專利名稱：兼備無功與諧波補償功能的光伏并網裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多功能光伏并網裝置的設計，屬于多功能光伏并網裝置技術領域。
背景技術：
隨著傳統能源的日益枯竭，21世紀世界能源將發生巨大的變革，以資源有限、污染嚴重的化石能源為主的能源結構將逐步轉變為以資源無限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣性、復合型的能源結構。太陽能光伏發電屬于清潔的可再生能源，發展光伏發電技術并使其得到廣泛的應用對于緩解常規能源的短缺和減少環境污染具有重要作用。在這樣的前提下，太陽能光伏發電技術的發展和應用必將成為令世人所矚目的焦點。
我國有豐富的太陽能資源以及潛在的巨大市場，經過20多年的艱苦努力，光伏發電無論是在產業化方面還是在應用方面都取得了很大的進展，并且已經在遠離電網地區的電力建設中發揮了重要作用。根據原國家電力部制定的1996-2020年國家太陽能光電發展計劃，到2020年我國太陽能光電總容量將達到300MWp，其中家用陽光能源為50MWp，并建成5座兆瓦級陽光電站。目前，我國太陽能光伏發電應用系統的商品化程度很低，實驗室研究工作與國際先進的水平還有很大差距。太陽能光伏發電過去大多用于孤立的發電網絡，白天發電，靠蓄電池儲存，夜間使用。蓄電池損耗大、蓄電池處理困難(污染)，其特點還有系統效率低、運行成本高、負載供電穩定性差。因此光伏發電的根本出路和前景在于并網，電網作為無窮大儲存系統，吸納太陽能光伏能量。
太陽能發電將成為一種重要的發電方式，但是目前太陽能電池的造價還沒有降低到大規模應用的階段，世界上多數光伏并網電站都是靠政府資助，發展緩慢。將光伏并網裝置和靜止補償器(STATCOM)等電力裝置的功能結合起來，有利于降低光伏電站的成本，使其能夠提前推廣應用。由于光伏并網逆變器的結構與目前廣泛研究的STATCOM等電網諧波及無功補償裝置的非常接近，使得光伏并網裝置既可以提供一定的有功功率，又可以在一定程度上實現STATCOM的功能補償電網的諧波和無功。這樣一套光伏并網裝置就可以完成多項綜合功能，間接降低了系統總成本，提高了性價比。本發明就是在這樣的背景下提出了三相光伏并網裝置的設計和控制方法。將多項功能集成其中包括光伏陣列的最大功率點跟蹤、補償電網無功功率、補償電流諧波和向電網輸送有功功率。目前電網安全和經濟運行，對STATCOM需求很大，尤其配電系統的D-STATCOM需求更大。和電容器并補相比，STATCOM使用電解電容器而不需要使用昂貴的無極性鋁箔全膜電容，所需容量小，電容成本極低，既可以連續可調地發出或吸收無功。STATCOM還能提高電網輸送能力，改善供電質量和波形，控制和影響潮流，提高功率因數等，實現節電的目的。
發明內容
本發明的首要目的是針對目前光伏發電裝置造價高，功能單一的缺點，提出兼備無功與諧波補償功能和有功輸出功能的光伏并網裝置，提高光伏并網裝置的性價比。推動光伏發電在中國的推廣應用。
本發明的技術方案是兼備無功與諧波補償功能和有功輸出功能的光伏并網裝置，其特征在于，光伏陣列提供直流電源給三相兩電平逆變電路的直流側，該三相兩電平逆變電路的三個輸出端分別串聯電感，再串聯三相斷路器后分別接入電網的A、B、C三相，通過該光伏并網裝置的控制電路生成控制信號來控制該三相兩電平逆變電路。在電感與三相斷路器之間，也可以串聯三相變壓器以適應不同的電網電壓等級。
兼備無功與諧波補償功能和有功輸出功能光伏并網裝置，其特征在于，包括至少一個光伏陣列，該至少一個光伏陣列提供直流電源給三相多電平逆變電路的直流側，三相多電平逆變電路的三個輸出端串聯三相斷路器后分別接入電網的A、B、C三相，通過該光伏并網裝置的控制電路生成控制信號來控制該三相多電平逆變電路。
其中的三相多電平逆變器可以是三相三電平逆變器。或者以下所述的其他多電平逆變器。
