专利名称：高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的制作方法
技术领域：
本发明将高效光伏并网与混合有源电力滤波器结合为一体，属于电气工程 和太阳能光伏利用的领域。
背景技术：
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础。由于世界能源， 传统石化能源越来越临近枯竭，保障能源和环境可持续发展，特别是保证一次 能源的供给是我国面临的重大战略问题。可再生能源将逐步替代化石能源，成 为人类可持续发展的能源。在可再生能源中，潜力最大的是太阳能。太阳能光 伏发电是太阳能利用的重要方式，具有无污染、可再生、不受区域限制等优势， 也是我国重点提倡开发利用的绿色能源。我国太阳能资源相当丰富，全国各地的年太阳辐射总量为3340~8400MJ/m2，中值为58520MJ/m2。我国陆地表面每 年接受的太阳辐射能约为147xl08GWh，相当于4.9万亿吨标准煤。加上太阳能 的洁净环保特性，太阳能资源成为我国最具大规模开发利用价值的可再生能源 之一。光伏并网系统是太阳能光伏利用的重要形式，占光伏系统应用的70%以上。 由于太阳能光伏电池的成本高、价格昂贵，光伏并网系统的效率成为影响其推 广应用的重要因素。光伏并网系统应用于较高电压交流电网时，由于太阳能光 伏电池的输出电压比较低，通常需要釆用升压电路，由此带来的功率损耗降低 了整个光伏并网系统的效率。此外，由于太阳能具有很强的时间特性，晚上和阴雨天气时日照强度很弱，在这些时间内光伏并网系统通常得不到很好的利用。 另一方面，随着电子技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，采用各 种电力电子装置的家用电器和办公设备得以广泛应用，引起电网谐波、闪变、 三相不均衡、瞬间失电等一系列的电能质量问题，对电网的安全稳定运行构成 严重威胁。近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。电能质量问题成为影响国计民生的重大问题。为了抑制电网谐波，提高电网供电 质量，传统的方法是采用无源电力滤波器，利用电感和电容的谐振特性形成对 特定谐波的陷波器，但无源电力滤波器存在一些固有的缺陷，如体积大、只能 抑制固定频率的谐波电流，容易与电网阻抗发生串并联谐振等。有源电力滤波 器能很好的克服无源电力滤波器的缺点，而单独使用的有源电力滤波器存在容 量大、价格昂贵等缺点。混合型有源电力滤波器将无源电力滤波器和有源电力 滤波器结合起来，采用无源电力滤波器承担主要的无功补偿和谐波抑制任务， 使有源电力滤波器仅仅承受低电压、其容量也小很多。它兼具无源电力滤波器 成本低廉和有源电力滤波器性能优越的优点，成为有源电力滤波器发展的主流方向。由于电网非线性负载的时变特性，有时候无功和谐波负荷重，负载电流畸 变很厉害，这时候混合有源电力滤波器输出大功率的无功和谐波电流对其进行 补偿，其容量得到了较好的利用，但在有些情况下电网的无功和谐波负荷比较 轻，混合有源电力滤波器的输出功率很小，其利用率很低甚至闲置。高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置将光伏并网装置与混合有 源电力滤波器结合在一起，利用混合有源电力滤波器的逆变器输出电压低的特 点，使得光伏并网系统无需升压电路而可以应用于高压电力系统，提高光伏并网系统的效率。同时利用光伏并网系统和混合有源电力滤波器在时间上的互补 特性，提高装置的利用率。发明内容为了提高光伏并网系统的效率和利用率，将光伏并网系统与混合有源电力 滤波器相结合。混合有源电力滤波器采用无源电力滤波器和有源电力滤波器串 联后并联入电网的结构形式。太阳能光伏阵列通过防反二极管与混合有源滤波 器的直流侧相连，太阳能光伏阵列吸收日照能量，转换为电能并通过逆变器转 变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源电力滤波器将电 能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器采用串联的形式，无源 电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电压很低，因此光 伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高了光伏并网发电的效率。此外，高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置可以同时起到 混合有源电力滤波器的作用，输出无功和谐波电流，对电网无功进行补偿并抑 制电网谐波，降低电网损耗并改善电能质量。 本发明所采用的技术方案如下一种高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置，主要包括太阳能光 伏阵列、防反二极管、电容器、逆变器、滤波电抗器、滤波电容器、无源电力 滤波器等。其特征在于利用太阳能电池阵列吸收日照能量，转换为电能并通 过电力变换器转变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源 电力滤波器将电能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器釆用串 联的形式，无源电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电 压很低，因此光伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高 了光伏并网发电的效率。本装置还可以起到混合有源电力滤波器的作用，在日照强度较弱或无日照的情况下，逆变器输出电网所需的无功和谐波补偿电流， 经滤波电感和滤波电容构成的低通滤波器滤波后，通过无源电力滤波器对电网 无功和谐波进行补偿，改善电能质量并降低电网损耗。高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置在实现高效光伏并网功能 时逆变器输出与电网同频率的交流电，参见图3，通过调节交流电的幅值及其与 电网的相位差来控制装置的光伏发电功率和电网无功补偿功率。