专利名称：太阳能发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能发电技术，特别涉及一种采用逆变技术对光伏电池组进行整合级联， 输出电压达到几千伏以上，输出功率达到兆瓦级的太阳能发电设备。
背景技术：
光伏发电(太阳能发电)技术已经被人类掌握，很多国家可以生产单晶硅、多晶硅以及 其它薄膜光伏电池等，作为能量转换装置，将太阳能变成电能提供给用电设备。目前对于低 电压、小容量的用电设备，可以将光伏电池进行必要的串并联形成光伏电池组，将光伏电池 组的输出直接连接到用电设备的电源输入端，就可以使用了。对于需要交流电的用电设备， 一般在光伏电池组与用电设备之间插入一个逆变器电路，逆变器电路将光伏电池组的直流电 逆变成一定频率、 一定电压规格的交流电如单相220V/50Hz，或者三相380V/50Hz，使交流用 电设备可以正常工作，这个光伏电池组加逆变器电路就组成了光伏交流发电装置。它包括光 伏电池组、逆变器电路以及隔离变压器，其中隔离变压器起到升压、隔离以及滤波的作用。
由于受到目前逆变器电路技术的限制，特别是逆变电桥中开关器件耐压的限制，现在的 光伏交流发电装置的容量在几百瓦，几个千瓦至十几个千瓦的，输出电压小于1000V。其电 路拓扑无法满足几千伏以上、兆瓦级的光伏发电系统的需要。
综上所述，现有光伏交流发电装置的缺点是单机容量小，输出电压低，依赖变压器进 行升压、隔离以及滤波，难以构成大容量、高电压、低谐波的光伏交流发电系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的光伏发电装置，单机容量小，输出电 压低；依赖于变压器进行升压、隔离以及滤波，难以构成大容量、高电压、低谐波发电装置 缺点，提供一种计算机控制的逆变器级联组合构成的光伏发电设备，以提高发电设备的输出 电压和输出功率。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太阳能发电设备，包括光伏功率单元和计 算机主控系统；所述光伏功率单元包括光伏电池组、逆变电桥、通讯及控制模块；所述逆变 电桥控制端与通讯及控制模块连接，接收计算机主控系统输出的PWM信号，将光伏电池组输 出的直流电转换成脉冲电流，并通过输出端U端口和V端口输出；其特征在于，N个光伏功率 单元的U端口和V端口顺次串联组成光伏功率单元组，各通讯及控制模块与计算机主控系统连接；第一个光伏功率单元的U端口和最后一个光伏功率单元的V端口构成该光伏功率单元组的
输出端，其输出波形为特定频率的正弦波；所述N》2;
进一步的，所述光伏功率单元连接有旁路装置，所述旁路装置与通讯及控制模块连接； 进一步的，所述逆变电桥直流输入端连接有电流检测装置和电压检测装置，所述电流检
测装置和电压检测装置均与通讯及控制模块连接；
具体的，所述逆变电桥可以由GTO、或者由IGBT、或者由IGCT、或者由GTR构成； 进一步的，所述光伏功率单元还包括稳压电路，所述稳压电路连接在光伏电池组输出端
与逆变电路之间；所述稳压电路与通讯及控制模块连接；
进一步的，所述光伏功率单元还包括蓄电装置，所述蓄电装置连接在稳压电路输出端；
所述蓄电装置与通讯及控制模块连接；
进一步的，将3个输出波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成Y型，输出三相交
流电；
或者，将3个输出波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成A型，输出三相交流电。
本发明的有益效果是，由于采用级联输出，突破了逆变电桥开关器件耐压的限制，能够 不依赖变压器输出高电压，并且输出电压谐波失真低，输出功率大，运行可靠。
图l、图2、图3、图4是四种结构不同的光伏功率单元示意图5是实施例1的结构示意图6是实施例2的结构示意图7是实施例3的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