1、帶變壓的三相母線電容分立鏈式結構一個三相多繞組變壓器，其原邊繞組三相出線串聯一個三相斷路器接入電網，其每相副邊都有數量相等的至少兩個繞組，每個副邊繞組串聯一個電感，或者使用變壓器自身漏感，與一個H橋電路并聯；每相所有的H橋電路的直流側并聯連接，每相所有的H橋共用同一電容和光伏陣列，三相共有三套電容和光伏陣列。
2、變壓的三相統一電容鏈式結構一個三相多繞組變壓器，其原邊繞組三相出線串聯一個三相斷路器接入電網，其每相副邊都有數量相等的至少兩個繞組，每個副邊繞組串聯一個電感，或者使用變壓器自身漏感，與一個H橋電路并聯；三相所有的H橋電路的直流側并聯連接，三相所有的H橋共用同一電容和光伏陣列。
3、不帶變壓器的鏈式結構三相H橋電路串聯組成的結構，每相由至少兩個H橋串聯組成，三相H橋串聯電路各自的三個輸出端連接起來，三相H橋串聯電路各自的另一個輸出端分別串聯三個電感，再串聯一個三相斷路器接入電網；三相所有的H橋電路直流母線側都分別擁有各自的光伏陣列和電容。
實驗結果圖10顯示本發明提出的兩電平三相光伏并網裝置發純有功時三相電壓電流波形THD小于0.5％，圖11顯示本裝置發出感性無功時三相電壓電流波形THD小于0.5％，圖12顯示本裝置發出容性無功時三相電壓電流波形THD小于0.5％，圖13顯示本裝置投入電網時三相電網電流變化的動態過程，其響應時間小于0.5ms，并且過渡過程平穩可靠，優于傳統的間接電流控制方法。
圖1是本發明提出的三相光伏并網裝置的整體示意圖(兩電平結構)；圖2是圖1中(100)，即兩電平逆變橋的示意圖；圖3是本發明提出的三相光伏并網裝置的整體示意圖(三電平結構)；圖4是圖3中(200)，即三電平逆變橋的示意圖；圖5是本發明提出的三相光伏并網裝置的整體示意圖(帶變壓的三相母線電容分立鏈式結構)；圖6是本發明提出的三相光伏并網裝置的整體示意圖(帶變壓的三相統一電容鏈式結構)；圖7是本發明提出的三相光伏并網裝置的整體示意圖(不帶變壓器的鏈式結構)；圖8是鏈式結構單元H橋的示意圖；圖9是樣機的結構組成圖；圖10是本發明提出的三相光伏并網裝置發出純有功時三相電壓電流波形圖；圖11是本發明提出的三相光伏并網裝置發出感性無功時三相電壓電流波形圖；圖12是本發明提出的三相光伏并網裝置發出容性無功時三相電壓電流波形圖；圖13是本發明提出的三相光伏并網裝置投入電網時三相電網電流變化圖；具體實施方式
實施例一參見圖9所示的三相光伏并網裝置的整體示意圖，其逆變器采用圖1所示的三相兩電平逆變橋。整個裝置主要由光伏陣列(9)、逆變主功率電路器(800)、輸出濾波電感(3)、DSP控制板(400)組成。構建一個25kVA，有功為15kW(光伏陣列峰值功率)的三相兩電平光伏并網裝置，如果并入三相380V配電網的話，光伏陣列(9)組成如下光伏陣列(9)峰值功率也為16.65kW，開路電壓851V；需要峰值功率75W，開路電壓23V的太陽能電池222塊；采用37塊串聯成一列，然后將6列并聯起來，形成實施例一所需要的光伏陣列。光伏陣列輸出要串聯一個50A、反向耐壓1200V的肖特基二極管(8)，以防止異常情況下反向電流對光伏陣列的損傷。光伏陣列輸出的儲能元件采用兩個4700uF、耐壓500V的電解電容串聯使用。輸出濾波電感(3)將光伏并網裝置的輸出電流加以濾波，相當于一個可變電流源。電感的設計要考慮多方面的因素，輸出有功電流的峰值為Ip=166503×380=25.3A,]]>電感量設計為2mH，此裝置最大無功容量可以到20kVar。兩電平逆變器的主橋路可以選用100A/1200V的IGBT6管集成模塊(兼顧無功容量，如果單純為有功容量可以，也可以使用6管集成的IPM。它們的區別主要在于IGBT模塊本身沒有驅動電路，需要用戶在設計并網逆變器的時候自己設計六路PWM驅動電路或者購買某些廠家的驅動模塊；IPM為智能功率模塊，它將六路驅動電路已經集成在模塊內部，不需要用戶作多余的設計工作。IPM多家公司都有生產，例如可以選用FUJI公司6MBP100RA120。需要注意的是設計電感的時候不要離飽和磁密點太近，這樣電感的感值就不會隨通過電感的電流變化而變化，即線性度好。
