星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光伏電站在國家的政策激勵下飛速發(fā)展，而光伏方陣是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要 組成之一，由光伏組串串并聯(lián)組成的方陣容量大小直接影響系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏組串是 由若干塊光伏組件串聯(lián)組成，而組件是組串的最小單元，串聯(lián)數(shù)量最多22塊，光伏組件串 聯(lián)的數(shù)量主要取決于組件承受的耐壓。國內(nèi)外組件串聯(lián)后的組串電壓< 1000V功率最大 < 7kWp。為提高發(fā)電功量，目前國內(nèi)外采兩種方式：一是用大量光伏組串并聯(lián)組成并聯(lián)方 陣增大輸出電流，提高并聯(lián)方陣功率輸出，在經(jīng)逆變器逆變交流輸出，此方法也被稱為集中 式或并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。二是如圖6所示的組串型光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用一種組串型逆 變器，將多組組串直接輸入組串型逆變器中，首先實現(xiàn)每個光伏組串的獨立MPPT最大功率 點跟蹤，之后在并聯(lián)逆變交流輸出，此類型功率、體積較小，安裝方便。為進(jìn)一步增加功率再 由多臺組串型逆變器通過交流匯流柜并聯(lián)。兩種類型其實質(zhì)都是組串之間的并聯(lián)，電壓低 < 1000V、電流大、電纜設(shè)備損耗大、匯流設(shè)備多、電纜數(shù)量多而且逆變器為電流型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 功率損耗大。集中式或并聯(lián)式則要求組串性能參數(shù)相近，又無法實現(xiàn)組串獨立最大功率點 (MPPT)自動跟蹤使功率損失，而且需要相對規(guī)模的逆變器室安裝及配套相關(guān)設(shè)施，使建設(shè) 成本及管理成本提高。對分布式屋頂電站面積所限，為滿足各組串電壓相等安裝組串時必 須考慮取舍，造成有限的面積浪費。組串式逆變器由于并網(wǎng)數(shù)量多，以KMW電站為例采用 28kW組串式逆變器，則有357臺逆變器并聯(lián)，極易引起系統(tǒng)震蕩，特別并網(wǎng)點處于大電網(wǎng)的 尾端弱電網(wǎng)和遠(yuǎn)離負(fù)載時，由于震蕩造成脫網(wǎng)。大面積的脫網(wǎng)給業(yè)主造成近千萬的損失。
[0003] 再有，受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)所限，使每串光伏組串并聯(lián)輸出電壓依據(jù)并網(wǎng)電壓 等級而提高，才能滿足逆變器的輸入啟動電壓基本條件，如在380v交流電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏 組串輸出直流電壓>400vxVi才能滿足啟動逆變器基本工作條件，啟動電壓高所獲得電量 有限。
[0004] 同樣受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入直流電壓< ΙΟΟΟν所限，只能滿足逆變器交流輸 出電壓< 400v等級系統(tǒng)無變壓器并網(wǎng)，更高電壓等級并網(wǎng)則須經(jīng)變壓器升壓輸出。
[0005] 由此將多組組串在串聯(lián)提高輸出電壓降低傳輸電流增加功率，滿足更高等級無變 壓器并網(wǎng)、使光伏組串更低電壓輸出能量被利用、減少電纜及匯流設(shè)備數(shù)量、減小儲能DC/ AC轉(zhuǎn)換設(shè)備體積采用自然冷卻，就近安裝，實現(xiàn)減少線路、將傳統(tǒng)集中型逆變器化整為零、 降低電纜、匯流設(shè)備、變壓器及逆變器控制室成本，提高光伏組串發(fā)電效率，適應(yīng)分布式、大 型光伏電站及未來中、高電壓直流輸電的需求。
[0006]目前光伏系統(tǒng)升壓輸出基本有四種方式，一為光伏組串并聯(lián)（并聯(lián)方陣）經(jīng)匯流、 逆變器交流變壓器升壓輸出，多為集中式；二為光伏組串并聯(lián)經(jīng)逆變器交流匯流再經(jīng)變壓 器升壓輸出，多為組串式；三為伏組串并聯(lián)（并聯(lián)方陣）經(jīng)匯流經(jīng)DC/DC有限的升壓輸出。 其實質(zhì)還是利用大量組串之間并聯(lián)（并聯(lián)式方陣）提高光伏方陣輸出功率，其缺點除線路、 設(shè)備損耗大之外，在相對高壓交流輸出時還需要升壓變壓器升壓輸出；四為串聯(lián)式直流光 伏方陣，利用光伏組串隔離裝置將光伏組串與光伏組串進(jìn)行高壓隔離，并由光伏組串隔離 裝置輸出直流功率，再將若干臺光伏組串隔離裝置正負(fù)輸出端依次串聯(lián)組成串聯(lián)式直流光 伏方陣，串聯(lián)式直流光伏方陣輸出高壓直流提供高壓逆變器輸入直流電壓，在由高壓逆變 器轉(zhuǎn)換交流并網(wǎng)輸出。由于串聯(lián)式直流光伏方陣采用直流輸出，則存在著如下不足：
