專利名稱：一種具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于太陽能光伏利用技術領域，具體是一種釆用電容器來連接
交流電網(wǎng)與DC/AC逆變器的具有無功補償功能的高效率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。
背景技術：
太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源 限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應用。雖然太陽能光伏發(fā)電成本較高，但是從 長遠看，隨著技術的進步，以及其他能源利用形式的逐漸飽和，太陽能可以在 2030之后成為主流能源利用形式，有著不可估量的發(fā)展?jié)摿Α?br> 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是發(fā)達國家家庭和商業(yè)最受歡迎的光伏系統(tǒng)。與地方電網(wǎng)連 接，使得發(fā)出的富余電量都可出售給電網(wǎng)。夜晚則可從電網(wǎng)買電?，F(xiàn)在，全世 界大約6 0%的太陽電池用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要是用于城市建筑并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。 中國的建筑并網(wǎng)光伏系統(tǒng)尚處于示范階段。預計2 0 1 O年以前中國將會實施屋 頂計劃，安裝太陽電池50MWp; 2020年以前將會有更大規(guī)模的建筑并網(wǎng)光伏系 統(tǒng)項目，累計裝機容量將達到700MWp。預計到2 0 10年建筑并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的 市場份額將占到1 7 . 6%，至IJ2 0 2 0年將占至IJ3 9X。中國現(xiàn)有大約400億m2 的建筑面積，屋頂面積40億m2，加上南立面，可利用面積大約為50億m2，如 果20%用來安裝太陽電池，可以裝lOOGWp。地方城市和企業(yè)也開始了建筑光 伏發(fā)電并網(wǎng)技術的嘗試，深圳市建成了當時亞洲最大的光伏并網(wǎng)發(fā)電站，總容 量達lMWp。上海、北京、南京、無錫、保定、德州等城市也都啟動了城市太陽能示范計劃和行動。中國出現(xiàn)了城市光伏并網(wǎng)發(fā)電的雛形，光伏并網(wǎng)產業(yè)的 潛力是無限的。
并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件和技術關鍵。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器 (VSI)要求直流側的電壓高于交流側，而且并入電網(wǎng)電源的電壓必須與電網(wǎng)相匹 配。對大容量的逆變器，由于直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器
升壓即能達到2 2 0 V，而在中、小容量的逆變器中，由于直流電壓較低，如 1 2V、 2 4V，就必須設計升壓電路。升壓電路可以設計在并網(wǎng)逆變器的直 流側，也可以設計在逆變器的交流側。如果升壓電路設計在直流側，即在光伏 陣列和逆變器之間增加直流升壓環(huán)節(jié)，則增加了系統(tǒng)的復雜性，且DC/DC直流 升壓電路會帶來附加損耗。常規(guī)的中、小容量光伏并網(wǎng)逆變器一般有變壓器升 壓并網(wǎng)和DC/DC高頻升壓逆變電路兩種。變壓器升壓并網(wǎng)由于變壓器具有一定 的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性，但是變壓器利用率低， 帶動感性負載的能力較差，并且增加了系統(tǒng)的體積，并且升壓變壓器效率低， 價格也較貴。隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展。采用高頻升壓變換技術 實現(xiàn)逆變，可實現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結 構，但工作頻率均在2 QKHz以上，升壓變壓器釆用高頻磁芯材料，因而體 積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾 波電路得到高壓直流電(一般均在3 0 0 V以上)再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆 變。釆用該電路結構，使逆變器功率大大提高，逆變器的空載損耗也相應降低， 效率得到提高，但該電路的缺點是電路設計復雜，可靠性比變壓器升壓電路低。
實用新型內容
本實用新型的目的在于提出光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中適應光伏陣列輸出電壓低的結 構簡單的高效并網(wǎng)方式。為此，本設計模型運用電容升壓耦合的創(chuàng)新方式實現(xiàn)光伏并網(wǎng)，由于電容的損耗很小，可以有效地提高并網(wǎng)系統(tǒng)的效率。同時采用 電容耦合升壓方式接入電網(wǎng)省去了笨重的升壓變壓器，減小了并網(wǎng)系統(tǒng)的體積， 同時避免了 DC/DC高頻升壓復雜電路設計，大大提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的實用性。
