專利名稱：一種節能型單相光伏發電系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種光伏發電系統，尤其涉及一種節能型單相光伏發電系統及其控制方法。
背景技術：
隨著現代工業的發展，石油、煤、天然氣等不可再生能源日漸稀少，以太陽能為代表的新能源符合全球低碳經濟的時代潮流，已經得到世界各國政府的認可、重視與扶持。光伏產業在最近幾年得到了井噴式的發展，但這高速發展背后的主要推動力，是世界各國政府的高額補貼，時至今日，相對于使用如煤炭、石油等不可再生能源的傳統發電系統，光伏發電在成本上處于絕對的劣勢地位。這就要求科技工作者不斷探索，一方面，想方設法的降低光伏發電系統的裝設成本，另一方面，盡可能的提高光伏發電系統的功率因數以及轉換效率，降低損耗。 當今，電力負載中有為數不少的以電動機為代表的感性負載，這類負載在工作時，光伏逆變器不僅僅提供有功功率，還必須同時發出一定量的無功功率，因為最大視在功率、最大電流和最大電壓等參數的限制，傳統光伏發電系統必須降低功率因數運行，這種情況大大降低了光伏逆變器把太陽能轉化為電能的效率，并且因為在高電壓大電流的狀態下長時間運行，增加了電能在傳輸過程中的損耗，也降低了光伏發電系統的使用壽命。更明顯的弊端在于光伏發電系統在設計之初，因應感性負載的特性，加上電機類負載啟動時較多的無功功率需求，設計人員通常會把光伏電池的容量設計成比負載的額定功率多出一半至幾倍的瓦特數，無疑，這大幅提高了當前以太陽能電池為主的光伏發電系統的裝設成本。除了上述弊端之外，當今的大量負載都會產生各種諧波，這些諧波不僅降低系統的使用壽命，還使電能的損耗大幅增加，甚至影響一些高精密儀器、設備的正常工作。

發明內容
本發明的節能型單相光伏發電系統，能克服上述缺點，從無功補償和抑制諧波的角度解決問題，通過減少光伏電池的數量，使光伏發電系統的裝設成本大幅降低。本發明的節能型單相光伏發電系統包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、隔離變壓器、光伏電池、蓄電池及其充放電電路，各組成部分在功能或結構上可以合并或拆分。其中主控部分與逆變電路、節電變流電路、檢測電路、蓄電池充放電電路分別電氣連接；檢測電路與逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路分別電氣連接；光伏電池、蓄電池、節電變流電路以及逆變電路在直流側電氣連接；節電變流電路與逆變電路在交流側直接電氣連接或經隔離變壓器間接電氣連接；蓄電池與其充放電電路電氣連接。本發明的主控部分包含微處理器、微控制器中的一種或多種，負責整個系統的信息采集、分析處理、決策輸出等核心任務，是整個光伏發電系統的控制核心。其中微控制器的類型包括但不限于單片機、DSP、CPLD, FPGA, PLC0
逆變電路與節電變流電路的構成方式類似，都包含若干個逆變橋臂或集成功率模塊。對于包含逆變橋臂的情況每個逆變橋臂由多個開關器件串聯構成，每個開關器件都反并聯一個續流二極管，該開關器件的類型包括但不限于晶體管、IGBT、MOSFET、IGCT、IEGT、GT0、SET。對于包含集成功率模塊的情況集成功率模塊的類型包括但不限于IPM功率模塊。逆變電路、節電變流電路采用的拓撲結構的電平數為2或大于2的奇數，其中大于2的奇數個電平的拓撲結構的類型包括但不限于單元級聯型、飛跨電容型、二極管嵌位型。逆變電路和節電變流電路兩者采用的拓撲結構可以相同，也可不同；二者選用的 拓撲結構的電平數可以相同，也可不同。本發明的檢測電路包括但不限于逆變電路交流側的電壓傳感器、逆變電路與節電變流電路二者交流側聯接點與負載之間的電流傳感器、逆變電路直流側的電壓傳感器與電流傳感器。本發明中光伏電池的類型包括但不限于單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、薄膜光伏電池、生物光伏電池、化學光伏電池。本發明可在傳統光伏逆變器功能的基礎上增加無功補償的功能，采用控制方法如下通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率以及無功功率，通過控制實現逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路提供負載需求的無功功率。本發明可在傳統光伏逆變器功能的基礎上增加有源濾波的功能，采用控制方法如下通過檢測電路實時獲得負載側電流的瞬時值，經分析計算可得負載電流中所含的各次諧波的頻率、幅值及相位等參數，通過控制使節電變流電路發出與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，這些抑制波與諧波相抵消，從而實現了對諧波的濾除。本發明還可在傳統光伏逆變器功能的基礎上同時增加無功補償與有源濾波的功能，采用控制方法如下通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，通過控制實現逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路向負載發出無功功率以及與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，這樣就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除。相對于傳統光伏發電系統，本發明的優勢包括但不限于如下方面
