大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的對比研究

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

0 引言

太陽能資源具有較為突出的間隙性大、隨機性強、出力波動幅度大、波動頻率無規(guī)律的特點，再加上光伏發(fā)電系統(tǒng)滲透率增大到一定程度后就會失去低電壓穿越能力，若不加考慮地采用任意拓撲結(jié)構(gòu)，就會對整個電網(wǎng)運行穩(wěn)定性造成較大威脅。因此通過大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的對比，獲得穩(wěn)定性更高的大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)就變得非常必要。

1 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是指與公共電網(wǎng)直接連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則是指功率等級在數(shù)百千瓦以上、電壓等級在3 kV或10 kV以上的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)［1］。其主要包括變壓器、DC／AC逆變器、太陽能電池陣列、DC／DC變換器、交流負載等部分，將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換為與公共電網(wǎng)電壓同幅值，同頻率，同相位的交流電，從而實現(xiàn)電能輸送。

2 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用基礎(chǔ)

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)為發(fā)電單元，即光伏能量轉(zhuǎn)換模塊，包括逆變器、斬波電路、光伏組件等。在大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，常用的發(fā)電單元結(jié)構(gòu)主要有單級逆變、斬波逆變結(jié)構(gòu)、單級斬波結(jié)構(gòu)。

2.1 單級逆變發(fā)電單元

單級逆變發(fā)電單元包括DC／AC電路、單相逆變器或三相逆變器、DC／DC變換器3個部分。相較于斬波逆變結(jié)構(gòu)的發(fā)電單元而言，單級逆變發(fā)電單元沒有一級拓撲，DC／AC逆變電路可以直接經(jīng)電壓閉環(huán)，對直流側(cè)電容電壓進行管控，達到逆變并網(wǎng)、最大功率跟蹤的目的；DC／DC變換電路則可以通過脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)，實現(xiàn)更高的運行效率及更小的損耗［2］。

2.2 斬波逆變結(jié)構(gòu)發(fā)電單元

斬波逆變結(jié)構(gòu)發(fā)電單元主要包括DC／DC變換器、三相或單相逆變器、DC／AC逆變器3個部分。其中DC／DC變換器具有最大功率跟蹤、電壓匹配、恒定電壓輸出等功能；三相或單相逆變器可以在多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)、直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)或串聯(lián)多重化、串聯(lián)多電平的光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮良好效力；DC／AC逆變器則可以通過SPWM控制技術(shù)，在三相結(jié)構(gòu)或者單相H橋結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)更高品質(zhì)的逆變并網(wǎng)。

2.3 單級斬波結(jié)構(gòu)發(fā)電單元

光伏組件、DC／DC變換電路是單級斬波結(jié)構(gòu)發(fā)電單元的主要組成部分。其中DC／DC變換電路多用于Modular Multilevel Converter結(jié)構(gòu)，其可以在串聯(lián)多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)運行過程中，以多個發(fā)電單元輸出端串聯(lián)的方式，為逆變器提供直流電源，能實現(xiàn)不受后級電路干擾的單一發(fā)電模塊最大功率跟蹤，無拓撲電流遺漏風(fēng)險。

3 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的對比

3.1 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)中，各發(fā)電單元通過串聯(lián)的方式連接，可以在一定程度上提升大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲功率等級、電壓等級及穩(wěn)定性，并實現(xiàn)多級冗余，但是存在無法不停電故障維修的風(fēng)險［3］。比較常用的大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)主要有Modular Multilevel Converter結(jié)構(gòu)、串聯(lián)多重化、串聯(lián)多電平等。

Modular Multilevel Converter主要是由多個子模塊級聯(lián)構(gòu)成的模塊化多電平換流器輸電拓撲結(jié)構(gòu)。其子模塊為2H橋電路，開關(guān)管為互補模式的二電平變換器。通過若干個2H橋電路串聯(lián)及載波移相（CPS-PWM）等輔助調(diào)制策略的恰當(dāng)應(yīng)用，可以獲得更多的電平。這種拓撲結(jié)構(gòu)較為簡單，2H橋電路間功率不平衡概率、輸出交流電壓各次諧波含有率、輸出交流電壓中總諧波畸變率、開關(guān)器件承受應(yīng)力均較低，逆變、2H橋電路連接容量拓展、冗余設(shè)計及直流母線故障清除較為容易，可以獲得更低的電壓及電流變化率，保證電磁兼容指標的實現(xiàn)。但是由于Modular Multilevel Converter結(jié)構(gòu)應(yīng)用時間較短，還存在2H橋電路間電壓平衡控制風(fēng)險及二電平變換器內(nèi)部相間環(huán)流難題，導(dǎo)致其在現(xiàn)階段無法廣泛應(yīng)用。

串聯(lián)多重化將N個2H橋逆變器 （輸出電壓為方波）輸出電壓相位逐一移開π／N，然后經(jīng)變壓器二次側(cè)進行逐一串聯(lián)疊加，輸出電壓波形變?yōu)槎嚯娖诫A梯波。這一拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)較簡單，控制較便捷，具有較好的輸出電壓波形改善能力，可以將諧波消除，并達到一定的電氣隔離效果，同時還能提高輸出電壓及功率。但是這一拓撲結(jié)構(gòu)在部分低次諧波消除方面不占優(yōu)勢，且成本較高。