本實用新型所釆用的技術方案如下 一種具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系
統(tǒng)，主要包括交流電網(wǎng)[l]、太陽能光伏陣列[2]、 DC/AC變換器[3]、控制器[4]， 其特征在于在交流電網(wǎng)上接有串聯(lián)的電容器[5]和電容器[6]， DC/AC變換器的 交流輸出側與電容器[5]并聯(lián)。通過太陽能光伏陣列將太陽能轉換為直流電，然 后通過DC/AC變換器轉換為交流電，由于中、小功率的光伏陣列輸出直流電壓 較低，通過DC/AC變換器后輸出的交流電壓也比較低，DC/AC變換器后輸出的交 流電經(jīng)電容器[5]分流后，另一部分電流通過耦合電容器[6]注入到電網(wǎng)，將能 量饋送給電網(wǎng)。同時，控制DC/AC變換器的輸出電壓可以控制系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)出 的容性無功，從而實現(xiàn)對中小功率感性負載的動態(tài)無功補償。這種并網(wǎng)方式結 構簡單，實現(xiàn)容易，電容器的工作頻率低，其損耗很小，因此可以實現(xiàn)光伏并 網(wǎng)系統(tǒng)的高效率運行。
附圖1所示是具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將光伏陣列輸出能量饋送 到電網(wǎng)的等效原理圖。光伏陣列及DC/AC變換器可等效為一可控的交流電壓源， 在考慮光伏發(fā)電機理時，可把大電網(wǎng)看作無窮大系統(tǒng)。光伏陣列輸出的電流經(jīng) DC/AC變換器轉換為交流電流I，此電流經(jīng)電容器[5]分流后余下部分12通過電 容器[6]流入電網(wǎng)，從而將電功率饋送給電網(wǎng)。
附圖2所示是具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送無功功率的等 效原理圖。光伏陣列及DC/AC變換器可等效為一可控的交流電壓源，輸出與電 網(wǎng)電壓同相位的交流電壓，使電容器[6]上的電容相應改變，從而改變并網(wǎng)系統(tǒng) 對電網(wǎng)的無功補償容量。所述太陽能光伏陣列[2]與DC/AC變換器[3]之間可連接有DC/DC變換器 [7]，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在實現(xiàn)對光伏陣列的最大輸出功率跟蹤時能保持DC/AC變 換器直流側電壓為恒定值。
所述DC/AC變換器[3]的直流側可并聯(lián)有用以儲能的電容器或蓄電池。
本實用新型的技術效果在于
1. 利用太陽電池的光生伏打效應將光能轉換為電能，將光伏陣列的輸出能量 通過DC/AC變換器變換成交流電后，通過電容器將光伏陣列輸出的能量饋送給 電網(wǎng)。這種并網(wǎng)方式結構簡單、實現(xiàn)容易。
2. 電容器[5]和電容器[6]串聯(lián)后并入電網(wǎng)，使電容器[5]的電壓較低，從而 非常適用光伏陣列輸出電壓低的特點。
3. 電容器的損耗很小，使得并網(wǎng)系統(tǒng)的效率高。
4. 控制DC/AC變換器的輸出電壓可以控制電容器[6]兩端的電壓，從而動態(tài) 調節(jié)并網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償功率。


圖1是具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將光伏陣列輸出能量饋送到電網(wǎng) 的等效原理圖2是具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送無功功率的等效原理
圖3是帶有DC/DC變換器的本實用新型系統(tǒng)結構示意圖4是具體實施實例結構圖5是控制器的控制流程圖6是三相電網(wǎng)具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結構示意圖；具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型系統(tǒng)作進一步說明。
如圖4所示是本實用新型系統(tǒng)的一個實施例。它主要由交流供電電網(wǎng)[l]、
太陽能光伏陣列[2]、 DC/AC變換器[3]、控制器[4]等構成，太陽能光伏陣列的 直流輸出與DC/AC變換器的直流側相連。本實用新型的特征在于在交流電網(wǎng) 上并聯(lián)有相互串聯(lián)的兩電容器[5]和[6]，電容器[5]的兩端并聯(lián)在DC/AC變換器 的交流側。本實施實例中DC/AC變換器[3]由IGBT構成的單相全橋逆變電路和 LC低通濾波電路構成，由電感和電容一起構成的LC低通濾波電路用以濾出IGBT 高頻開關動作引起的高頻電壓尖峰和電流沖擊。控制器[4]以高性能數(shù)字信號處 理芯片TMS320F2812為核心，輔以外圍電路共同構成。太陽電池光伏陣列l(wèi)采 用三洋HIT高效率太陽能電池構成，將太陽能轉換為電能；太陽能光伏陣列輸 出的直流電經(jīng)過單相橋式逆變電路和LC低通濾波電路濾波后變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同 頻率的正弦交流電，該交流電通過電容器[5]和電容器[6]將能量饋送給電網(wǎng)。 