CN100553106C - 太阳能并网发电能量输出最大化电路结构 - Google Patents

太阳能并网发电能量输出最大化电路结构 Download PDF

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Abstract

一种电力***技术领域的太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，包括：太阳能电池组、基本逆变单元、软连接器和控制器，构成多电平级联式逆变拓扑结构，太阳能电池组由独立的太阳能电池板通过串/并接的方式组成额定电压输出为48V的组合板块，基本逆变单元由电力电子开关器件构成桥式电路，太阳能电池电压通过控制器对四个开关器件通/断时间的控制，使基本逆变单元在确定的时间段内输出正、零、负三种状态的阶梯电压，软连接器由电力电子开关器件组成，通过控制器的PWM策略解决基本逆变单元相互之间的串/并连接关系，实现该***拓扑结构的阶梯微分正弦交流电的输出，使***最大限度地促使太阳能电池在低谐波与高功率因数下达到能量输出最大化。

Description

太阳能并网发电能量输出最大化电路结构
技术领域
本发明涉及的是一种电力***技术领域的电路结构，具体是一种太阳能并网发电能量输出最大化电路结构。
背景技术
针对当前能源日益紧张和环保问题日益突出的问题，太阳能作为可再生能源采用并网发电的方式向电网补充电能已经成为当前世界开发新能源技术的研究热点。光伏并网发电的关键技术在于：如何使光伏阵列输出最大功率并尽可能安全有效地传输给用户或电网。上述问题取决于三大方面的技术成果：电力电子器件、逆变电路拓扑结构以及逆变控制策略。
多电平级联逆变电路是当前较为先进的一种直流/交流(DC/AC)逆变拓扑，该电路追求最大限度地降低并网谐波成分。在所有的逆变电路中全靠电力电子开关器件的通/断来实现输出电压形式的转换。众所周知，电子开关器件处于断路的工作状态时，即断开了能量输出通道，这在一般的DC/AC中，根本不存在能量滞留或损失的问题，但是，在太阳能光伏并网中情况就发生了根本的变化，因为太阳能电池是根据光生伏特效应实现光能向电能的转换：吸收光能激发出非平衡电子空穴对；非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场运动；非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。如果光伏电池在太阳光的强烈照射下这种分离趋势所产生的电势能未能得到及时的泄放，不仅会造成能量的浪费，而且还会引起非均匀势场的破坏而出现激发能力衰退的现象。
经对现有技术文献的检索发现，文献“Multilevel converters as a utilityinterface for renewable energy systems”(Tolbert，Leon M.and Peng，FangZ.Source：Proceedings of the IEEE Power Engineering SocietyTransmission and Distribution Conference，v 2，2000，p 1271-1274)(IEEE电力工程学报，“用于可再生能源的级联变换接口”)介绍了一种用于太阳能并网发电中的多电平级联电路设计，由独立的逆变回路与每组太阳能电池组成一个逆变单元，将多个逆变单元进行固定串接，通过控制器对这些串接的逆变单元通/断时间进行控制，形成多电平移相级联，由于采用有限的直流电平通过移相级联的方式构成近似的正弦波形，因此这种波形的谐波成分少，在无需特别的滤波装置就可以使这种正弦交流电直接并入电网运行。又因为这种电路没有使用电感与电容器件，因此其功率因数也能达到很高的水平。这些都是该电路的显著特点。
但是，上述此类电路在考虑降低谐波成分和提高功率因数的时候，并没有考虑到：如何使太阳能并网发电***能量输出最大化的问题。换句话说，上述文献没有考虑当开关器件处于关断状态时太阳能电池能量的释放问题。因此，不仅会造成能量的浪费，而且还会引起非均匀势场被破坏而出现激发能力衰退的现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，使其可以最大限度地促使光伏电池在高功率因数下达到能量输出最大化，进而确保了***发电效率在光伏电池单片转换效率固定与光照条件有限的情况下达到最高的程度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：太阳能电池组、若干基本逆变单元、软连接器和控制器，这些部件构成多电平级联式逆变拓扑结构。太阳能电池组由若干独立的太阳能电池板通过串/并接的方式组成额定电压输出为48V的组合板块，太阳能电池组连接到基本逆变单元，太阳能电池输出电压接入基本逆变单元的两个输入端，在控制器输出的触发信号作用下，基本逆变单元中的四个开关器件接受控制器的通/断时间控制，使得基本逆变单元输出端能够在控制器确定的时间段内输出正、零、负三种状态的电平。软连接器也是由电力电子开关器件组成，在控制器控制下，解决基本逆变单元与基本逆变单元相互之间的串/并连接关系，实现该拓扑结构的阶梯微分正弦交流电的输出，所谓阶梯微分正弦交流电，即利用有限的阶梯电压通过移相方式进行叠加而产生一种近似正弦波形的交流电。
