一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其包括：太阳能光伏电池板；直流升压单元；H桥逆变单元；变压器；并网逆变器；直流chopper单元；直流电流检测装置；直流电压检测装置；交流电压检测装置；控制器，其分别与所述直流电流检测装置、直流电压检测装置和直流升压单元连接，所述控制器根据交流电压检测装置传输的交流电压值判断电网的工作状态，以控制H桥逆变单元输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单元释放电能。本发明还公开了一种基于上述装置进行电压跌落浪涌补偿的方法。
【专利说明】一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置 及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电压补偿装置和方法，尤其涉及一种基于光伏发电的电压补偿装 置和方法。
【背景技术】
[0002] 发达国家对电能质量水平的要求很高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大 的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产 品质量，造成营销困难而损害公司形象及和用户的良好商业关系等，而且也会给医疗等重 要用电部门的设备带来危害，引起严重的生产和运行事故。美国电力研究院（EPRI)研 究显示，电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元 (Electric Power Research Institute, 1999);日本等发达国家对电能质量要求也很高。 随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求越来越高，电压跌落、浪涌是其中 的主要问题，虽然电压跌落、浪涌持续时间短，但是它会引起工业过程的中断或停工，而所 引起工业过程的停工期间远远大于事故的本身时间，因此所造成的损失很大。
[0003] 传统的方法，如电压调节器并不能解决这些问题，而不间断电源UPS装置虽能解 决这些问题，但是其成本和运行费用都极其昂贵。为了解决上述问题，国内外对动态电压补 偿器开展了研究。相比于UPS，动态电压补偿器能有效解决电压陷落的问题，但是，储能问题 一直困扰着动态电压补偿器的研究，虽然有人提出最小能量注入法等先进的方法，但是额 外的储能始终影响其进一步推广、发展。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的之一是提供一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿 装置，其利用太阳能光伏发电对电网中的电压跌落浪涌进行补偿，从而确保负荷电压不发 生变化，进而保护了负荷；同时，该装置可利用太阳能光伏发电为电网电能提供补充供给， 从而不需要设置额外的储能元件。
[0005] 本发明的另一目的是提供一种采用上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落 浪涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪 涌补偿装置，其包括：
[0007] 太阳能光伏电池板，其将太阳能转化为直流电输出；
[0008] 直流升压单元，其输入端与太阳能光伏电池板的输出端连接；
[0009] Η桥逆变单元，其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接；
[0010] 变压器，其初级线圈与所述Η桥逆变单元的交流输出端连接，变压器的次级线圈 用于串接在电网中；
[0011] 并网逆变器，其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接，并网逆变器的交流 输出端用于与电网连接；
[0012] 直流chopper单元,其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接；
[0013] 直流电流检测装置，其与直流升压单元的输出端连接，以检测直流升压单元输出 的电流；
[0014] 直流电压检测装置，其与直流升压单元的输出端连接，以检测直流升压单元输出 的电压；
[0015] 交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压；
[0016] 控制器，其分别与所述直流电流检测装置、直流电压检测装置和直流升压单元连 接，所述控制器接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压 值，以对直流升压单元进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、Η桥逆 变单元、并网逆变器和直流chopper单元连接，所述控制器根据交流电压检测装置传输的 交流电压值判断电网的工作状态，以控制Η桥逆变单元输出交流电压而对电网电压跌落或 浪涌进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单 元释放电能。
[0017] 本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述控制 器可以是数字信号处理器、单片机、计算机等电子器件或智能设备；所述判断电网的工作状 态包括检测电网电压Us是否正常，如是否有电压跌落或浪涌。本发明所述的装置对太阳能 光伏电池板产生的电能进行控制分配；控制器根据交流电压检测装置输出判断电网的工作 状态；判断电网的工作状态正常时，控制器控制太阳能光伏电池板产生的电能通过并网逆 变器向电网注入；判断电网发生电压跌落时，控制太阳能光伏电池板产生的电能通过Η桥 逆变单元以及变压器快速输出相应的补偿电压量，使得负载端的电压保持不变，从而保护 了负载，同时控制太阳能光伏电池板产生的电能通过并网逆变器向电网注入；判断电网发 生电压浪涌时，控制太阳能光伏电池板产生的电能通过Η桥逆变单元以及变压器快速输出 相应的补偿电压量，使得负载端的电压保持不变，从而保护了负载，同时利用直流Chopper 单元释放直流母线多余的能量，维持直流母线电压的稳定。
