星、角型三相互補平衡串聯式光伏電站系統研究（上）

■ 王哲楊子龍林燕梅王勝利劉莉敏定世攀

（1.北京科諾偉業科技股份有限公司；2.中國科學院電工研究所）

星、角型三相互補平衡串聯式光伏電站系統研究（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.北京科諾偉業科技股份有限公司；2.中國科學院電工研究所）

介紹一種全新的光伏電站結構——星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站，目的是提高光伏電站的輸出電壓，降低電站建設成本，平抑電網波動，保障電網供電質量，實現區域性大規模、高比例、遠距離輸電。重點研究拓撲結構、控制原理和策略，并給出不同光伏電站應用的性能對比。在該光伏電站中通過DC/AC功率轉換裝置將輸入光伏組串隔離，多裝置輸出串聯，組成單相交流串聯式光伏發電單元，通過星型或角型和儲能設備連接，在星、角型并網平衡控制器協調管理下，可最大限度獲取低輻照度光伏方陣發電量，保證星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站輸出相對平衡、穩定，同時提高了系統的故障冗余度。依據電網及負載的需求合理選擇儲能電池容量，可實現對電網短時支撐及電量削峰填谷的作用。

串聯式光伏發電單元；平衡控制器；公共儲能；三相互補；平衡功率；優化

0　引言

國家快速推進新能源建設，同步在政策上推出利好措施，在設施上加大高壓電網的輸送能力建設。然而大型光伏電站的建設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組成并聯方陣，再經逆變器逆變交流輸出，增大輸出電流，提高并聯方陣功率輸出。組串式是將多組組串直接輸入組串型逆變器中，首先實現每個光伏組串的獨立最大功率點跟蹤（MPPT），之后再并聯由逆變交流輸出。這兩種方式的實質是組串間的并聯，電壓低（≤1000 V）、電流大、電纜設備損耗大、匯流設備多、電纜數量多，且逆變器為電流型拓撲結構，功率損耗大，尤其在弱光條件下功率損失更為嚴重。集中式應用中，由于光伏組串性能參數不一致及無法實現光伏組串自身自動MPPT，造成發電功率損失；而組串式逆變器由于并網數量多，極易引起系統振蕩造成脫網，特別是并網點處于大電網的末端、弱電網和遠離負載時，現象尤為嚴重。

為了滿足MPPT及提高輸出電壓等級，提高光伏組串更低電壓輸出能量的利用、減少電纜及匯流設備數量、減小DC/AC轉換設備體積，同時滿足能量管理、SVG功能及能源互聯網需求，提出一種星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統。

該系統采用三組單相交流串聯式光伏發電單元，通過星、角連接及儲能結合，提高星、角型三相互補平衡串聯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，實現逆變器化整為零、無變壓器輸出、距離長線傳輸，減少電纜、匯流設備、逆變器控制室及相關設備的投入，降低成本。通過一種DC/AC功率轉換裝置解決光伏組串與系統隔離、MPPT，保障最大發電量的輸出，減少匯流設備和直流電纜，大幅降低因直流拉電弧的幾率，提高系統安全性。

通過儲能最大限度地獲得光伏發電，保障系統三相平衡輸出，對電網有功、無功支撐閃變及波動的抑制作用，使光伏發電高比例接入電網成為可能。同時滿足未來區域性、高壓大型光伏電站遠距離發電發展的需求。

1　拓撲結構設計

1.1星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統拓撲

星、角型三相交流串聯式光伏方陣由3個單相交流串聯式光伏方陣、公共儲能電池組和星、角型并網平衡控制器組成，見圖1和圖2。其中，3個單相交流串聯式光伏發電單元通過星型和角型連接，組成星型和角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站；星型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站的公共連接點與公共儲能電池組連接；角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站的3個連接點處分別對應與3組儲能電池組連接。

圖1　星型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統框圖

1.2單相交流串聯式光伏發電單元拓撲

所述的單相交流串聯式光伏發電單元由m臺高壓隔離DC/AC功率轉換裝置串聯組成，m為≥1的整數，詳見圖3。

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

圖2　角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統框圖

圖3　單相交流串聯式光伏發電單元框圖

第1臺高壓隔離DC/AC功率轉換裝置輸出的首端為單相交流串聯式光伏發電單元的首輸出端，第m臺高壓隔離DC/AC功率轉換裝置輸出尾端為單相交流串聯式光伏發電單元的尾輸出端。每臺串聯式光伏發電單元高壓隔離DC/AC功率轉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功率轉換裝置拓撲