同時，通過對此交流電壓的控制可以控制并網(wǎng)系統(tǒng)對電網(wǎng)的無功補償量?？刂?器[4]以TMS320F2812高性能DSP為控制核心，通過電壓傳感器和電流傳感器分 別對太陽能光伏陣列的輸出電壓、輸出電流、DC/AC變換器的輸出交流電壓和交 流電流、電容器[5]上的交流電壓進行檢測，經(jīng)過信號調理電路后轉變?yōu)榭垢蓴_ 能力強的適合DSP采樣的電壓信號，DSP對這些信號進行A/D轉換后進行分析處 理。附圖5是控制系統(tǒng)的控制流程圖，首先DSP根據(jù)A/D采樣結果進行分析， 檢測出是否有過電流、過電壓等報警信息，在確定并網(wǎng)系統(tǒng)工作正常后開始進 行閉環(huán)控制，如果交流電網(wǎng)需要進行動態(tài)無功功率補償，則增加動態(tài)無功補償 的閉環(huán)控制，根據(jù)電網(wǎng)的無功需求進行控制。同時，為了最大程度地利用太陽大功率跟蹤(MPPT)的閉 環(huán)控制，其控制輸出與無功補償閉環(huán)控制的輸出疊加后作為控制系統(tǒng)的總輸出， 通過脈寬調制(P醫(yī))后由DSP的P麗引腳給出。P麗脈沖通過光電隔離后驅動
單相橋式逆變電路中的IGBT，使其按預定規(guī)律開通和閉合，從而使DC/AC變換 器輸出預期的電壓波形?？刂葡到y(tǒng)中還設有孤島效應檢測程序，在光伏并網(wǎng)系 統(tǒng)發(fā)生孤島效應時停止光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出，進行停機處理。TMS320F2812提供 了鍵盤和液晶顯示模塊接口，可以方便地設置控制器的參數(shù)，同時顯示光伏并 網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過串行通信接口， DSP可以將并網(wǎng)系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)發(fā)送給 計算機等，便于數(shù)據(jù)的集中處理和管理。
作為本實用新型的一種實施方式，可在太陽能光伏陣列[2]和DC/AC變換器 [3]之間增設DC/DC變換器，在對太陽能光伏陣列進行最大功率跟蹤時能保持 DC/AC變換器直流側電壓保持不變。此時，DSP輸出另外一組PWM脈沖來控制 DC/DC中功率器件的通斷來實現(xiàn)對光伏陣列的MPPT控制。
作為本實用新型的一種實施方式，DC/AC變換器采用三相逆變器，輸出三相 交流電壓，通過三組電容器[5]和電容器[6]將能量饋送入三相電網(wǎng)中，三個電 容器[5]可以接為星型，如附圖6所示，也可以為三角形接線方式。三相的電容 耦合式光伏并網(wǎng)可看成是三個單相電容耦合并網(wǎng)方式的組合。單相具有無功補 償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可推廣至多相應用。
權利要求1、一種具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，主要包括交流電網(wǎng)[1]、太陽能光伏陣列[2]、DC/AC變換器[3]、控制器[4]，其特征在于在交流電網(wǎng)[1]上接有串聯(lián)的電容器[5]和電容器[6]，DC/AC變換器的交流輸出側與電容器[5]并聯(lián)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于 所述太陽能光伏陣列[2]與DC/AC變換器[3]之間連接有DC/DC變換器[7]。
3、 根據(jù)權利要求1所述的具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于 所述DC/AC變換器[3]的直流側并聯(lián)有用以儲能的電容器或蓄電池。
專利摘要本實用新型公開了一種具有無功補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，屬于太陽能光伏利用的技術領域。它主要由太陽電池光伏陣列[2]、DC/AC變換器[3]、交流電網(wǎng)[1]和控制器[4]構成，其特征在于在交流電網(wǎng)[1]上接有串聯(lián)的電容器[5]和電容器[6]，DC/AC變換器的交流輸出側與電容器[5]并聯(lián)。利用太陽能電池陣列吸收日照能量，通過DC/AC變換器將其變換為交流電，然后通過電容器將能量饋送到電網(wǎng)。由于系統(tǒng)采用了電容器串聯(lián)分壓的并網(wǎng)結構，使得變換器交流側的輸出電壓低，因此這種電容耦合的方式非常適用于光伏系統(tǒng)低電壓的特點，由于電容器的損耗小，使得這種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有并網(wǎng)損耗小、效率高的特點。此外，控制DC/AC變換器的輸出電壓可以控制電容器[6]兩端的電壓，從而可以動態(tài)調節(jié)并網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償功率。
文檔編號H02J3/38GK201374568SQ200920050950
公開日2009年12月30日 申請日期2009年2月2日 優(yōu)先權日2009年2月2日
發(fā)明者青 付, 何英蕾, 周龍華, 李湘峰, 陳淑華 申請人:中山大學