星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式光伏電站系統(tǒng)研究（上）

■ 王哲楊子龍林燕梅王勝利劉莉敏定世攀

（1.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司；2.中國科學(xué)院電工研究所）

星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式光伏電站系統(tǒng)研究（上）

■ 王哲1*楊子龍2林燕梅1王勝利1劉莉敏1定世攀1

（1.北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司；2.中國科學(xué)院電工研究所）

介紹一種全新的光伏電站結(jié)構(gòu)——星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站，目的是提高光伏電站的輸出電壓，降低電站建設(shè)成本，平抑電網(wǎng)波動(dòng)，保障電網(wǎng)供電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性大規(guī)模、高比例、遠(yuǎn)距離輸電。重點(diǎn)研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制原理和策略，并給出不同光伏電站應(yīng)用的性能對(duì)比。在該光伏電站中通過DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置將輸入光伏組串隔離，多裝置輸出串聯(lián)，組成單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元，通過星型或角型和儲(chǔ)能設(shè)備連接，在星、角型并網(wǎng)平衡控制器協(xié)調(diào)管理下，可最大限度獲取低輻照度光伏方陣發(fā)電量，保證星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站輸出相對(duì)平衡、穩(wěn)定，同時(shí)提高了系統(tǒng)的故障冗余度。依據(jù)電網(wǎng)及負(fù)載的需求合理選擇儲(chǔ)能電池容量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)短時(shí)支撐及電量削峰填谷的作用。

串聯(lián)式光伏發(fā)電單元；平衡控制器；公共儲(chǔ)能；三相互補(bǔ)；平衡功率；優(yōu)化

0　引言

國家快速推進(jìn)新能源建設(shè)，同步在政策上推出利好措施，在設(shè)施上加大高壓電網(wǎng)的輸送能力建設(shè)。然而大型光伏電站的建設(shè)目前還停留在集中式和組串式兩種方式上。集中式是將大量光伏組串并聯(lián)組成并聯(lián)方陣，再經(jīng)逆變器逆變交流輸出，增大輸出電流，提高并聯(lián)方陣功率輸出。組串式是將多組組串直接輸入組串型逆變器中，首先實(shí)現(xiàn)每個(gè)光伏組串的獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），之后再并聯(lián)由逆變交流輸出。這兩種方式的實(shí)質(zhì)是組串間的并聯(lián)，電壓低（≤1000 V）、電流大、電纜設(shè)備損耗大、匯流設(shè)備多、電纜數(shù)量多，且逆變器為電流型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率損耗大，尤其在弱光條件下功率損失更為嚴(yán)重。集中式應(yīng)用中，由于光伏組串性能參數(shù)不一致及無法實(shí)現(xiàn)光伏組串自身自動(dòng)MPPT，造成發(fā)電功率損失；而組串式逆變器由于并網(wǎng)數(shù)量多，極易引起系統(tǒng)振蕩造成脫網(wǎng)，特別是并網(wǎng)點(diǎn)處于大電網(wǎng)的末端、弱電網(wǎng)和遠(yuǎn)離負(fù)載時(shí)，現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

為了滿足MPPT及提高輸出電壓等級(jí)，提高光伏組串更低電壓輸出能量的利用、減少電纜及匯流設(shè)備數(shù)量、減小DC/AC轉(zhuǎn)換設(shè)備體積，同時(shí)滿足能量管理、SVG功能及能源互聯(lián)網(wǎng)需求，提出一種星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用三組單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元，通過星、角連接及儲(chǔ)能結(jié)合，提高星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站的輸出電壓，減少輸出電流，降低輸電纜損耗，實(shí)現(xiàn)逆變器化整為零、無變壓器輸出、距離長線傳輸，減少電纜、匯流設(shè)備、逆變器控制室及相關(guān)設(shè)備的投入，降低成本。通過一種DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置解決光伏組串與系統(tǒng)隔離、MPPT，保障最大發(fā)電量的輸出，減少匯流設(shè)備和直流電纜，大幅降低因直流拉電弧的幾率，提高系統(tǒng)安全性。

