一种具有APF功能的光储一体化并网发电装置的制作方法

本实用新型属于分布式发电技术领域，具体涉及一种具有APF功能的光储一体化并网发电装置。

背景技术：

随着全世界对能源的需求也相应的日益增长，新能源在能源结构中的作用变得更为重要，其中太阳能光伏发电以独特的优越性而受到广泛关注。然而，传统的光伏并网逆变器具有间歇性和设备利用低等问题，同时电网中非线性、冲击性负荷不断涌现，降低了电能质量，传统的无源滤波已经无法满足。

技术实现要素：

为了解决上述的现有技术问题，本实用新型的目的是提供一种具有APF功能的光储一体化并网发电装置，其根据光照强度和电网调度指令，可以对电网削峰填谷和谐波抑制，使光储微网物尽其用。

该实用新型的系统利用光伏并网逆变器和有源滤波装置在结构和原理上的共性，结合蓄电池和超级电容模组等储能装置，可以实现光伏逆变器削峰填谷和谐波治理，达到一机多用和节约成本的效果。

为了实现上述的目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种具有APF功能的光储一体化并网发电装置，包括

用于产生电能的光伏组件，所述光伏组件由m串n并构成的太阳能电池板组成；

Boost变换器，所述Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端经直流断路器K1连接到直流母线；

光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器的输入端与直流母线连接，其输出端与交流断路器K3相连后，经交流母线与电网连接；

蓄电池和超级电容模组以及双向DC-DC变换器，所述蓄电池和超级电容模组采用串并组合，连接所述双向DC-DC变换器的输入端，所述双向DC-DC变换器的输出端经直流断路器K2连接到直流母线；

还包括控制单元，所述控制单元采用上述组件反馈的信号，并同时将控制指令输送至上述组件。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述光伏组件产生电能的控制开路电压Uoc为334V、短路电流Isc为40.6A、以及最大功率点所对应的电压Ump为262V、所对应的电流Imp为38.15A。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述m为奇数，n为偶数。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述Boost变换器、光伏并网逆变器以及双向DC-DC变换器均设置于功率单元中。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述控制单元包括DSP控制系统，检测电路以及驱动电路；所述检测电路将实际的电压、电流值转换为DSP控制系统可以采样的电压范围；所述驱动电路采用隔离DC-DC模块和HCPL-3120光隔驱动芯片构成，用于控制所述功率单元中的MOSFET和IGBT的通断。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括辅助电源，所述辅助电源采用+15V、-15V的开关电源，对所述控制单元进行供电。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述直流断路器K1和K2选取正泰CZ0接触器，所述交流断路器K3选取正泰CJX1接触器。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述DSP控制系统由AD单元、PWM单元、控制单元和保护单元组成；所述PWM单元产生占空比可变的PWM，AD单元用于数字和模拟信号采样，保护单元包括交直流过压或者过流以及过温保护，控制单元用于执行相关控制指令。

通过以上技术方案，本实用新型的技术效果在于：

该实用新型可以将光伏所发的电能全部有效的利用。从功能的角度，实现一体多用，兼具并网逆变和有源滤波于一身，解决传统光伏并网逆变器只限白天发电、晚上停机休息的局限性问题。同时具有填平用电低谷、抑制电网功率波动、延长光伏发电有效时长和改善电能质量等优势。

附图说明

附图1 是本发明的装置原理图。

附图2 是本发明的光伏阵列分布图。

附图3 是本发明的前级Boot变换器及其控制原理图。

附图4是本发明的光伏并网逆变器及其控制原理图。

附图5是本发明的双向DC-DC变换器及其控制原理图。

附图6是本发明的电压电流检测电路连接图。

附图7 是本发明的驱动电路原理图。

附图8是本发明的控制模式选择图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1

参照图1所示，一种具有APF功能的光储一体化并网发电装置，由功率单元和控制单元两部分组成；

包括用于产生电能的光伏组件，所述光伏组件由m串n并构成的太阳能电池板组成；

Boost变换器，所述Boost变换器的输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端经直流断路器K1连接到直流母线；

光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器的输入端与直流母线连接，其输出端与交流断路器K3相连后，经交流母线与电网连接；

蓄电池和超级电容模组以及双向DC-DC变换器，所述蓄电池和超级电容模组采用串并组合，连接所述双向DC-DC变换器的输入端，所述双向DC-DC变换器的输出端经直流断路器K2连接到直流母线；

上述Boost变换器、光伏并网逆变器以及双向DC-DC变换器均设置于功率单元中。

还包括控制单元，所述控制单元采用上述组件反馈的信号，并同时将控制指令输送至上述组件。

所述的控制系统单元由DSP28335控制系统，检测电路和驱动电路组成，DSP控制系统作为整个控制系统的核心，对系统进行AD采样，输出控制的PWM信号，以及在不同工作环境下的控制指令的切换；检测电路将功率电路中的电压、电流信号转换成DSP控制系统可以直接采样的信号；驱动电路将DSP输出的PWM信号进行隔离放大，控制主辅逆变桥。

所述的DSP控制系统由PWM单元、AD单元、控制算法单元和保护单元组成。其中PWM单元产生占空比可变的PWM，AD单元用于数字和模拟信号采样，保护单元包括交直流过压或者过流以及过温保护，控制单元用于执行相关控制指令。

实施例2

光伏组件如附图2所示，是由5串10并的太阳能电池板（Suntech Power STP200-18-UB-1）组成的光伏阵列，在标准条件下（T=25℃，s=1000w/m²），该光伏阵列的4个电气参数分别为：开路电压Uoc为334V、短路电流Isc为40.6A、以及最大功率点所对应的电压Ump为262V、所对应的电流Imp为38.15A。