實施例二根據實施例一的設計，參見圖1所示的采用兩電平拓撲的三相光伏并網(帶變壓器)裝置的整體示意圖。兩電平拓撲三相光伏并網裝置(帶變壓器)主要由光伏陣列(9)、兩電平逆變器(100)、輸出濾波電感(3)、并網變壓器(11)、DSP控制板(400)組成。構建一個15kW(光伏陣列峰值功率)的三相光伏并網裝置，如果使用變壓器并入三相380V配電網的話，并且變壓器原邊接入電網，副邊連接三相光伏并網裝置輸出濾波電感(3)，變比為2∶1。光伏陣列(9)組成如下光伏陣列(9)峰值功率也為17.1kW，開路電壓437V；需要峰值功率75W，開路電壓23V的太陽能電池228塊；采用19塊串聯成一列，然后將12列并聯起來，形成實施例一所需要的光伏陣列。光伏陣列輸出要串聯一個100A、反向耐壓600V的肖特基二極管(8)，以防止異常情況下反向電流對光伏陣列的損傷。光伏陣列輸出的儲能元件采用一個4700uF、耐壓500V的電解電容。最大無功容量為20kVar，兼顧無功容量，選擇200A/600V的IGBT模塊。通過變壓器并網的好處是如果光伏并網裝置出現故障，對電網的影響小；輸出濾波電感的感值可以減小至實施例一中的1/n2(n為變壓器變比)電流只增加n倍，輸出濾波電感的設計體積將會大大減小。
實施例三多電平結構的光伏并網裝置，適合使用于大容量的裝置中，并入中高壓的電網。圖3顯示了采用三相三電平逆變器的光伏并網裝置。它含有一個三相橋(200)，由A、B、C三個單相橋臂并聯構成，每個單相由四個帶有反相二極管的IGBT單管串接構成，每個橋臂的串聯中點作為三相的輸出端，與上述各三相電感(3)串接；
母線電容器，它由兩個電解電容(231)和(232)串接構成，該母線電容并接于上述三電平并網逆變器直流側；A相、B相、C相共三條嵌位二極管串聯支路(221)與(222)串聯支路、(223)與(224)串聯支路、(225)與(226)串聯支路，上述每條支路由兩個嵌位二極管串接構成，每條嵌位二極管支路的串聯中點相連后再與上述母線電容的串接中點相連接，每條嵌位二極管支路的兩端分別與每相IGBT橋臂的上、下半部分中點相連。三電平逆變橋的具體連接方式參見圖4。
實施例四多電平結構的光伏并網裝置，適合使用于大容量的裝置中，并入中高壓的電網。圖5顯示了帶變壓的三相母線電容分立鏈式結構的三相光伏并網裝置，它含有帶變壓器的分立電容鏈式結構并網逆變器(7)，它是一個三相逆變橋，每一相逆變橋由多個H橋(300)組成，每個H橋是由兩條帶有反相二極管的IGBT雙管串接結構并聯構成，兩個串接中點作為輸出端通過電感(3)與變壓器(11)的副邊輸入端相連，每相所有的H橋其直流側并聯起來；三個母線電容(305)、(306)、(307)，三相的電容分別與每相H橋直流側并聯；三個光伏陣列，每相的光伏陣列(9)，分別與上述三個母線電容并聯；三個開關電源(13)，它們的輸入端分別與上述三個母線電容并聯，開關電源給功率開關的驅動電路提供電源；一個三相多繞組變壓器(11)，副邊每個繞組分別與相應單個H橋的輸出端相連；其中H橋電路參見圖8。
實施例五多電平結構的光伏并網裝置，適合使用于大容量的裝置中，并入中高壓的電網。圖6顯示了帶變壓的三相統一電容鏈式結構的三相光伏并網裝置，它含有帶變壓的三相統一電容鏈式結構并網逆變器，它是一個三相逆變橋，每一相逆變橋由多個H橋組成，每個H橋是由兩條帶有反相二極管的IGBT雙管串接結構并聯構成，兩個串接中點作為輸出端通過電感與變壓器的副邊輸入端相連，三相所有的H橋其直流側并聯起來；母線電容(308)，同一的電容分別與每相H橋直流側并聯；一個光伏陣列(9)，它母線電容并聯；一個開關電源(13)，它的輸入端與上述母線電容并聯，開關電源給功率開關的驅動電路提供電源；一個三相多繞組變壓器(11)，副邊每個繞組分別與相應單個H橋的輸出端相連；其中H橋電路參見圖8。