所述太阳能电池组由4个独立的太阳能电池板，每个太阳能电池板的额定输出电压24V，将其两两串接后再并接而成，并接后的两端头即为太阳能电池组的电压输出端头，因此，太阳能电池组的额定输出电压为48V。
所述基本逆变单元由4个电力电子开关器件构成桥式电路，控制器的开通/关断触发信号决定每个电力电子器件的导通与截止时间，进而确定基本逆变单元输出端输出电平的正、零、负三种状态。
所述软连接器由电力电子器件组合而成，利用电力电子开关器件的软开关特性在控制器的控制下起着等效继电开关的作用，并根据不同的时间段对基本逆变单元之间进行串接或者并接。
所述控制器，负责基本逆变单元正、负两个方向的通/断时间控制，以及基本逆变单元之间串接或者并接方式的控制。
采用本发明的软连接器可以使得由光强激发的电能全部释放到电网中去，同时对基本逆变单元通/断时间变得非常简单：根据市电频率50Hz计算得出正弦交流电半周时间为10ms，所有组成多电平级联逆变拓扑的基本逆变单元在控制器的控制下同时正向导通和同时负向导通，正/负向导通时间均分别为10ms，也就是说，所有的基本逆变单元同时导通10ms后，又同时关闭正向，再同时开启负向导通10ms，如此周而复始，循环不止。
阶梯微分正弦输出，则是由软连接器在控制器的控制下予以实现：当第一个正向阶梯电压输出时，将所有的基本逆变单元全部并接；当第二阶梯电压叠加时刻到达时，将原并接的基本逆变单元分成两组进行串接，实现两个阶梯电压的阶梯状叠加；当第三个阶梯电压叠加时刻到达时，分别将第一、第二阶梯电压中并接的基本逆变单元各断开三分之一，并将这两个三分之一数量的基本逆变单元并接后再与第二个阶梯电压串接，实现三个阶梯电压的阶梯状叠加；如此反复至峰值电压出现即完成了正弦交流电四分之一周期的阶梯状电压输出；随后开始阶梯电压的递减过程，将原先依次改并接为串接，依照反向顺序，依次改串接为并接；当正向导通时间达到10ms时，控制器控制所有的基本逆变单元负向导通，接着软连接器在控制器的控制下重复实现上述过程，因此完成整个周期的阶梯微分正弦交流电的输出。
在本发明的上述过程作用下，始终保证了上述逆变过程太阳能电池功率输出的最大化。本发明主要性能指标：(1)17次以下谐波全部被滤除；(2)功率因数达到96％以上；(3)太阳能电池由光强转换的电能输出效率达到98％以上。
附图说明
图1本发明的***结构图
图2本发明的基本逆变单元电路图
图3本发明的软连接器的拓扑结构图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：太阳能电池组1、基本逆变单元2、软连接器3、控制器4，额定电压输出48V的太阳能电池组1连接基本逆变单元2，将太阳能电池组的电能输入至基本逆变单元2，基本逆变单元2的输出与软连接器3连接，由软连接器3根据控制器4的控制时间计算值，决定基本逆变单元2相互之间连接方式，或串接，或并接，控制器4控制基本逆变单元2正、负向导通时间及其切换，以及控制基本逆变单元2在不同的时间点上相互间的串/并连接方式的改变。
如图2所示，每个基本逆变单元2由4个电力电子开关器件构成桥式电路，当左上、右下电力电子开关器件导通，而左下、右上电力电子开关器件截止时，基本逆变单元2输出正电平；当左上、右下电力电子开关器件截止，而左下、右上电力电子开关器件导通时，基本逆变单元2输出负电平；当4个电力电子开关器件均处于截止时，基本逆变单元2输出零电平。
如图3所示，软连接器3由20个电力电子开关器件构成一种拓扑结构，每个电力电子开关器件仅有开通与关断两种状态。
实施例：太阳能电池组1额定输出电压48V，有6个基本逆变单元2、1个软连接器3和1个控制器4。
条件：软连接器具有能够实现6个基本逆变单元2相互间串/并接的任何一种结构形式及其转换。
控制策略：控制器4控制6个基本逆变单元2中电力电子开关器件导通或截止，导通/截止时间均为10ms，控制软连接器3将6个基本逆变单元2相互串/并接，串/并接状态控制时间由PWM(脉宽调制)控制策略确定。
具体过程如下：
(1)逆变开始，控制器4控制6个基本逆变单元2正电平输出，并控制软连接器3将6个基本逆变单元2相互并接，***输出1个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
  5   6   7   8   9   10   11   12   13   14