[0007] 1.整流器輸出損耗：每個光伏組串隔離裝置AC/DC轉(zhuǎn)換輸出時，采用高壓整流電 路，由于整流二級管的正向?qū)妷航?，造成輸出功率在高壓整流二級管上增加了損耗。 如整流二級管正向?qū)▔航禐镮V，流過電流為50A，則一支高壓整流二級管上損耗為50W， 如采用全橋整流則損耗為100W。如光伏直流方陣容量為1MW，直流電壓等級為±10kV，輸 出電流為50A，如需要光伏組串隔離裝置50臺，則串聯(lián)式直流光伏方陣總的整流器損耗= 100W*50 臺=5000W 占輸出功率的 5KW/1000KW = 0· 5% ;
[0008] 2.由于串聯(lián)式直流光伏方陣采用直流輸出，如交流輸出并網(wǎng)則需要直流高壓輸入 逆變器轉(zhuǎn)換交流輸出并網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有并聯(lián)串光伏組串的并網(wǎng)逆變器占地面積大、逆變器輸出電 壓低電流大，造成傳輸線路、配套設(shè)備損耗嚴(yán)重、成本高等缺點。提出一種星型三相交流串 聯(lián)式光伏方陣。
[0010] 本發(fā)明星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣由三個單相交流串聯(lián)式光伏方陣、公共儲能 電池組和星角型并網(wǎng)平衡控制器組成。三個單相交流串聯(lián)式光伏方陣星型連接，組成星型 三相交流串聯(lián)式光伏方陣；三個單相交流串聯(lián)式光伏方陣的公共連接點與公共儲能電池組 連接；星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的輸出端與星角型并網(wǎng)平衡控制器的輸入端連接，星 角型并網(wǎng)平衡控制器的輸出端與并網(wǎng)點電網(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)式光伏方陣平衡輸出。
[0011] 所述的單相交流串聯(lián)式光伏方陣由m臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié) 裝置串聯(lián)組成，m為多1的整數(shù)。
[0012] 所述的單相交流串聯(lián)式光伏方陣中，第1臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào) 節(jié)裝置的輸出尾端與第2臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的輸出首端連接， 第2臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置輸出尾端與第3臺串聯(lián)式光伏方陣高壓 隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置輸出首端連接，依此類推，第m-Ι臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流 功率調(diào)節(jié)裝置輸出尾端與第m臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置輸出首端連 接，組成單相交流串聯(lián)式光伏方陣。第1臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置輸 出的首端為單相交流串聯(lián)式光伏方陣的首輸出端，第m臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功 率調(diào)節(jié)裝置輸出尾端為單相交流串聯(lián)式光伏方陣的尾輸出端，同時也與一組公共儲能電池 組連接。每臺串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的輸入端連接光伏組串的輸出 端。
[0013] 星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣中，A相串聯(lián)光伏方陣、B相串聯(lián)光伏方陣和C相串 聯(lián)光伏方陣的尾端連接，A相串聯(lián)光伏方陣、B相串聯(lián)光伏方陣和C相串聯(lián)光伏方陣的尾端 均與公共儲能電池組連接，該連接點為Uo, Uo也是星形三相平衡交流串聯(lián)式光伏方陣的公 共輸出端。單相交流串聯(lián)式光伏方陣中的首端分別為星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的首端 Ua、Ub和Uc，并與星角型并網(wǎng)平衡控制器輸入端連接，該星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的 首端Ua、Ub、Uc相對其尾端連接點Uo的輸出相電壓值分別為Va、Vb、Vc。