首先，一個明顯的優勢在于本發明的光伏發電系統中光伏電池(或光伏組件)的使用數量降到接近于極限值，只需略大于負荷的額定功率即可。對于同樣的帶有感性分量的負載，當今廣泛應用的傳統設計方案中，光伏電池(或光伏組件)的使用數量一般為本設計方案的I. 5倍至3倍，個別無功功率需求較高的應用場合甚至達到3倍以上。本發明具有上述優勢的原因在于電機類負載啟動時較多的無功功率需求由本發明的節電變流電路提供，而不是由光伏電池(或光伏組件)提供，這大幅降低了當前以光伏電池為主的光伏發電系統的裝設成本。其次，在長期運行過程中，對于電力負載中異步電動機為代表的感性負載，本發明的光伏發電系統不僅僅提供有功功率，還可同時發出與負荷匹配的無功功率，大幅提高功率因數，并且減少了電能在傳輸過程中的損耗，也間接延長了光伏發電系統的使用壽命。再次，現在的大量負載電流中都含有各種諧波，本發明的光伏發電系統可以實時濾除這些諧波，不僅延長了系統的使用壽命，還使電能的損耗大幅降低，附近的高精密儀器、設備也可正常工作。



圖I為本發明的一次側電氣結構示意圖。圖2為本發明的控制與檢測電路示意圖。圖3為本發明的主控部分電路原理圖。圖4為本發明的兩電平逆變電路原理圖。圖5為本發明的兩電平節電變流電路原理圖。
具體實施例方式以下實施例屬于本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的范圍，也不是限定本發明的應用形式。本實施例如圖I 圖5所示。本實施例包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、光伏電池、蓄電池及其充放電電路，其中主控部分與逆變電路、節電變流電路、檢測電路、蓄電池充放電電路分別電氣連接；檢測電路與逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路分別電氣連接；光伏電池、蓄電池充放電電路、節電變流電路以及逆變電路在直流側電氣連接；節電變流電路與逆變電路在交流側電氣連接；蓄電池與其充放電電路電氣連接。本實施例的一次側電氣結構示意圖如圖I所示。本實施例的檢測電路包括但不限于逆變電路交流側的電壓傳感器、逆變電路與節電變流電路二者交流側聯接點與負載之間的電流傳感器、逆變電路直流側的電壓傳感器與電流傳感器。本實施例的控制與檢測電路示意圖如圖2所示。本實施例的主控部分電路原理圖如圖3所示，Ul是微控制器，對系統的運行進行精確控制，并對傳感器數據進行實時分析并決策；U17是為微控制器提供精準時鐘的晶體振蕩器；U11是用于存儲數據的存儲器；主控部分通過Jll、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32、J45等端口分別與外部功能模塊進行信息交換，其中Jll為開關量輸入端口，包含但不限于系統發出的過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護、超載等開關量信息；J12為開關量輸出接口，主控部分的開關量控制信息經此端口發出J13為串行通信接口 ；J15是微控制器編程接口 ；J21是用于并行通信的數據/地址總線接口 ；J31是SPI通信接口 ；J32是SCI通信接口 J45是網絡通信接口 ；微控制器精確計算出實時脈寬信息，并由J20輸出PWM脈沖。本實施例的的逆變電路原理圖如圖4所示，該逆變電路采用單相兩電平的拓撲結構，含有兩個結構完全相同的橋臂，每個橋臂由兩組并聯有續流二極管的IGBT串聯而成，逆變電路直流側并聯有支撐電容Cdl。本實施例的的節電變流電路原理圖如圖5所示,該節能變流電路采用單相兩電平的拓撲結構，含有兩個結構完全相同的橋臂，每個橋臂由兩組并聯有續流二極管的IGBT串聯而成，該節能變流電路交流側串聯有電抗Ls，直流側并聯有支撐電容Cdl I。本實施例同時具有無功補償與有源濾波的功能，采用具體控制方法如下檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，發送給主控部分，主控部分經計算分析可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，執行如下具體控制策略
1.逆變電路提供負載需求的有功功率；
2.節電變流電路向負載發出與之匹配的無功功率；
3.節電變流電路向負載發出與檢測到的各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的抑制波。
這樣，本實施例就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除，既實現了能量利用率的明顯提高，又讓損耗大幅降低，并使諧波的污染得到根本抑制，還延長了系統的使用壽命O更顯著的優勢在于因為可以不依靠光伏電池(或光伏組件)向負荷提供無功功率，系統中光伏電池的容量只需略高于負載的額定功率，這樣，光伏電池的使用數量接近于理論最小值，大幅降低了當前以光伏電池為主的光伏發電系統裝設成本。本發明在新能源以及節能減排領域具有較高的推廣價值。