Boost变换器拓扑结构如附图3所示，其输入端接光伏组件的输出端，同时Boost变换器的输出端经直流断路器K1连接到直流母线。

其中：光伏组件侧的电解电容C1选取100uF/500V，电感L1选取5mH，开关管IGBT选取FGL60N100BNTD，直流母线侧的电解电容C2选取24mF/1000V。

通过扰动法实现MPPT控制，所述的扰动观测法，首先检测光伏阵列的输出电压和电流，计算出光伏阵列的输出功率，再通过扰动光伏阵列的输出电压，观测光伏阵列输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏阵列最终工作于最大功率点。

直流断路器K1和K2选取正泰CZ0接触器，所述的交流断路器K3选取正泰CJX1接触器。

如图4所示，双向DC-DC变换器及其控制原理图，根据采用非隔离的电流可逆斩波电路，当需要向直流母线放电时，工作在Boost状态；当有多余电能时，工作在Buck状态。其中低压侧电容C3选取1000uF/450V，电感L2选取2.35mH。选取功率外环、电流内环的双闭环控制策略，可以抑制电网功率波动；选取直流电压外环、电流内环的控制策略，可以给直流母线提供一个稳定的电压源。

所述的具有APF功能的光伏并网逆变器拓扑结构如附图5所示，具有APF功能的光伏并网逆变器的输入端与直流母线连接，其输出端与交流断路器K3相连后，经交流母线与电网连接。其中三相逆变桥IPM采用PM50CLA120，交流滤波电感Ls选取3mH，控制策略采用直流母线电压外环、电感电流内环的常规双闭环控制策略。

所述的双向DC-DC变换器拓扑结构如附图6所示，采用非隔离、电流可逆斩波电路，可工作在Buck或者Boost状态。其中低压侧电解电容C3选取1000uF/450V，电感L2选取2.35mH。选取功率外环、电流内环的双闭环控制策略，可以抑制电网功率波动；选取直流电压外环、电流内环的控制策略，可以给直流母线提供一个稳定的电压源。

所述的蓄电池和超级电容模组采用串并组合，电压达到300V，作为双向DC-DC变换器的输入端，同时双向DC-DC变换器的输出端经直流断路器K2连接到直流母线。

所述的检测电路采用直流电压霍尔传感器（VSM025A）、直流电流霍尔传感器（HDC-10SY）、交流电压互感器（DL-PT202H1）、交流电流霍尔传感器（HX-10-P）以及运算放大器信号调理电路组成，如附图6所示，直流电压霍尔传感器和交流电压互感器并联在线路上，直流电流霍尔传感器和交流电流霍尔传感器串联在线路上，而将实际的电压、电流值转换为DSP控制芯片可以采样的电压范围。霍尔传感器利用磁生电的原理，将大信号转换成小幅值，而交流互感器利用类似变压器的原理，将电压降到DSP可以采样的范围内

所述的驱动电路模块采用隔离DC-DC模块（WRB1215CS）和HCPL-3120光隔驱动芯片构成，用于控制MOSFET和IGBT的正常通断。如附图7所示，其中隔离DC-DC模块将一个公用+15V电源隔离成多个不共地的小电源，分别给对应的HCPL-3120供电。

所述的辅助电源采用+15V、-15V的开关电源，负责给整个控制单元供电。

所述的控制模式如附图8所示，利用GZD系统光照度传感器测量实时光照强度，通过光照强度判断进入那种状态，具体判断过程为：当光照强度大于阈值H，判断为白天阳光充足；当光照强度大于阈值L且小于阈值H时，判断为白天阳光较弱；当光照强度小于阈值L,判断为白天阳光微弱和晚上。

根据光照强度检测值和电网调度指令选择工作模式，具体如下：

在白天阳光充足的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为直流母线提供前级电压源，具有APF功能的光伏并网逆变器工作在光伏逆变器并网状态，向电网输入功率。此时根据电网的运行状态，选择双向DC-DC变换器的工作状态。当处于用电高峰，在双向DC-DC变换器的作用下，储能装置工作在Boost恒压状态，与光伏组件一起向电网提供功率，达到削峰填谷的作用；当处于用电低谷的时候，双向DC-DC变换器工作在Buck状态，对蓄电池和超级电容模组进行充电储能；当处于非用电低谷的时候，双向DC-DC变换器工作在Boost状态，利用储能抑制电网功率波动。

在白天阳光较弱的情况下，光伏组件通过前级Boost变换器实现最大功率跟踪输出，同时双向DC/DC变换器工作在Boost恒压模式，蓄电池和超级电容模组的能量经过双向DC/DC变换器来维持直流母线电压恒定，具有APF功能的光伏并网逆变器工作在光伏逆变器并网状态，光伏组件和储能装置共同向电网提供功率，延长光伏逆变并网的有效工作时长。

在白天阳光微弱和晚上的情况下，光伏组件停止工作，储能装置利用积累的能量，使双向DC-DC变换器工作在Boost恒压状态，具有APF功能的光伏并网逆变器工作在有源滤波状态，补偿电网中的谐波，改善电能质量。

总之，该实用新型专利，从发电的角度，可以将光伏所发的电能全部有效的利用。从功能的角度，实现一体多用，兼具并网逆变和有源滤波于一身，解决传统光伏并网逆变器只限白天发电、晚上停机休息的局限性问题。同时具有填平用电低谷、抑制电网功率波动、延长光伏发电有效时长和改善电能质量等优势。