  开通   开通   关断   关断   开通   开通   关断   关断   开通   开通
  15   16   17   18   19   20   21   22   23   24
  关断   开通   开通   关断   开通   开通   开通   开通   开通   开通
(2)第一个正叠加时刻到达时，控制器4控制软连接器3将6个基本逆变单元2分成两组并接，然后将两组进行串接，***输出2个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
  5   6   7   8   9   10   11   12   13   14
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(3)第二个正叠加时刻到达时，控制器4控制软连接器3将从并接的两组基本逆变单元2中各取出1个基本逆变单元2，并接后再与现有的串接基本逆变单元2进行串接，***输出3个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
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(4)第三个正叠加时刻达到时，控制器4控制软连接器3从串接的第三组中撤出1个基本逆变单元2并与第三组基本逆变单元2串接，***输出4个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
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(5)第四个正叠加时刻达到时，控制器4控制软连接器3从第二组中撤出1个基本逆变单元2并与第四组基本逆变单元2串接，***输出5个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
  5   6   7   8   9   10   11   12   13   14
  关断   关断   开通   开通   关断   开通   关断   开通   关断   开通
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(6)第五个正叠加时刻达到时，控制器4控制软连接器3从第一组中撤出1个基本逆变单元2并与第五组基本逆变单元2串接，***输出6个正阶梯电压，软连接器3中的20个电力电子开关器件5～24的开通/关断状态如下：
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(7)第一个正递减时刻达到时，控制器4控制软连接器3将第六组基本逆变单元2与第五组基本逆变单元2断开串接，并重新并接到第一组基本逆变单元2，***输出5个正阶梯电压；
(8)第二个正递减时刻达到时，控制器4控制软连接器3将第五组基本逆变单元2与第四组基本逆变单元2断开串接，并重新并接到第二组基本逆变单元2，***输出4个正阶梯电压；
(9)第三个正递减时刻达到时，控制器4控制软连接器3将第四组基本逆变单元2与第三组基本逆变单元2断开串接，并重新并接到第三组基本逆变单元2，***输出3个正阶梯电压；
(10)第四个正递减时刻达到时，控制器4控制软连接器3将第三组基本逆变单元2与第二组基本逆变单元2断开串接，并重新将其分成两组分别与第二与第一组的基本逆变单元2并接，***输出2个正阶梯电压；
(11)第五个正递减时刻达到时，控制器4控制软连接器3将第二组基本逆变单元2与第一组基本逆变单元2断开串接，并重新将其与第一组的基本逆变单元2并接，***输出1个正阶梯电压；
(12)正半周导通10ms，控制器4控制所有的基本逆变单元2逆转，输出负阶梯电压，***输出1个负阶梯电压；
(13)第一个负叠加时刻到达时，控制器4控制软连接器3将6个基本逆变单元2保持并接分成两组，然后将两组进行串接，***输出2个负阶梯电压；
以后，控制器4依次重复(3)～(11)过程中同样的控制去控制软连接器3完成6个基本逆变单元2同样的串/并接状态以实现逆变器***在负半周中的阶梯电压的负向递增与递减过程，直至负半周导通10ms，控制器4重新控制所有的基本逆变单元2逆转，输出正阶梯电压，***重新回到输出1个正阶梯电压，然后逆变器***又进入一个新的完整周期逆变过程。
上述过程完整地实现6组太阳能电池通过逆变***输出阶梯微分正弦交流电。理论分析、数字仿真与实验研究均已证实：***已经消除17次以下谐波、***功率因数达到96％以上、***功率转换达到98％以上。
本发明的作用机理在于：所有的基本逆变单元2在逆变的整个过程始终处于正向导通或负向导通状态，它们的能量始终没有被人为地滞留在电池板上，因此它们在功率输出最大化的同时，又实现了太阳能电池板性能的最大保护，延长光生伏特薄膜的实用寿命。