通過儲(chǔ)能最大限度地獲得光伏發(fā)電，保障系統(tǒng)三相平衡輸出，對(duì)電網(wǎng)有功、無功支撐閃變及波動(dòng)的抑制作用，使光伏發(fā)電高比例接入電網(wǎng)成為可能。同時(shí)滿足未來區(qū)域性、高壓大型光伏電站遠(yuǎn)距離發(fā)電發(fā)展的需求。

1　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1星、角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站系統(tǒng)拓?fù)?/p>

星、角型三相交流串聯(lián)式光伏方陣由3個(gè)單相交流串聯(lián)式光伏方陣、公共儲(chǔ)能電池組和星、角型并網(wǎng)平衡控制器組成，見圖1和圖2。其中，3個(gè)單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元通過星型和角型連接，組成星型和角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站；星型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站的公共連接點(diǎn)與公共儲(chǔ)能電池組連接；角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站的3個(gè)連接點(diǎn)處分別對(duì)應(yīng)與3組儲(chǔ)能電池組連接。

圖1　星型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站系統(tǒng)框圖

1.2單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元拓?fù)?/p>

所述的單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元由m臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)組成，m為≥1的整數(shù)，詳見圖3。

所述的單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元中，第1臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出尾端與第2臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出首端連接，第2臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出尾端與第3臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出首端連接，依此類推，第m-1臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出尾端與第m臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出首端連接，組成單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元。

圖2　角型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站系統(tǒng)框圖

圖3　單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元框圖

第1臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出的首端為單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元的首輸出端，第m臺(tái)高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出尾端為單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元的尾輸出端。每臺(tái)串聯(lián)式光伏發(fā)電單元高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸入端連接光伏組串的輸出端［1］。

1.3高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置拓?fù)?/p>

組成單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元的高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置由n個(gè)最大功率跟蹤模塊、DC/AC轉(zhuǎn)換模塊、控制器模塊、電源模塊和交流隔離輸出模塊組成，n為≥1的整數(shù)。

以下將高壓隔離DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置簡(jiǎn)稱為“DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置”，詳見圖4。

圖4　星型DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置示意圖

所述光伏組串的輸出端與DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置中最大功率跟蹤模塊的輸入端連接，經(jīng)該最大功率跟蹤模塊對(duì)光伏組串MPPT輸出功率；n個(gè)最大功率跟蹤模塊的輸出端并聯(lián)，并聯(lián)后再分別與DC/AC轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊輸入端并聯(lián)；n個(gè)最大功率跟蹤模塊提供DC/AC轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊電源；其中電源模塊的輸出與控制器模塊的電源輸入端連接，提供控制器模塊的工作電源；控制器模塊的采樣輸入端和控制輸出端分別與n個(gè)最大功率跟蹤模塊及DC/AC轉(zhuǎn)換模塊連接；DC/AC轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與交流隔離輸出模塊輸入連接，交流隔離輸出模塊的輸出與相鄰的DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出串聯(lián)；DC/AC轉(zhuǎn)換模塊與儲(chǔ)能電池組連接。

以星型三相互補(bǔ)串聯(lián)式高壓光伏電站為例。該電站由A相、B相、C相3個(gè)單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元、公共儲(chǔ)能電池組EABC，以及星、角型并網(wǎng)平衡控制器組成。A相、B相、C相3個(gè)單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元星型連接，組成星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元，并在A相、B相、C相3個(gè)單相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元的公共連接點(diǎn)與公共儲(chǔ)能電池組EABC連接；星型三相互補(bǔ)平衡串聯(lián)式高壓光伏電站輸出端與星、角型并網(wǎng)平衡控制器輸入端連接，星、角型并網(wǎng)平衡控制器輸出端與并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)三相電源連接，在星、角型并網(wǎng)平衡控制器控制下，協(xié)調(diào)三相交串聯(lián)式光伏發(fā)電單元平衡輸出。