現(xiàn)階段串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)主要是利用由多個電平臺階組成的多電平變換器，獨立控制每一個光伏模塊使其輸出達到最大功率，最終實現(xiàn)大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出。通過多電平逆變器中多個電平臺階組合，能以階梯波的形式逐步逼近正弦輸出電壓，電平數(shù)與正弦輸出電壓逼近程度成正比。串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)主電路差異可以劃分為級聯(lián)型、二極管箝位型及飛跨電容型。級聯(lián)型多電平逆變器采用模塊化結(jié)構(gòu)，不需二極管箝位及電容箝位操作，可以利用太陽能電池陣列中現(xiàn)場獨立直流電源獲得最大功率輸出，整體控制策略具有靈活、簡單的特點。二極管箝位型串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)具有開關(guān)損耗小、控制簡單、效率高等優(yōu)點，但是在大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中其需要更多的電平數(shù)，直流分壓電容會超出標準值，使控制難度及運行穩(wěn)定性、經(jīng)濟性逐步下降。飛跨電容型串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)不僅需要控制箝位電容，而且需要均衡光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行電容、電壓，復(fù)雜程度較高，且運行經(jīng)濟性較低，實用價值不高。

綜上所述，以級聯(lián)型多電平逆變器為主體的串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用價值較高，其不僅可以實現(xiàn)相同開關(guān)頻率下更大功率的輸出，而且可以使單個器件承受的電壓應(yīng)力、輸出諧波及開關(guān)頻率更小。但是由于逆變器調(diào)制具有一定限制，且光伏組件最大功率值控制復(fù)雜程度較高，對技術(shù)水平具有較高的要求。

3.2 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)

在確定大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲基本單元的前提下，以提高系統(tǒng)電流等級及光伏發(fā)電功率為目標，依據(jù)即插即用、多級冗余的原則，進行大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計［4］。

在大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電單元并聯(lián)方案設(shè)計時，首先對發(fā)電單元輸出進行濾波，并在低壓（380 V）下并聯(lián)。然后利用大容量升壓變壓器，對電壓等級進行適當(dāng)提升，例如提升至10 kV、110 kV等，以最終實現(xiàn)高壓并網(wǎng)發(fā)電。大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電單元并聯(lián)方式具有簡單可靠、技術(shù)水平要求高、效率低、成本高、結(jié)構(gòu)冗余復(fù)雜的特點。

二電平逆變器需要承受較大的電壓、電流及開關(guān)損耗，為了降低高電壓等級器件開關(guān)損耗，可以諧波分量（與載波頻率相關(guān)）為控制要點，在發(fā)電單元中進行逆變器的并聯(lián)多重化連接。同時為保證變壓器運行靈活度不受影響，可以選擇電抗器連接的方式，通過載波相位移動，使各逆變器三角載波相位逐次相差2π／N。這一方案需要對逆變器進行并聯(lián)均流控制、直流側(cè)電壓控制，對升壓變壓器容量具有較高的要求，導(dǎo)致其整體運行成本較高，且只有在直流側(cè)電壓均衡時才滿足并聯(lián)條件［5］。由于光伏模塊具有較大的分散性且環(huán)流問題不夠突出，溫度、日照、灰塵、云霧、傾斜角度等外部因素均會導(dǎo)致各光伏模塊遮蔽情況存在差異，最終致使大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中各光伏模塊達到最大功率點時刻及逆變器工作狀況具有較大差異，增加了整個大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電壓、容量提升及控制的難度。除此之外，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)僅可通過調(diào)整三相逆變器輸出功率實現(xiàn)更高電壓及更大功率。而三相逆變器輸出功率調(diào)整主要通過諧波濾除裝置進行，隨著諧波濾除裝置容量的增加，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)效率會隨之下降，進一步增加了運行成本。

3.3 大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)是在可再生能源系統(tǒng)數(shù)量增多、容量擴大的背景下出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)，其不僅充分利用了大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)和大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，而且可以達到規(guī)?；M網(wǎng)應(yīng)用的目的?，F(xiàn)階段大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)利用Modular Multilevel Converter結(jié)構(gòu)、串聯(lián)多重化、串聯(lián)多電平等方式連接后作為發(fā)電單元，并對發(fā)電單元輸出進行濾波，在低壓（380 V）下并聯(lián)。最后，利用大容量升壓變壓器對電壓等級進行適當(dāng)提升，以實現(xiàn)高壓并網(wǎng)發(fā)電。

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)僅為理想結(jié)構(gòu)，還沒有實際投運經(jīng)驗。再加上光伏發(fā)電缺乏穩(wěn)定性、分散性高等缺陷，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)僅可應(yīng)用于光照較充足的沙漠化地區(qū)［6］。但是由于上述地區(qū)不是負荷中心，其所發(fā)送的電能距離負荷中心較遠，需要利用分頻輸電技術(shù)或者柔性直流輸電技術(shù)輸送，導(dǎo)致大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)運行成本大大提升，且存在較大的電能損耗。而且柔性直流輸電技術(shù)、分頻輸電技術(shù)成熟度不足，在運行期間可能對整個電力系統(tǒng)造成潛在威脅，現(xiàn)階段實用價值不高，但是在未來具有較大的發(fā)展空間。

4 結(jié)語

新型光伏材料的出現(xiàn)使太陽能電池產(chǎn)品價格不斷下降，為大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行提供了良好背景。本文根據(jù)由逆變器、光伏組件、斬波電路等組成的發(fā)電單元運行需求，對大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)、并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢及劣勢進行逐一分析，以便為大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供最佳拓撲結(jié)構(gòu)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可持續(xù)運行。