[0014] 考慮光伏組串發(fā)電易受到云的影響，輸出功率波動較大，利用星型三相交流串聯(lián) 式光伏方陣的三相交流串聯(lián)式光伏方陣之間的公共連接，電位相等的特點，在公共連接點 處接入一組公共儲能電池組，通過每相交流串聯(lián)式光伏方陣對公共儲能電池組的充放電控 制，保證星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣輸出功率相對平衡、穩(wěn)定。
[0015] 星角型并網(wǎng)平衡控制器由并網(wǎng)交流接觸器、斷路器、電流/電壓傳感器及PLC控制 器組成。所述的斷路器的輸出端也是星角型并網(wǎng)平衡控制器的輸出端與并網(wǎng)點三相電源連 接；斷路器的輸入端和電流傳感器串聯(lián)，并與電壓傳感器、并網(wǎng)交流接觸器輸出并聯(lián)；并網(wǎng) 交流接觸器輸入也是星角型并網(wǎng)平衡控制器的輸入與星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的輸 出并聯(lián)。星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的輸出端通過并網(wǎng)交流接觸器、電流傳感器、斷路器 與并網(wǎng)點電網(wǎng)三相電源連接。星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的Uo輸出與星角型并網(wǎng)平衡 控制器零點連接。
[0016] 所述的PLC控制器包括邏輯分析控制模塊、時序控制模塊、模擬控制模塊、多機(jī)通 信模塊、輸入控制模塊和輸出控制模塊。多機(jī)通信模塊通訊端口分別對應(yīng)與三相交流串聯(lián) 式光伏方陣每相的串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置連接，連接于所述串聯(lián)式光 伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的控制器模塊的通訊電路輸入輸出端口，多機(jī)通信模塊 與星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣實時交互數(shù)據(jù)，PLC控制器依據(jù)控制策略計算分析，并提供 串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的相位、同步時間及輸出功率數(shù)據(jù)。時序控制 模塊同步輸出端口分別對應(yīng)與三相交流串聯(lián)式光伏方陣每相中的串聯(lián)式光伏方陣高壓隔 離交流功率調(diào)節(jié)裝置連接，連接于控制器模塊的同步電路輸入端子；PLC控制器通過時序 控制模塊同步輸出端口實時為星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣每相的串聯(lián)式光伏方陣高壓 隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置提供同步過零點脈沖。輸入控制模塊與電流、電壓傳感器數(shù)據(jù)輸出 端連接，實時監(jiān)控電網(wǎng)電壓、電流和頻率變化，并將檢測并網(wǎng)點三相電源的數(shù)據(jù)信息經(jīng)邏輯 分析控制模塊進(jìn)行分析計算，通過多機(jī)通信模塊給出星型每相交流串聯(lián)式光伏方陣相位及 數(shù)據(jù)信息，通過時序控制模塊輸出星型每相交流串聯(lián)式光伏方陣的過零點同步信號。輸出 控制模塊與并網(wǎng)交流接觸器控制端連接，控制并網(wǎng)交流接觸器的通斷。
[0017] 組成單相交流串聯(lián)式光伏方陣的串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置由η 個最大功率跟蹤模塊、儲能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，η為彡1的整數(shù)。
[0018] 所述的光伏組串的輸出端與串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)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光伏組串ΜΡΡΤ最大功率跟蹤輸出 功率；η個最大功率跟蹤模塊的輸出端并聯(lián)，并聯(lián)后的η個最大功率跟蹤模塊輸出端再分別 與儲能DC/AC轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊輸入端并聯(lián)；η個最大功率跟蹤模塊提供儲能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η個最大功率跟蹤模塊，以 及儲能DC/AC轉(zhuǎn)換模塊連接；儲能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串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置輸出串聯(lián)； 儲能DC/AC轉(zhuǎn)換模塊與公共儲能電池組連接。