組成單相交流串聯式光伏發電單元的高壓隔離DC/AC功率轉換裝置由n個最大功率跟蹤模塊、DC/AC轉換模塊、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。

以下將高壓隔離DC/AC功率轉換裝置簡稱為“DC/AC功率轉換裝置”，詳見圖4。

圖4　星型DC/AC功率轉換裝置示意圖

所述光伏組串的輸出端與DC/AC功率轉換裝置中最大功率跟蹤模塊的輸入端連接，經該最大功率跟蹤模塊對光伏組串MPPT輸出功率；n個最大功率跟蹤模塊的輸出端并聯，并聯后再分別與DC/AC轉換模塊、電源模塊輸入端并聯；n個最大功率跟蹤模塊提供DC/AC轉換模塊、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個最大功率跟蹤模塊及DC/AC轉換模塊連接；DC/AC轉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功率轉換裝置輸出串聯；DC/AC轉換模塊與儲能電池組連接。

以星型三相互補串聯式高壓光伏電站為例。該電站由A相、B相、C相3個單相交流串聯式光伏發電單元、公共儲能電池組EABC，以及星、角型并網平衡控制器組成。A相、B相、C相3個單相交流串聯式光伏發電單元星型連接，組成星型三相交流串聯式光伏發電單元，并在A相、B相、C相3個單相交流串聯式光伏發電單元的公共連接點與公共儲能電池組EABC連接；星型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站輸出端與星、角型并網平衡控制器輸入端連接，星、角型并網平衡控制器輸出端與并網點電網三相電源連接，在星、角型并網平衡控制器控制下，協調三相交串聯式光伏發電單元平衡輸出。

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，勢必造成光伏組件電壓擊穿損壞。為此，在每個光伏組串之間增加一個高壓隔離環節，提高光伏組串的隔離電壓能力。在每個光伏組串通過DC/AC功率轉換裝置進行高壓電氣隔離后輸出，使每個功率DC/AC轉換裝置的耐電壓＞交流系統電壓Uacsmax，由此實現m個功率DC/AC功率轉換裝置的串聯。

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

式中，Ua1、Ua2、Uam分別為A相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置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相交流串聯式光伏發電單元中對應的DC/AC功率轉換裝置輸出電壓。

由于每個DC/AC功率轉換裝置中的光伏組件參數有偏差，或某一時刻輻照量不同，或組成的光組串數量不同，使每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓Uam、Ubm、Ucm有可能不同。為保證星型三相交流串聯式光伏發電單元輸出平衡，即Uas=Ubs=Ucs=Uacs（Uacs為并網點交流電壓）及Pa=Pb=Pc，則Ias=Ibs=Ics。星、角型并網平衡控制器對星型三相交流串聯式光伏發電單元中每個DC/AC功率轉換裝置輸出電壓進行協調控制，使：

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

2.2DC/AC功率轉換裝置工作狀態

2.2.1低輻照度

在無輻照度或輻照度很低時，DC/AC功率轉換裝置沒有電源供給，此時由于保護繼電器開關接點閉合，變壓器輸入內阻r=0 Ω；依據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，每相交流串聯式光伏發電單元中DC/AC功率轉換裝置輸入功率同步增加，DC/AC功率轉換裝置中的輸入電壓滿足電源模塊中DC/DC啟動電壓時，DC/DC輸出直流電壓使控制器工作?？刂破髂K初始化，分別使保護繼電器工作，DC/AC功率轉換裝置輸出阻抗R=B2r Ω；使第m個DC/AC功率轉換裝置中的控制器模塊，實時檢測儲能

電池組數據，分析電壓值是否小于匯流母排傳感器電壓值。當公共儲能電池組電壓小于匯流母排電壓傳感器時，控制器模塊控制儲能控制電路對公共儲能電池組充電，同時控制器模塊實時監測DC/AC轉換模塊充放電電流檢測電流傳感器電流值；當該電流為零時控制器模塊控制儲能控制電路對儲能電池組停止充電。同時，控制器模塊分別通過同步電路和雙向通訊電路與星、角型并網平衡控制器建立同步及通訊聯系，功率調節模塊進入默認工作狀態。

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

（待續）

2016-01-07

國家高技術研究發展（863）計劃（2011AA05A303）

王哲（1957—），男，高級工程師，主要從事光伏系統測控技術方面的研究。wangzhe@bjcorona.com