權利要求
1.一種節能型單相光伏發電系統，其特征在于包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路，各組成部分彼此分別電氣連接，其中節電變流電路與逆變電路在直流側與交流側分別電氣連接，各組成部分在功能或結構上可以合并或拆分。
2.根據權利要求I所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于主控部分包含微處理器、微控制器中的一種或多種，其中微控制器的類型包括但不限于單片機、DSP、CPLD、FPGA、PLC。
3.根據權利要求2所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于逆變電路和節電變流電路都包含若干個逆變橋臂或集成功率模塊，對于包含逆變橋臂的情況，每個逆變橋臂由多個開關器件串聯構成，每個開關器件都反并聯一個續流二極管，該開關器件的類型包括但不限于晶體管、IGBT、MOSFET、IGCT, IEGT、GTO、SET ;對于包含集成功率模塊的情況，集成功率模塊的類型包括但不限于IPM功率模塊。
4.根據權利要求3所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于檢測電路包括但不限于逆變電路交流側的電壓傳感器、逆變電路與節電變流電路二者交流側聯接點與負載之間的電流傳感器、逆變電路直流側的電壓傳感器與電流傳感器。
5.根據權利要求4所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于包括光伏電池、蓄電池及其充放電電路，直流側與光伏電池電氣連接的電路包括但不限于逆變電路、節電變流電路、蓄電池充放電電路，蓄電池與其充放電電路電氣連接，光伏電池的類型包括但不限于單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、薄膜光伏電池、生物光伏電池、化學光伏電池。
6.根據權利要求5所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于逆變電路、節電變流電路采用的拓撲結構的電平數為2或大于2的奇數，其中大于2的奇數個電平的拓撲結構的類型包括但不限于單元級聯型、飛跨電容型、二極管嵌位型，逆變電路與節電變流電路兩者各自采用何種拓撲結構、選用多少電平數互不相關。
7.根據權利要求I至權利要求6所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于包括無功補償功能，采用的控制方法為通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率以及無功功率，通過控制實現逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路提供負載需求的無功功率。
8.根據權利要求I至權利要求6所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于包括有源濾波功能，采用的控制方法為通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載電流中所含的各次諧波的頻率、幅值及相位等參數，通過控制使節電變流電路發出與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，這些抑制波與諧波相抵消，從而實現了對諧波的濾除。
9.根據權利要求I至權利要求6所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于同時具有無功補償與有源濾波的功能，采用的控制方法為通過檢測電路實時獲得負載側電壓、電流的瞬時值，經分析計算可得負載實時需求的有功功率、無功功率以及負載電流中各次諧波的含量及其特性參數，通過控制實現逆變電路提供負載需求的有功功率；節電變流電路向負載發出無功功率以及與各次電流諧波頻率、幅值相等但相位相反的抑制波，這樣就同時實現了無功功率的補償與諧波的濾除。
10.根據權利要求I至權利要求6所述的節能型單相光伏發電系統，其特征在于系統交流側包含一臺或多臺隔離變壓器。
全文摘要
本發明涉及一種光伏發電系統，尤其涉及一種節能型單相光伏發電系統及其控制方法。本發明的節能型單相光伏發電系統包括主控部分、逆變電路、節電變流電路、檢測電路、隔離變壓器、光伏電池、蓄電池及其充放電電路，各組成部分在功能或結構上可以合并或拆分。負載需求的電能可分為有功和無功兩部分，在本發明中光伏電池產生的直流電經逆變電路轉化為交流電，向負載提供有功功率；節電變流電路通過實時檢測負載側參數，提供與之匹配的無功功率，同時對負載產生的諧波進行濾除，既能大幅提高功率因數，還能顯著優化電能質量，并可在系統方案設計之初減少光伏電池的數量，實現系統裝設成本的降低。
文檔編號H02J3/38GK102904285SQ20121044864
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月11日 優先權日2012年11月11日
發明者李木 申請人:李木