体控制方法如下:
1.针对所有负载:当系统运行在非工频状态时，系统断开并禁止接通所有其它负载接口。系统供电运行时，如系统供电能力下降，经问询后，断开现场应答允许断电且用户预先设定的重要等级相对较低的负载，如供电能力仍然不足，则强制断开用户预先设定的重要等级相对较低的负载，直至系统供电能力可以满足处于运行状态的全部负载。系统供电运行时，如系统供电能力提高或有负载停止工作，系统通过对比系统可提供剩余容量与所有请求供电的工频负载的功率需求，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通。
[0046]2.针对变频负载。当变频负载请求供电时，视不同情形选择不同的控制对策: 第一种情形，系统中没有其它负载处于运行状态，则关闭并禁止接通所有工频负载接
口，接通请求供电的变频负载接口，按照用户预先设定的变频方式供电；第二种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果应答信号中有禁止断电请求，则等待，直至该禁止断电信号消失为止；第三种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果所有正运行的负载现场无禁止断电信号发出，但回复信号有缺失，依据用户设定的逻辑进行后续操作；第四种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果所有正运行的负载现场无禁止断电信号发出，回复信号没有缺失，即所有正在运行的负载都回复了应答信号，则按照用户预先设定的变频方式供电。
[0047]针对变频负载，无论何种情况，当变频负载可以上电时，首先断开所有负载接口，之后接通请求供电的变频负载接口，并禁止其它负载接口上电，再后按照用户预先设定的变频方式启动、运行，当频率变为工频时，系统通过对可提供功率与所有此前断开的工频负载容量需求进行对比，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通。
[0048]针对变频负载，无论何种情况，当变频负载工作完毕且断电后，首先问询各个负荷的运行现场，之后系统对比实时可提供功率与先前断开的所有工频负载容量，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一恢复供电。
[0049]3.针对工频负载。工频负载请求供电时。视不同情形选择不同的控制对策: 第一种情形，没有其它负载运行，则直接为该工频负载通电；第二种情形，有其它负载
运行在工频状态，且系统可提供剩余容量能够满足其功率要求时，直接接通供电；第三种情形，有其它负载运行在工频状态，且系统可提供剩余容量不能满足其功率要求时，经问询后，现场应答允许断电的重要等级比其低的负载功率与系统剩余容量总和可以满足请求供电的工频负载，则系统断开允许断电的重要等级比其低的负载，并对该工频负载通电；上述三种情形之外的境况，请求供电的工频负载必须等待。
[0050]相对于传统光伏逆变系统，本发明的优势在于:首先，可变频型光伏逆变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，较之传统设计方案，本发明使光伏发电系统的装设成本得以大幅降低。其次，电力负载中存在大量的电机，变频启动使得电机的使用寿命大幅增加，而且，尽量减少谐波电流以及视在功率也使逆变装置的故障几率大大降低，并且减少损耗。
[0051]除上述以外，本发明的科学的电源管理与控制方法也对能源的高效利用与节省具
有重要意义。 [0052] 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】
1.一种可变频型三相光伏逆变系统，其特征在于包括主控部分、逆变电路、检测电路、光伏组件接口、一个或相互并联的多个工频负载接口、一个或相互并联的多个变频负载接口，变压器可选，其中主控部分与逆变电路、检测电路、光伏组件接口、工频负载接口、变频负载接口分别电气连接；光伏组件接口与逆变电路的直流侧电气连接；工频负载接口、变频负载接口分别与逆变电路交流侧直接电气连接或经变压器间接电气连接，以上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所述的可变频型三相光伏逆变系统，其特征在于逆变电路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。
3.根据权利要求2所述的可变频型三相光伏逆变系统，其特征在于包括蓄电池充放电电路、蓄电池接口，蓄电池充放电电路与蓄电池接口、逆变电路直流侧、主控部分分别电气连接。
4.根据权利要求3所述的可变频型三相光伏逆变系统，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、蓄电池充放电电路电压传感器。
5.根据权利要求4所述的可变频型三相光伏逆变系统，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，主控部分实时控制的逆变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`类型包括但不限于二极管嵌位型、飞跨电容型、单元级联型。