逆变电桥级联技术在高压大功率变频器邻域应用非常普遍。逆变电桥作为变频器的功率 单元，其输出电压和功率与变频器的输出电压和功率直接相关。为了提高变频器功率单元的 输出电压和功率，可以将多个逆变电桥进行级联，通过计算机控制能够输出几十kV的正弦波 交流电，对大功率交流设备进行控制，构成所谓的级联式高压大功率变频器。关于逆变电桥 级联技术在变频器领域应用的详细介绍可以参见
公开日1998年8月12日，公开号为 CN1190278A的中国发明专利申请《无电网污染高压大功率变频器》。该专利基于来自电力网 的稳定电源，通过逆变电桥级联输出频率可调的高电压正弦波交流电。其逆变电桥级联技术可以作为理解本发明的参考。
本发明利用逆变电桥级联技术，将多个光伏功率单元串联起来，构成光伏功率单元组， 以目前的器件耐压水平，输出几十kV的电压完全没有问题。
图l所示的光伏功率单元，包括一个受Y轴马达202、 X轴马达203驱动的光伏电池组201; 由开关器件205、电感204、 二极管206以及电容器207所组成的Boost (升压式)稳压电路； 由四个相同的开关器件208构成的单相全桥逆变电路(逆变电桥)；由蓄电池及其控制电路 构成的蓄电装置212; —个以CPU为核心的通讯及控制模块215，该模块对外具有一个光纤通 讯输入端子104及一个光纤通讯输出端子105，用于与计算机主控系统的数字通讯，完成最佳 太阳照射方向控制、蓄电池控制、稳压电路工作状态控制、逆变电桥工作状态控制等，同时 将光伏功率单元的各项参数回传给计算机主控系统，整个光伏功率单元工作在受控、闭环的 稳定状态之下。该光伏功率单元可以适用于光照极不稳定的环境。
在计算机主控系统控制下光伏电池组201总是处于最佳太阳照射方向，其输出的不稳定 直流电，提供给Boost稳压电路，在计算机主控系统控制下稳压电路输出稳定、受控的直流 电，保证发电设备功率因数的可控。
开关器件205、 208可以由GTO (可关断可控硅)、或者由IGBT (绝缘栅双极性晶体管) 、或者由IGCT (集成门极换流晶闸管)等构成。稳压电路输出稳定的直流电形成直流母线， 提供给单相全桥逆变电路，在计算机主控系统输出的PWM信号控制下，单相全桥逆变电路将 直流电转换成交流脉冲，并通过U端口102、 V端口103输出。直流母线上还连接有电流检测装 置213以及电压检测装置214，电流检测装置213和电压检测装置214与通讯及控制模块连接， 以便通过计算机主控系统对电流和电压进行监测和控制。
图2是另一种光伏功率单元结构示意图，图中除了稳压电路采用Buck (降压式)稳压电 路外，其他结构与图l所示的光伏功率单元结构相同。Buck稳压电路由开关器件205、电感 204、 二极管206以及电容器207组成。该电路适用于光照相对稳定的环境。
图3所示的光伏功率单元结构采用了二极管钳位三电平逆变半桥电路构成的逆变电桥， 图中二极管209、 210为钳位二极管。可以看出，图中电容器207由两只电容器串联组成，两 只电容器的连接点与光伏功率单元的V端口 103连接。该光伏功率单元的其他结构参见图l 。
图4是由Buck稳压电路与二极管钳位三电平逆变半桥电路构成的逆变电桥组合的光伏功 率单元，图中二极管209、 210为钳位二极管，图中电容器207也是由两只电容器串联组成， 两只电容器的连接点与光伏功率单元的V端口 103连接。该光伏功率单元的其他结构可以参见 图3。实施例l
根据当地的日照数据以及光伏电池的种类，在上述四种结构的光伏功率单元中选择N (N 》2)个相同的光伏功率单元101，按照地形放置在接受阳光的最佳位置，使用柔性电缆404 进行连接，第一个光伏功率单元的U端口102与第二个光伏功率单元的V端口103连接……，形 成一个光伏功率单元组。第一个光伏功率单元的U端口和最后一个光伏功率单元的V端口构成 该光伏功率单元组的输出端(U端口402和V端口403)。将每一个光伏功率单元的光纤通讯输 入端子104、光纤通讯输出端子105与计算机主控系统401连接。为了检测整个光伏功率单元 组的电流和电压，U端口402和V端口403上分别连接了与计算机主控系统401相联的电流检测 装置405和电压检测装置406。参见图5。