[0019] 所述的最大功率跟蹤模塊由儲能電感、儲能電容、功率開關(guān)、續(xù)流二極管、電流傳 感器和匯流母排組成。每一串光伏組串的正輸出端與最大功率跟蹤模塊的正負(fù)輸入端連 接，最大功率跟蹤模塊的正輸入端與儲能電感的一端連接，儲能電感的另一端分別與功率 開關(guān)的正端和續(xù)流二極管正極連接，續(xù)流二極管的負(fù)極分別與儲能電容正極、電流傳感器 的正輸入端連接；電流傳感器的負(fù)輸入端與匯流母排正端連接，光伏組串的負(fù)輸入端分別 與功率開關(guān)的負(fù)端、儲能電容負(fù)極、匯流母排負(fù)端連接，匯流母排的正、負(fù)端也為最大功率 跟蹤模塊的正、負(fù)輸出端；功率開關(guān)的控制端與控制器光隔電路對應(yīng)輸出端連接。
[0020] 所述的儲能DC/AC轉(zhuǎn)換模塊由儲能控制電路、Η橋功率驅(qū)動電路、匯流母排電壓傳 感器、相位監(jiān)測電壓傳感器和保護(hù)繼電器組成；Η橋功率驅(qū)動電路的正負(fù)輸入端分別與儲 能控制電路、匯流母排電壓傳感器在匯流母排正負(fù)極上并聯(lián)；Η橋功率驅(qū)動電路輸出端分 別與保護(hù)繼電器開關(guān)接點兩端、相位監(jiān)測電壓傳感器、交流隔離輸出模塊的輸入端繞組并 聯(lián)。
[0021] 在星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣正常工作時，當(dāng)某串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流 功率調(diào)節(jié)裝置沒有功率輸出或出現(xiàn)故障時，為保證星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣正常工 作，Η橋功率驅(qū)動電路輸出端經(jīng)保護(hù)繼電器常閉接點短路，使變壓器輸入內(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為變壓器輸入阻抗，由此輸出阻抗 R = 0 Ω，不會影響星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣正常工作。
[0022] 所述的Η電橋率驅(qū)動電路由相位監(jiān)測電壓傳感器、4只功率開關(guān)管和4只續(xù)流二 極管組成，每只功率開關(guān)管有一個控制輸入端、一個功率輸入端和一個功率輸出端。每只功 率開關(guān)管的輸入端和輸出端反向并聯(lián)一只續(xù)流二極管；每2只功率開關(guān)管串聯(lián)，組成2組Η 橋臂電路。每組Η橋臂電路中，一只功率開關(guān)管功率的輸入端與另一只功率開關(guān)管的輸出 端串聯(lián)，連接點為Η橋臂電路的功率輸出端；2組Η橋臂電路的兩端分別為Η橋臂電路的正 輸入端和負(fù)輸入端；2組Η橋臂電路并聯(lián)組成Η橋功率驅(qū)動電路，并聯(lián)后的Η橋臂電路的正 端和負(fù)端也是Η橋功率驅(qū)動電路的正端和負(fù)端，2組Η橋臂電路的功率輸出端也為Η橋率驅(qū) 動電路的2個功率輸出端，4只功率開關(guān)管的控制輸入端也是Η橋功率驅(qū)動電路的4個控制 輸入端。
[0023] 所述的儲能控制電路由一只功率開關(guān)管和充放電電流檢測傳感器組成。功率開關(guān) 管的一端通過串聯(lián)的充放電電流檢測傳感器與Η橋功率驅(qū)動電路的輸入正端及匯流母排 正極連接，功率開關(guān)管的另一端為儲能控制電路的公共儲能電池組充放電接入端，并與一 組儲能電池組正極連接；儲能電池組負(fù)極與匯流母排負(fù)極Η-連接；功率開關(guān)管的控制端也 是儲能控制電路的控制端，并與控制器模塊光隔驅(qū)動電路連接；
[0024] 所述的控制器模塊由CPU、A/D采樣電路、光隔電路、同步電路和雙向通訊電路組 成。所述的A/D采樣電路的輸入端分別對應(yīng)與每個最大功率跟蹤模塊的電流傳感器、儲能 DC/AC轉(zhuǎn)換模塊充放電電流檢測電流傳感器的輸出端連接，同時也分別與儲能DC/AC轉(zhuǎn)換 模塊的匯流母排、Η橋功率驅(qū)動電路的相位監(jiān)測電壓傳感器連接，其中A/D采樣電路還有 一個輸入端口為儲能電池組電壓傳感器檢測端。所述光隔電路的輸入端與控制器模塊中 CPU的I/O端口連接，光隔電路的輸出端分別與每個最大功率跟蹤模塊的功率開關(guān)控制輸 入端、Η橋功率驅(qū)動電路的4個控制輸入端和保護(hù)繼電器電路的控制開關(guān)管的控制輸入端 和儲能電路控制端連接；雙向通訊電路的一端與控制器模塊中CPU的通訊端口連接，雙向 通訊電路的另一端也是串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的通訊端口，通過光纖 或無線與星角型并網(wǎng)平衡控制器PLC中的多機(jī)通訊模塊端口連接，實時交換數(shù)據(jù)。同步電 路的一端與控制器模塊中CPU的I/O端口連接，同步電路的另一端也是串聯(lián)式光伏方陣高 壓隔離交流功率調(diào)節(jié)裝置的同步輸入端口，通過光纖或無線與星角型