Claims (4)

1、一种太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，包括：太阳能电池组(1)、若干基本逆变单元(2)、软连接器(3)和控制器(4)，其特征在于，太阳能电池组(1)、若干基本逆变单元(2)、软连接器(3)和控制器(4)构成多电平级联式逆变拓扑结构，其中：太阳能电池组(1)由太阳能电池板组成额定电压输出为48V的组合板块，太阳能电池组(1)连接基本逆变单元(2)，基本逆变单元(2)由电力电子开关器件构成桥式电路，将与基本逆变单元(2)连接的太阳能电池组(1)的输出电压通过控制器(4)对基本逆变单元(2)中电力电子开关器件的通/断时间进行控制，基本逆变单元(2)的输出与软连接器(3)连接，软连接器(3)根据控制器(4)的控制时间计算值决定若干基本逆变单元(2)相互之间连接方式，或串接，或并接，控制器(4)控制基本逆变单元(2)的正/负向导通时间及基本逆变单元(2)的正/负向切换，以及控制若干基本逆变单元(2)在不同的时间点上相互间的串接或并接连接方式的改变，所述基本逆变单元(2)在控制器(4)的控制下同时正向导通和同时负向导通，正/负向导通时间均为10ms。
2、根据权利要求1所述的太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，其特征是，所述太阳能电池组(1)由4个独立的太阳能电池板组成，每个太阳能电池板的额定输出电压24V，将其两两串接后再并接，并接后的两端头即为太阳能电池组的电压输出端头，因此，太阳能电池组的额定输出电压为48V。
3、根据权利要求1所述的太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，其特征是，所述软连接器(3)由20个电力电子开关器件(5～24)组成一种拓扑结构，利用电力电子开关器件(5～24)的软开关特性，在控制器(4)的脉宽调制控制策略控制下起着无触点开关的作用，并根据不同的时间段对基本逆变单元(2)之间进行串接或者并接。
4、根据权利要求1所述的太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，其特征是，所述基本逆变单元(2)由4个电力电子开关器件构成桥式电路，控制器(4)的开通/关断触发信号决定每个电力电子开关器件的导通与截止时间，进而确定基本逆变单元(2)输出端输出电平的正、零、负三种状态。
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Multilevel Converters as a Utility Interfacefor Renewable Energy Systems. Leon M.Tolbert,Fang Z.Peng.Power Engineering Society Summer Meeting,2000,IEEE,Vol.2 . 2000
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基于MCU的光伏控制***. 计长安，张秀彬，何斌，曾国辉，周雪莲.微计算机信息，第21卷第3期. 2005
基于MCU的光伏控制***. 计长安，张秀彬，何斌，曾国辉，周雪莲.微计算机信息，第21卷第3期. 2005 *

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