正常阳光照射工作状态之下，计算机主控系统401进行光伏功率单元波形计算、光伏功 率单元直流母线控制、光伏功率单元逆变电桥控制、光伏电池组对准阳光控制、光伏功率单 元蓄电装置控制、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制等，在光伏功率单元组的输出 端(U端口402和V端口403)可以得到稳定的高质量正弦波电压。如果某一个光伏功率单元出 现故障，计算机主控系统401会使连接在其逆变电桥上的旁路装置(图中未示出)进入旁通 状态，该光伏功率单元被旁路，然后调整波形重组算法，改变每个功率单元内部逆变电桥控 制端的PWM信号波形，保持光伏功率单元组输出高质量的连续正弦波。如果想得到更高的电 压，可以增加光伏功率单元串联的数量。以目前耐压1700V的典型IGBT作为逆变电桥的开关 器件，串联30级共30个光伏功率单元(g,=30)，可以输出20kV/50Hz高质量的交流正弦波
实施例2
图6示出了三相Y型太阳能发电设备的结构示意图。将三个相同的光伏功率单元组(其组 成参见实施例l)的三个U端口短接，形成中性点501，另外三个V端口连接三相开关502，并 通过开关502连接电网适配系统及电网503。将每一个光伏功率单元的光纤通讯输入端104、 光纤通讯输出端105与计算机主控系统401连接；将电流传感器405、电压传感器406也连接到 计算机主控系统401。
正常阳光照射工作状态之下，计算机主控系统401进行光伏功率单元波形计算、光伏功 率单元直流母线控制、光伏功率单元逆变器控制、光伏电池组架对准阳光控制、光伏功率单 元蓄电池管理、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制，并使三个光伏功率单元组的输 出波形相互间具有120。的相位差，在光伏功率单元组的三个V端口，可以得到稳定的高质量 三相正弦波电压。如果某一个光伏功率单元出现故障，计算机主控系统401会使该光伏功率单元进入旁通状态，通过调整波形重组算法，保持高质量的三相正弦波输出。如果想得到更 高的电压，就可以增加光伏功率单元的数量，以目前耐压1700V的典型IGBT作为开关器件， 串联30级共90个光伏功率单元，可以输出线电压34kV/50Hz高质量的三相交流正弦波。 实施例3
根据当地的日照数据以及光伏电池的种类在四种内部结构(见图1 4)之中选择一种光 伏功率单元构成光伏功率单元组(其组成参见实施例l)。将三个光伏功率单元组的输出端 首尾相联，即三个光伏功率单元组的U端口和V端口分别相联，形成A型连接关系，如图7所 示。三角形的三个顶端连接三相开关502，通过502连接电网适配系统及电网503。将每一个 光伏功率单元的光纤通讯输入端104、光纤通讯输出端105连接到系统401上，将电流传感器 405、电压传感器406也连接到计算机主控系统401 。
正常阳光照射工作状态之下，计算机主控系统401进行光伏功率单元波形计算、光伏功 率单元直流母线控制、光伏功率单元逆变器控制、光伏电池组架对准阳光控制、光伏功率单 元蓄电池管理、并网控制、功率因数控制以及各类保护控制，并使三个光伏功率单元组的输 出波形相互间具有120。的相位差，可以得到稳定的高质量三相正弦波电压。如果某一个光 伏功率单元出现故障，计算机主控系统401会使该光伏功率单元进入旁通状态，并调整波形 重组算法，保持高质量的连续正弦波输出。如果想得到更高的电压，就可以增加光伏功率单 元的数量，以目前耐压1700V的典型IGBT作为开关器件，串联30级共90个光伏功率单元，可 以输出线电压20kV/50Hz高质量的三相交流正弦波。