6.根据权利要求1至权利要求5所述的可变频型三相光伏逆变系统，其特征在于包括电控开关，该电控开关位于逆变器交流侧与负载之间，可对一路或多路负载进行远程电动操控，类型上包含但不限于断路器、接触器、继电器，主控部分与电控开关通过有线或无线的方式进行信号传递:有线通信方式包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线；无线通信方式包括但不限于射频、红外、蓝牙、磁场，除此之外，电控开关的状态信息也可以选择经检测电路发送至主控部分。
7.根据权利要求1至权利要求5所述的可变频型三相光伏逆变系统，其特征在于包括警示应答装置，该警示应答装置位于各个负载附近，包含声音报警装置、光报警装置、指示灯、数码管、显示屏、显示器中的一种或多种以及警示应答按钮，并具有通信接口，主控部分对一路或多路负载进行通、断电远程操作前的一段时间内，操控对象附近的警示应答装置会以声、光或信息显示的方式报警，提醒操作人员判断此时是否允许远程操作并通过警示应答按钮予以回复，主控部分根据一段时间内是否得到回复以及回复内容的不同，按照用户预先设定的程序分别进行后续操控，主控部分与警示应答装置之间通过有线或无线的方式进行通信:有线方式采用的通信媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线；无线方式采用的通信媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙、磁场。
8.—种可变频型三相光伏逆变系统的控制方法，其特征在于:当系统运行在非工频状态时，系统断开并禁止接通所有其它负载；系统供电运行时，如系统供电能力下降，经问询后，断开现场应答允许断电且用户预先设定的重要等级相对较低的负载，如供电能力仍然不足，则强制断开用户预先设定的重要等级相对较低的负载，直至系统供电能力可以满足处于运行状态的全部负载；系统供电运行时，如系统供电能力提高或有负载停止工作，系统通过对比系统可提供剩余容量与所有请求供电的工频负载的功率需求，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通。
9.根据权利要求8所述的可变频型三相光伏逆变系统的控制方法，其特征在于:当变频负载请求供电时，视不同情形选择不同的控制对策:第一种情形，系统中没有其它负载处于运行状态，则关闭并禁止接通所有工频负载，接通请求供电的变频负载，按照用户预先设定的变频方式供电；第二种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果应答信号中有禁止断电请求，则等待，直至该禁止断电信号消失为止，视具体情况采取后面第三、第四两种情形下控制方法中的一种；第三种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果正运行的负载现场无禁止断电信号发出，但存在正在运行的负载未回复应答信号，即存在信号缺失的现象，则依据用户设定的逻辑进行后续操作；第四种情形，系统中有其它负载处于工频运行状态时，则在这些负载现场发出警示，提示有变频负载申请用电，如果所有正运行的负载现场无禁止断电信号发出，且所有正在运行的负载都回复了应答信号，不存在信号缺失的现象，则按照用户预先设定的变频方式供电，无论何种情况，当变频负载可以上电时，首先断开所有负载，之后接通请求供电的变频负载，并禁止其它负载上电，再后按照用户预先设定的变频方式启动、运行，当频率变为工频时，系统通过对可提供功率与所有此前断开的工频负载容量需求进行对比，经问询后，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一接通，无论何种情况，当变频负载工作完毕且断电后，首先问询各个负荷的运行现场，之后系统对比实时可提供功率与先前断开的所有工频负载容量，对现场应答允许上电的若干工频负载依照用户预先设定的重要等级逐一恢复供电。
10.根据权利要求8至权利要求9所述的可变频型三相光伏逆变系统的控制方法，其特征在于:工频负载请求供电时，视不同情形选择不同的控制对策:第一种情形，没有其它负载运行，则直接为该工频负载通`电；第二种情形，有其它负载运行在工频状态，且系统可提供剩余容量能够满足请求供电的工频负载的功率要求时，直接接通供电；第三种情形，有其它负载运行在工频状态，且系统可提供剩余容量不能满足请求供电的工频负载的功率要求时，经问询后，现场应答允许断电的重要等级比其低的负载功率与系统剩余容量总和可以满足请求供电的工频负载，则系统断开允许断电的重要等级比其低的负载，并对请求供电的工频负载通电；上述三种情形之外的境况，请求供电的工频负载必须等待。
【文档编号】H02J3/38GK103872697SQ201210551272
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】李木 申请人:李木