實施例六多電平結構的光伏并網裝置，適合使用于大容量的裝置中，并入中高壓的電網。圖7顯示了不帶變壓器的鏈式結構的三相光伏并網裝置，它含有三相H橋電路(300)串聯組成的結構，每相由至少兩個H橋串聯組成，三相H橋串聯電路各自的三個輸出端連接起來，三相H橋串聯電路各自的另一個輸出端分別串聯三個電感(3)，再串聯一個三相斷路器(2)接入電網；三相所有的H橋電路直流母線側都分別擁有各自的光伏陣列(9)和電容。
其中鏈式結構并網逆變器(300)的主要特征在于(圖8)由帶有反并聯二極管的IGBT單管(301)、(302)串聯后中點X引出，(303)、(304)串聯后中點Y引出，構成一個H橋電路。
為了滿足功率開關驅動電路的電源需要，每個H橋的直流母線都作為本H橋電路所需開關電源(13)的直流輸入側。
權利要求
1.兼備無功與諧波補償功能的光伏并網裝置，其特征在于，光伏陣列提供直流電源給三相兩電平逆變電路的直流側，該三相兩電平逆變電路的三個輸出端分別串聯電感，再串聯三相斷路器后分別接入電網的A、B、C三相，通過該光伏并網裝置的控制電路生成控制信號來控制該三相兩電平逆變電路。
2.根據權利要求1所述的光伏并網裝置，在所述電感與所述三相斷路器之間，串聯三相變壓器。
3.兼備無功與諧波補償功能的光伏并網裝置，其特征在于，包括至少一個光伏陣列，該至少一個光伏陣列提供直流電源給三相多電平逆變電路的直流側，三相多電平逆變電路的三個輸出端串聯三相斷路器后分別接入電網的A、B、C三相，通過該光伏并網裝置的控制電路生成控制信號來控制該三相多電平逆變電路。
4.根據權利要求3所述的光伏并網裝置，其中的三相多電平逆變電路是三相三電平逆變器。
5.根據權利要求4所述的光伏并網裝置，在串聯所述三相斷路器之前，串聯三相變壓器。
6.根據權利要求3所述的光伏并網裝置，其中的三相多電平逆變電路包括一個三相多繞組變壓器，其原邊繞組的三相出線串聯所述三相斷路器接入電網，所述變壓器每相副邊都有數量相等的至少兩個繞組，每個副邊繞組串聯電感，或者使用變壓器自身漏感，與一個H橋電路并聯；每相所有的H橋電路的直流側并聯連接，每相所有的H橋電路共用同一電容和所述光伏陣列，三相共有三套電容和所述光伏陣列，所述光伏陣列提供直流電源給三相多電平逆變電路的直流側。
7.根據權利要求3所述的三相多電平結構光伏并網裝置的硬件電路，其中的三相多電平逆變器包括一個三相多繞組變壓器，其原邊繞組三相出線串聯所述三相斷路器接入電網，所述變壓器每相副邊都有數量相等的至少兩個繞組，每個副邊繞組串聯一個電感，或者使用變壓器自身漏感，與H橋電路并聯；三相所有的H橋電路的直流側并聯連接，三相所有的H橋共用同一電容和所述光伏陣列，所述光伏陣列提供直流電源給三相多電平逆變電路的直流側。
8.根據權利要求3所述的三相多電平結構光伏并網裝置的硬件電路，其中的三相多電平逆變器包括三相H橋電路串聯組成的結構，每相由至少兩個H橋串聯組成，三相H橋串聯電路各自的三個輸出端連接起來，三相H橋串聯電路各自的另一個輸出端分別串聯三個電感，再串聯所述三相斷路器接入電網；三相所有的H橋電路直流母線側都分別擁有各自的所述光伏陣列和電容，所述光伏陣列提供直流電源給三相多電平逆變電路的直流側。
全文摘要
兼備無功與諧波補償功能的三相光伏并網裝置屬于多功能光伏并網裝置技術領域其特征在于該裝置主功率電路由光伏陣列、并網逆變器、并網濾波電感構成。其逆變器部分結構可以有多種形式，兩電平結構、三電平結構、帶變壓的三相母線電容分立鏈式結構、帶變壓的三相統一電容鏈式結構、不帶變壓器的鏈式結構。該裝置在工作的時候，既能夠向電網發送有功功率，又能夠實時補償電網中電流的無功和諧波成分。該發明提高了光伏發電中太陽能電池板利用率；同時解決了在光照條件不好的時段光伏發電系統的工作方式的問題，即系統不會閑置，而是用來補償電網中的諧波和無功。
文檔編號H02M7/48GK1658465SQ20051001143
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月15日 優先權日2005年3月15日
發明者劉建政, 王健, 趙爭鳴, 吳理博, 劉樹 申請人:清華大學