[0018] 本发明所述的装置利用了绿色环保的太阳能，解决了电网电压跌落与浪涌的补偿 以及储能问题，此外装置中的并网逆变器采取前馈方式，从而不增加变压器与Η桥逆变单 元的额外容量。
[0019] 进一步地，在上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述 控制器包括数字信号处理器。
[0020] 进一步地，在上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述 控制器包括单片机。
[0021] 进一步地，在上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述 直流电流检测装置包括直流电流传感器。
[0022] 进一步地，在上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述 直流电压检测装置包括直流电压传感器。
[0023] 进一步地，在上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述 交流电压检测装置包括交流电压传感器。
[0024] 相应地，本发明还提供了一种采用上述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪 涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法，其包括步骤：
[0025] 采用太阳能光伏电池板将太阳能转化为直流电输出；
[0026] 采用直流升压单元将太阳能光伏电池板输出的直流电转换为一稳定的直流电，并 对直流升压单元进行最大功率跟踪控制以使直流升压单元输出的直流电有功功率最大；
[0027] 采用Η桥逆变单元和并网逆变器将直流升压单元输出的直流电转变为交流电；
[0028] 检测电网电压Us是否正常：若判断为是，则使控制器控制Η桥逆变单元向电网输 出的交流电压为零，并控制并网逆变器将太阳能光伏电池板产生的全部电能注入电网；若 判断为否，则进一步判断电网是发生了电压跌落还是发生了电压浪涌：若判断为电压跌落， 则控制Η桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj = Us(|-Us，并控制并网逆变器将太阳能光伏 电池板产生的剩余的电能注入电网；若判断为电压浪涌，则控制Η桥逆变单元向电网输出 的交流电压Uj = us(l-us，并控制直流chopper单元释放太阳能光伏电池板产生的多余电能， 以维持直流chopper单元的直流母线电压的稳定；其中U s(l为电网标准交流供电电压值。
[0029] 本发明所述的电压跌落浪涌补偿方法利用本发明所述的基于太阳能光伏发电的 前馈型电压跌落浪涌补偿装置实现。电网电压U s通过交流电压检测装置检测。
[0030] 进一步地，所述对直流升压单元进行最大功率跟踪控制的步骤为：控制器检测直 流升压单元输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大于上次输出的有功功率，若 判断为是，则增加直流升压单元的占空比，若判断为否，则维持直流升压单元的占空比不 变。
[0031] 更进一步地，在上述方法中，分别采用直流电流检测装置和直流电压检测装置检 测直流升压单元输出的直流电的电流I pv和电压upv，以获得直流升压单元输出的有功功率 P - | 丁 y T Γρν υρν 八丄ρν ο
[0032] 进一步地，在上述方法中，当90% USQ彡Us彡110% USQ，则判断电网电压Us为正 常；当Us < 90% US(I，则判断为电压跌落；当Us > 110% US(I，则判断为电压浪涌。
[0033] 本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，具有以下优 占·
[0034] 1)能够有效解决电网电压跌落与浪涌的补偿问题，从而保护负荷；
[0035] 2)采用变压器方式，使得适用电压范围更宽；
[0036] 3)有效利用了绿色环保的太阳能，可以不用额外设置储能单元；
[0037] 4)装置中的并网逆变器采取前馈方式，从而不增加变压器与Η桥逆变单元的额外 容量。
[0038] 本发明所述基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿方法基于上述装置 同样具有上述优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1为本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置在一 种实施方式下的结构示意图。
[0040] 图2为本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置的Η桥 逆变单元拓扑图。
[0041] 图3为本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置的并 网逆变器拓扑图。
[0042] 图4为本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿方法在一 种实施方式下的流程图。
【具体实施方式】
[0043] 以下将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的基于太阳能光伏发电的前 馈型电压跌落浪涌补偿装置做进一步说明，但是该说明并不构成对本发明的不当限定。 [0044] 图1显示了本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置 的一种实施例。图2和图3分别显示了该实施例中的Η桥逆变单元3和并网逆变器8的拓 扑图。