本发明专利的计算机主控系统，通过光纤通讯线路与每个功率单元连接，由于每一个光 伏功率单元的直流母线是稳定可控的，以及计算机主控系统特殊矢量算法的控制，可以高效
率地输出大容量、高电压、低谐波的高质量正弦波电源，输出电压值不受开关器件耐压的限 制，级数越多(N越大)，电压越高。由于光伏功率单元使用电缆、光纤等等柔性连接方法 ，可以满足在野外适应不同的地形上设置光伏功率单元阵列的需要，每一个光伏功率单元不 需要变压器进行隔离输出。
权利要求
1.太阳能发电设备，包括光伏功率单元和计算机主控系统；所述光伏功率单元包括光伏电池组、逆变电桥、通讯及控制模块；所述逆变电桥控制端与通讯及控制模块连接，接收计算机主控系统输出的PWM信号，将光伏电池组输出的直流电转换成脉冲电流，并通过输出端U端口和V端口输出；其特征在于，N个光伏功率单元的U端口和V端口顺次串联组成光伏功率单元组，各通讯及控制模块与计算机主控系统连接；第一个光伏功率单元的U端口和最后一个光伏功率单元的V端口构成该光伏功率单元组的输出端，其输出波形为特定频率的正弦波；所述N≥2。
2.权利要求2根据权利要求l所述的太阳能发电设备，其特征在于，所述光伏功 率单元连接有旁路装置，所述旁路装置与通讯及控制模块连接。3.权利要求3根据权利要求l所述的太阳能发电设备，其特征在于，所述逆变电 桥直流输入端连接有电流检测装置和电压检测装置，所述电流检测装置和电压检测装置均与 通讯及控制模块连接。4.权利要求4根据权利要求l所述的太阳能发电设备，其特征在于，所述逆变电 桥可以由GT0、或者由IGBT、或者由IGCT、或者由GTR构成。5.权利要求5根据权利要求l、 2、 3或4所述的太阳能发电设备，其特征在于， 所述光伏功率单元还包括稳压电路，所述稳压电路连接在光伏电池组输出端与逆变电路之间 ;所述稳压电路与通讯及控制模块连接。6.权利要求6根据权利要求5所述的太阳能发电设备，其特征在于，所述光伏功 率单元还包括蓄电装置，所述蓄电装置连接在稳压电路输出端；所述蓄电装置与通讯及控制 模块连接。7.权利要求7根据权利要求5所述的太阳能发电设备，其特征在于，将3个输出 波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成Y型，输出三相交流电。8.权利要求8根据权利要求5所述的太阳能发电设备，其特征在于，将3个输出 波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成A型，输出三相交流电。1. 根据权利要求l、 2、 3或4所述的太阳能发电设备，其特征在于， 将3个输出波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成Y型，输出三相交流电。2. 根据权利要求l、 2、 3或4所述的太阳能发电设备，其特征在于， 将3个输出波形具有特定相位关系的光伏功率单元组连接成A型，输出三相交流电。
全文摘要
本发明涉及太阳能发电技术。本发明针对现有光伏交流发电装置单机容量小，输出电压低，依赖变压器进行升压、隔离以及滤波，难以构成大容量、高电压、低谐波的光伏交流发电系统的缺点，公开了一种太阳能发电设备。本发明的技术方案包括光伏功率单元和计算机主控系统；所述光伏功率单元包括光伏电池组、逆变电桥、通讯及控制模块；N个光伏功率单元顺次串联组成光伏功率单元组。本发明的太阳能发电设备，采用逆变技术对光伏功率单元进行整合级联，利用计算机主控系统进行统一控制，能够输出电压达到几千伏以上，功率达到兆瓦级的正弦波交流电。本发明可以广泛用于各种太阳能发电系统。
文档编号H02M3/10GK101299546SQ20081030180
公开日2008年11月5日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年5月28日
发明者杨 崔, 梁之龙 申请人:梁之龙;崔 杨