2　控制原理

2.1三相平衡原則

由于光伏組串最高承受電壓＜1000 V，若將光伏組串之間串聯(lián)，勢(shì)必造成光伏組件電壓擊穿損壞。為此，在每個(gè)光伏組串之間增加一個(gè)高壓隔離環(huán)節(jié)，提高光伏組串的隔離電壓能力。在每個(gè)光伏組串通過DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行高壓電氣隔離后輸出，使每個(gè)功率DC/AC轉(zhuǎn)換裝置的耐電壓＞交流系統(tǒng)電壓Uacsmax，由此實(shí)現(xiàn)m個(gè)功率DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置的串聯(lián)。

由于DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置的隔離電壓提高，m個(gè)DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)的輸出電壓分別為星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元輸出的相電壓Uas、Ubs、Ucs。

式中，Ua1、Ua2、Uam分別為A相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元中的DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置1、裝置2、裝置m的輸出電壓。同理，Ub1、Ub2、 Ubm，Uc1、Uc2、Ucm分別為B相、C相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元中對(duì)應(yīng)的DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓。

由于每個(gè)DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置中的光伏組件參數(shù)有偏差，或某一時(shí)刻輻照量不同，或組成的光組串?dāng)?shù)量不同，使每個(gè)DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置的輸出電壓Uam、Ubm、Ucm有可能不同。為保證星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元輸出平衡，即Uas=Ubs=Ucs=Uacs（Uacs為并網(wǎng)點(diǎn)交流電壓）及Pa=Pb=Pc，則Ias=Ibs=Ics。星、角型并網(wǎng)平衡控制器對(duì)星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元中每個(gè)DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使：

式中，Ias、Ibs、Ics分別為星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元輸出電流；Pa、Pb、Pc分別為星型三相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元每相輸出功率。

2.2DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置工作狀態(tài)

2.2.1低輻照度

在無輻照度或輻照度很低時(shí)，DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置沒有電源供給，此時(shí)由于保護(hù)繼電器開關(guān)接點(diǎn)閉合，變壓器輸入內(nèi)阻r=0 Ω；依據(jù)變壓器原理輸出阻抗R=B2r，其中B為變壓器變比，r為交流隔離輸出模塊的功率輸入內(nèi)阻，由此輸出阻抗R=0 Ω，沒有功率輸出。

2.2.2有輻照度

在輻照度逐漸增加時(shí)，每相交流串聯(lián)式光伏發(fā)電單元中DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸入功率同步增加，DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置中的輸入電壓滿足電源模塊中DC/DC啟動(dòng)電壓時(shí)，DC/DC輸出直流電壓使控制器工作?？刂破髂K初始化，分別使保護(hù)繼電器工作，DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置輸出阻抗R=B2r Ω；使第m個(gè)DC/AC功率轉(zhuǎn)換裝置中的控制器模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)能

電池組數(shù)據(jù)，分析電壓值是否小于匯流母排傳感器電壓值。當(dāng)公共儲(chǔ)能電池組電壓小于匯流母排電壓傳感器時(shí)，控制器模塊控制儲(chǔ)能控制電路對(duì)公共儲(chǔ)能電池組充電，同時(shí)控制器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DC/AC轉(zhuǎn)換模塊充放電電流檢測(cè)電流傳感器電流值；當(dāng)該電流為零時(shí)控制器模塊控制儲(chǔ)能控制電路對(duì)儲(chǔ)能電池組停止充電。同時(shí)，控制器模塊分別通過同步電路和雙向通訊電路與星、角型并網(wǎng)平衡控制器建立同步及通訊聯(lián)系，功率調(diào)節(jié)模塊進(jìn)入默認(rèn)工作狀態(tài)。

［1］王哲， 劉麗敏， 王勝利， 等. 串聯(lián)式中高壓串聯(lián)式光伏方陣及系統(tǒng)探索［J］. 電氣技術(shù)， 2015， （2）: 1673-3800.

（待續(xù)）

2016-01-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃（2011AA05A303）

王哲（1957—），男，高級(jí)工程師，主要從事光伏系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)方面的研究。wangzhe@bjcorona.com