[0045] 如图1所示，该装置包括：控制器1、直流升压单元2、Η桥逆变单元3、变压器4、直 流电压传感器5、直流电流传感器6、交流电压传感器7、并网逆变器8、直流Chopper单元 9以及太阳能光伏电池板10 ;其中，控制器1由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理 器；控制器1的直流升压控制端与直流升压单元2相应的控制端相连，控制器1的Η桥逆变 控制端与Η桥逆变单元3相应的控制端相连；控制器1的直流电压输入端与直流电压传感 器5的输出端相连，控制器1的直流电流输入端与直流电流传感器6的输出端相连，控制器 1的交流电流输入端与交流电压传感器7的输出端相连，控制器1的并网逆变控制端与并 网逆变器8相应的控制端相连，控制器1的直流Chopper单元控制端与直流Chopper单元 9相应的控制端相连；直流升压单元2的输入端与太阳能光伏电池板10的输出端相连，直 流升压单元2的输出端与Η桥逆变单元3、并网逆变器8和直流Chopper单元9的直流母线 端相连；Η桥逆变单元3的交流输出端与变压器4的初级线圈的两端相连；变压器4的次级 线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端S和负载端L相连；直流电压传感器5的 输入端与直流升压单元2的输出端相连；直流电流传感器6的输入端串接于直流升压单元 2的输出端；交流电压传感器7的输入端与电网供电端S相连；并网逆变器8的直流母线端 与Η桥逆变单元3的直流母线端、直流升压单元2的输出端以及直流Chopper单元9的直 流母线端相连，并网逆变器8的交流输出端与电网供电端S相连。如图2所示，Η桥逆变单 元3的拓扑结构包括若干三极管，其连接方式如图，图中DC+和DC-分别为直流母线的正极 和负极;AC为交流输出端。如图3所示，并网逆变器8的拓扑结构包括若干三极管，其连接 方式如图，图中DC+和DC-分别为直流母线的正极和负极;AC为交流输出端。
[0046] 该装置工作时，直流升压单元2将太阳能光伏电池板10产生的直流电转换为一稳 定的直流电输出；控制器1接收直流电流传感器6和直流电压传感器5传输的直流电流值 和直流电压值，调节直流升压单元的占空比以对直流升压单元2进行最大功率跟踪控制； 控制器1还根据交流电压传感器7传输的交流电压值判断电网的工作状态，以控制Η桥逆 变单元3输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，具体来说，控制器1判断电网的 工作状态正常时，控制器1控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过并网逆变器8向电网 注入；判断电网发生电压跌落时，控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过Η桥逆变单元 3以及变压器4快速输出相应的补偿电压量，使得负载端L的电压队保持不变，从而保护了 负载，同时控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过并网逆变器8向电网注入；控制器1 判断电网发生电压浪涌时，控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过Η桥逆变单元3以及 变压器4快速输出相应的补偿电压量，使得负载端L的电压队保持不变，从而保护了负载， 同时利用直流Chopper单元9释放直流母线多余的能量，维持直流母线电压的稳定。
[0047] 图4为基于上述装置的本发明所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪 涌补偿方法在一种实施方式下的流程图。
[0048] 请结合图1参考图4,该方法应用于上述装置，通过所测的直流电压Upv和直流电 流I PV计算直流升压单元输出的功率Ppv，并对其进行最大功率跟踪控制；通过检测电网的 交流供电电压u s，判断电网交流电压是否正常，当发现电网电压跌落或浪涌时，控制器1控 制Η桥逆变单元3输出相应的交流电压变化量，该变化量通过变压器4对负载端电压队进 行补偿，从而使负载端电压队不受电网电压异常影响，同时控制并网逆变器8将太阳能光 伏电池板10输出的电能注入到电网；当电网电压浪涌引起直流母线电压上升时，通过直流 Chopper单元9将多余的能量释放掉。
[0049] 具体步骤如下：
[0050] 1)通过控制器1测量交流供电电压Us、直流升压单元2输出的直流电压U pv与直 流电流Ipv ;
[0051] 2)通过控制器1计算直流升压单元2输出有功功率Ppv :Ppv = UpvX Ipv ;
[0052] 3)通过控制器1控制直流升压单元2进行太阳能光伏发电的最大功率跟踪：
[0053] 判断本次直流升压单元2输出有功功率Ppv是否大于上次输出值，若判断为是，则 增加直流升压单元的占空比，若判断为否，则维持直流升压单元的占空比不变；
[0054] 4)设US(I为电网正常时交流供电电压值，控制器1通过交流电压传感器7检测电 网电压1是否正常 ：
[0055] 若交流供电电压队低于正常电压US(I的90%时，则判断为电网电压跌落，控制器1 控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过Η桥逆变单元3输出补偿，使得变压器4输出的 电压满足％ = (UscrUs)(此时变压器4输出的交流电压相位与电网电压的相位相同），同时 将多余的太阳能光伏电池板10产生的电能通过并网逆变器8向电网注入功率；
[0056] 若交流供电电压Us高于正常电压US(I的110 %时，则判断为电网电压浪涌，控制器 1控制太阳能光伏电池板10产生的电能通过Η桥逆变单元3输出补偿，使得变压器4输出 的电压满足％ = (USCI-US)(此时变压器4输出的交流电压相位与电网电压的相位相反），同 时通过直流Chopper单元9释放多余的能量，从而维持直流母线电压稳定。
