A～c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)電系統(tǒng)。
【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。光伏組串由若 干塊光伏組件串聯(lián)組成，串聯(lián)的光伏組件數(shù)量最多為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。目前國內(nèi)外光伏組件串聯(lián)后的組串電壓< 1000V，功率最大< 7kWp。 為提高發(fā)電功量，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，再經(jīng)逆變器逆變交流輸出，此方法稱為集中式或并聯(lián)式結(jié)構(gòu)， 如圖6所示。二是如圖7所示的組串型光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用一種組串型逆變器，將多組光伏 組串直接輸入組串型逆變器中，首先對每個光伏組串進(jìn)行獨(dú)立MPPT最大功率點(diǎn)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(shí)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)式則要求光伏串性能參數(shù)相近，又無法實(shí)現(xiàn)組串獨(dú)立最大功率點(diǎn)（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。由于位于屋頂分布式電站應(yīng)用面積所限，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(fèi)。組串式逆變器由于并網(wǎng)數(shù)量多，以IOMff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(diǎn)處于大電 網(wǎng)的尾端、弱電網(wǎng)和遠(yuǎn)離負(fù)載時，容易由于震蕩造成脫網(wǎng)。大面積的脫網(wǎng)會給業(yè)主造成近 千萬的損失。再有，受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)所限，必須依據(jù)并網(wǎng)電壓等級提高每串光伏組串 并聯(lián)輸出電壓，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>400vX力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。
[0003] 同樣，受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入直流電壓< 1000 v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。
[0004] 由此，將多組光伏組串再串聯(lián)提高輸出電壓，降低傳輸電流，增加功率，可使光伏 組串更低的電壓輸出能量被利用，減少電纜及匯流設(shè)備數(shù)量，滿足更高等級無變壓器并網(wǎng)， 減小DC/AC轉(zhuǎn)換設(shè)備的體積，采用模塊化結(jié)構(gòu)自然風(fēng)冷卻，就近安裝，將傳統(tǒng)集中型逆變器 化整為零，降低設(shè)備成本，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。
[0005]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)，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)，經(jīng)匯流經(jīng)、DC/DC有限的升壓輸出。其實(shí)質(zhì)還是利用大 量光伏組串之間并聯(lián)來提高光伏方陣輸出功率，其缺點(diǎn)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：
[0006] 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IMff，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% ;
[0007] 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】
[0008] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有并聯(lián)光伏組串，并網(wǎng)逆變器占地面積大、逆變器輸出電壓 低電流大，造成傳輸線路和配套設(shè)備損耗嚴(yán)重，成本高等缺點(diǎn)，提出一種A~C三相交流串 聯(lián)式光伏方陣。
[0009] 本發(fā)明A~C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)式光伏方陣通過角型連接或星型連接，組成角 型三相交流串聯(lián)式光伏方陣或星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣。三相交流串聯(lián)式光伏方陣與 星角型并網(wǎng)平衡控制器的一端連接；星角型并網(wǎng)平衡控制器的另一端與并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)三相交 流電源連接；三相交流串聯(lián)式光伏方陣通過星角型并網(wǎng)平衡控制器與并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)三相交流 電源連接，并在星角型并網(wǎng)平衡控制器控制下，協(xié)調(diào)三相交流串聯(lián)式光伏方陣平衡輸出。
[0010] 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)。
[0011] 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。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。
[0012]角型三相交流串聯(lián)式光伏方陣中，A相交流串聯(lián)光伏方陣與B相交流串聯(lián)式光伏 方陣與C相交流串聯(lián)式光伏方陣首尾連接，A、B、C三個單相交流串聯(lián)式光伏方陣的連接點(diǎn) 分別為Uab、Ubc和Uca，星角型并網(wǎng)平衡控制器與這三個連接點(diǎn)連接，輸出三相交流電壓， 電壓值為Vab、Vbc、Vca。
[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，該連接點(diǎn)為Uo, Uo也是星形三相平衡交流串聯(lián)式光伏方陣的輸出 中心點(diǎn)。該星型三相交流串聯(lián)式光伏方陣的首端Ua、Ub和Uc與星角型并網(wǎng)平衡控制器連 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(diǎn)Uo的輸出相電壓 值分別為Va、Vb、Vc。