当高效光伏并 网与混合有源电力滤波器一体化装置工作在谐波抑制状态时，其逆变器的输出 为与各次谐波同频率的交流分量叠加总和，参见图4。当高效光伏并网与混合有 源电力滤波器一体化装置既工作在高效光伏并网状态又补偿电网无功并抑制谐 波时，其逆变器同时输出与电网同频率和各谐波分量同频率的交流电。作为本发明的一种实施方式，在所述滤波电容器上并联变压器进行电气隔离和电压电流参数匹配。作为本发明的一种实施方式，省去所述滤波电容器，仅仅釆用电抗器进行 滤波。本发明的技术效果在于1. 利用混合有源电力滤波器的逆变器将光伏阵列输出的太阳能转换为与电 网同频率的交流电，滤波后通过无源电力滤波器将能量输送给负载和电网。由 于逆变器输出电压比较低，因此光伏阵列与逆变器之间无需升压变压器，因此 可以提高光伏并网系统的效率。2. 高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置还兼具混合有源电力滤 波器的作用，抑制电网谐波并补偿电网无功，从而改善电能质量，降低电网损 耗。3. 高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的混合有源电力滤波器和光伏并网功能互补，在日照强度较弱时以混合有源滤波器功能为主，在曰照 强时以光伏并网功能为主，两种功能相辅相成，提高了装置的利用率。
图1是高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的结构简图。图2是高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的一个实施实例。图3是带并联变压器的高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的结构简图。图4是高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的光伏并网发电原 理图。图5是高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置的谐波补偿原理图。图6是负载电流波形图 图7是电网供电电流波形图具体实施方式
高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置主要由太阳能光伏阵列、 防反二极管、电容器、逆变器、滤波电抗器、滤波电容器、无源电力滤波器等 构成。根据不同的需求，具有多种实施方式，下面结合附图和实施例对本发明 系统作进一步说明。 实施例1:图2是本发明的一个实施例简图，太阳能电池阵列[l]采用多块三洋高性能 HIT电池串并联而成，它将太阳能转换为直流电能；为了防止电流流入光伏阵列， 在光伏阵列的输出侧串联了防反二极管[2]，电容器[3]釆用电解电容器，逆变器 [4]采用全桥逆变器结构，电力电子器件采用三菱智能功率模块(IPM)，采用无 感电阻、无感电容和快恢复二极管构成逆变器的缓冲电路，逆变器的输出接电感[5]和电容[6]构成的低通滤波器。无源电力滤波器[7]采用5次单调谐滤波器和7次单调谐滤波器并联而成。系统控制器以DSP为核心，对光伏阵列输出电压Up和输出电流ip、逆变器输出经滤波后的电压Uo和电流io、负载电压UL和电流L进行实时监测，分析计算后输出脉宽调制(PWM)信号，PWM信号经光电隔 离驱动后控制逆变器中的电力电子器件的开通与关断，从而控制逆变器的输出 电压和电流，达到光伏并网发电、谐波抑制和无功补偿的目的。图6和图7分 别是本实施实例中的负载电流和电网供电电流的波形图。 实施例2:与实施例1相比，区别在于在所述滤波电容器[6]上并联变压器进行电气隔 离和电压电流参数匹配。 实施例3:与实施例1相比，区别在于省去所述滤波电容器[6]，仅仅采用电抗器进行滤波。实施例4:与实施例2相比，区别在于省去所述滤波电容器[6]，仅仅采用电抗器进行滤波。
权利要求
1、高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置，其特征在于它包括一太阳能光伏阵列[1]，通过防反二极管[2]提供直流电给电容器[3]和逆变器[4]；一电容器[3]，用以储存电能，稳定逆变器[4]直流侧电压；一逆变器[4]，将直流电转换为交流电，其中一部分转换成与电网同频率的正弦交流电，将光伏阵列提供的能量馈送给电网[8]，另一部分转变为电网所需的基波无功和谐波；一滤波电抗器[5]，与滤波电容器[6]共同构成低通滤波器，滤除逆变器中电力电子器件高频动作引起的高频谐波。一无源电力滤波器[7]，采用电感、电容或者电阻构成，承受大部分的基波电压。
2、 根据权利要求1所述的高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置， 在滤波电容器[6]并联变压器。
3、 根据权利要求1和权利要求2所述的高效光伏并网与混合有源电力滤波 器一体化装置，省去滤波电容器[6]。
全文摘要
本发明公开了一种高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置，属于电气工程和太阳能光伏利用的技术领域。其基本特征为利用太阳能电池阵列吸收日照能量，转换为电能并通过电力变换器转变成交流电，通过低通滤波器滤波后经电感和电容构成的无源电力滤波器将电能输送给电网。由于无源电力滤波器与光伏并网逆变器采用串联的形式，无源电力滤波器承担主要的基波电压，光伏并网逆变器直流侧的电压很低，因此光伏阵列可与并网逆变器直接连接而不需要升压变换电路，提高了光伏并网发电的效率。此外，高效光伏并网与混合有源电力滤波器一体化装置可以同时起到混合有源电力滤波器的作用，可以电网无功进行补偿并抑制电网谐波，降低电网损耗并改善电能质量。该装置的优点在于结构简单、效率高并且一机多能。
文档编号H02M1/12GK101237150SQ20081002654
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月29日 优先权日2008年2月29日
发明者青 付 申请人:中山大学