[0057] 若以上两种情况都不符合，则判断为电网电压Us正常，即交流供电电压Us满足 90% US(I彡Us彡110% US(I，控制器1控制Η桥逆变单元3输出补偿为零，使得变压器4注入 供电交流线路电压为零，同时将太阳能光伏电池板10产生的电能通过并网逆变器8向电网 注入功率。
[0058] 需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局 限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直 接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，包括： 太阳能光伏电池板，其将太阳能转化为直流电输出； 直流升压单元，其输入端与太阳能光伏电池板的输出端连接； Η桥逆变单元，其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接； 变压器，其初级线圈与所述Η桥逆变单元的交流输出端连接，变压器的次级线圈用于 串接在电网中； 并网逆变器，其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接，并网逆变器的交流输出 端用于与电网连接； 直流chopper单元,其直流母线与所述直流升压单元的输出端连接； 直流电流检测装置，其与直流升压单元的输出端连接，以检测直流升压单元输出的电 流； 直流电压检测装置，其与直流升压单元的输出端连接，以检测直流升压单元输出的电 压； 交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压； 控制器，其分别与所述直流电流检测装置、直流电压检测装置和直流升压单元连接，所 述控制器接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压值，以 对直流升压单元进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、Η桥逆变单 元、并网逆变器和直流chopper单元连接，所述控制器根据交流电压检测装置传输的交流 电压值判断电网的工作状态，以控制Η桥逆变单元输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌 进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单元释 放电能。
2. 如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征 在于，所述控制器包括数字信号处理器。
3. 如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征 在于，所述控制器包括单片机。
4. 如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征 在于，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
5. 如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征 在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
6. 如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征 在于，所述交流电压检测装置包括交流电压传感器。
7. 采用如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置进 行电压跌落浪涌补偿的方法，其特征在于，包括步骤： 采用太阳能光伏电池板将太阳能转化为直流电输出； 采用直流升压单元将太阳能光伏电池输出的直流电转换为一稳定的直流电，并对直流 升压单元进行最大功率跟踪控制以使直流升压单元输出的直流电有功功率最大； 采用Η桥逆变单元和并网逆变器将直流升压单元输出的直流电转变为交流电； 检测电网电压Us是否正常：若判断为是，则使控制器控制Η桥逆变单元向电网输出的 交流电压为零，并控制并网逆变器将太阳能光伏电池板产生的全部电能注入电网；若判断 为否，则进一步判断电网是发生了电压跌落还是发生了电压浪涌：若判断为电压跌落，则控 制Η桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj = Us(l-Us，并控制并网逆变器将太阳能光伏电池 板产生的剩余的电能注入电网；若判断为电压浪涌，则控制Η桥逆变单元向电网输出的交 流电压Uj = us(l-us，并控制直流chopper单元释放太阳能光伏电池板产生的多余电能，以维 持直流母线电压的稳定；其中U s(l为电网标准交流供电电压值。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对直流升压单元进行最大功率跟踪控 制的步骤为：控制器检测直流升压单元输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大 于上次输出的有功功率，若判断为是，则增加直流升压单元的占空比，若判断为否，则维持 直流升压单元的占空比不变。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，分别采用直流电流检测装置和直流电压检 测装置检测直流升压单元输出的直流电的电流I pv和电压Upv，以获得直流升压单元输出的 有功功率Ppv = UPVXIPV。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，当90% US(I彡Us彡110% US(I，则判断电网电 压Us为正常；当Us < 90% US(I，则判断为电压跌落；当Us > 110% US(I，则判断为电压浪涌。
【文档编号】H02J3/12GK104104085SQ201410300882
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】王坤, 高峻, 赵艳萍, 戴明明, 赵辉 申请人:国家电网公司, 国网安徽省电力公司亳州供电公司