[0014] 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。A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣輸出端通過斷路器的輸入端與并網(wǎng)點(diǎn)三相電源連 接；斷路器的輸出端和電流傳感器串聯(lián)，并與電壓傳感器、并網(wǎng)交流接觸器輸入并聯(lián)；并網(wǎng) 交流接觸器輸出與A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣輸出并聯(lián)。A~C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(diǎn)電網(wǎng)三相電源連接。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。
[0015] 多機(jī)通信模塊通訊端口分別對應(yīng)與A~C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，連接于控制器模塊的通訊電路輸入輸出端口， 多機(jī)通信模塊通訊端口與A~C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)裝置實(shí)時交互數(shù)據(jù)，PLC控制器依據(jù)控制策略計(jì)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)。
[0016] 時序控制模塊同步輸出端口分別對應(yīng)與A~C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，連接于控制器模塊中的同步電路輸入端 子，PLC控制器通過時序控制模塊同步輸出端口實(shí)時為A~C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)裝置提供同步過零點(diǎn)脈沖。
[0017] 輸入控制模塊與電流/電壓傳感器的數(shù)據(jù)輸出端連接，實(shí)時監(jiān)控電網(wǎng)電壓、電流 和頻率變化，并將檢測并網(wǎng)點(diǎn)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(jì)算，通 過多機(jī)通信模塊給出A~C每相交流串聯(lián)式光伏方陣的相位及數(shù)據(jù)信息，通過時序控制模 塊同步輸出端口輸出A~C每相交流串聯(lián)式光伏方陣的過零點(diǎn)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。
[0018] 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、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)。
[0019] 所述的串聯(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 端與光伏組串的輸出端連接，經(jīng)該最大功率跟蹤模塊對光伏組串MPPT最大功率跟蹤輸出 功率；為提尚功輸出率，η個最大功率跟蹤t旲塊的輸出端并聯(lián)，并聯(lián)后的η個最大功率跟蹤 模塊輸出端再分別與DC/AC轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊的輸入端并聯(lián)；η個最大功率跟蹤模塊提 供DC/AC轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊的電源；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)。
[0020] 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。
[0021] 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)的控制端與控制器模塊中的光隔電路對應(yīng)輸出端連接。
[0022] 所述的DC/AC轉(zhuǎn)換模塊由H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；H橋功率驅(qū)動電路的輸入端與匯流母排電壓傳感器在匯流母排 上并聯(lián)；H橋功率驅(qū)動電路輸出端分別與保護(hù)繼電器開關(guān)常閉接點(diǎn)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)。
[0023] 在A~C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A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣正常 工作，H橋功率驅(qū)動電路輸出端經(jīng)保護(hù)繼電器常閉接點(diǎn)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A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣正常工作。
[0024] 所述的H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H 橋臂電路。每組H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(diǎn)為H橋臂電路的功率輸出端；2組H橋臂電路的兩端分別為H橋臂電路的正 輸入端和負(fù)輸入端；2組H橋臂電路并聯(lián)組成H橋功率驅(qū)動電路，并聯(lián)后的H橋臂電路的正 端和負(fù)端也是H橋功率驅(qū)動電路的正端和負(fù)端，2組H橋臂電路的功率輸出端也為H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H橋功率驅(qū)動電路的4個控制 輸入端。
[0025] 當(dāng)星角型并網(wǎng)平衡控制器判斷允許m個串聯(lián)式光伏方陣高壓隔離交流功率調(diào)節(jié) 裝置接入電網(wǎng)時，星角型并網(wǎng)平衡控制器控制并網(wǎng)交流接觸器工作，電網(wǎng)通過斷路器、電流 /電壓傳感器及并網(wǎng)交流接觸器接點(diǎn)與星型或角型A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣連接，與 星形A~C三相交流串聯(lián)式光伏方陣的首端Ua、Ub、Uc連接，與角形A~C三相交流串聯(lián)式 光伏方陣的連接點(diǎn)Uab、Ubc、Uca連接，A~C三相交流串聯(lián)式光伏方