星型三相交流串联式光伏方阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能光伏发电装置。
【背景技术】
[0002] 目前光伏电站在国家的政策激励下飞速发展，而光伏方阵是光伏发电系统的重要 组成之一，由光伏组串串并联组成的方阵容量大小直接影响系统的发电量。光伏组串是 由若干块光伏组件串联组成，而组件是组串的最小单元，串联数量最多22块，光伏组件串 联的数量主要取决于组件承受的耐压。国内外组件串联后的组串电压< 1000V功率最大 < 7kWp。为提高发电功量，目前国内外采两种方式：一是用大量光伏组串并联组成并联方 阵增大输出电流，提高并联方阵功率输出，在经逆变器逆变交流输出，此方法也被称为集中 式或并联式结构，如图5所示。二是如图6所示的组串型光伏发电系统，采用一种组串型逆 变器，将多组组串直接输入组串型逆变器中，首先实现每个光伏组串的独立MPPT最大功率 点跟踪，之后在并联逆变交流输出，此类型功率、体积较小，安装方便。为进一步增加功率再 由多台组串型逆变器通过交流汇流柜并联。两种类型其实质都是组串之间的并联，电压低 < 1000V、电流大、电缆设备损耗大、汇流设备多、电缆数量多而且逆变器为电流型拓扑结构 功率损耗大。集中式或并联式则要求组串性能参数相近，又无法实现组串独立最大功率点 (MPPT)自动跟踪使功率损失，而且需要相对规模的逆变器室安装及配套相关设施，使建设 成本及管理成本提高。对分布式屋顶电站面积所限，为满足各组串电压相等安装组串时必 须考虑取舍，造成有限的面积浪费。组串式逆变器由于并网数量多，以KMW电站为例采用 28kW组串式逆变器，则有357台逆变器并联，极易引起系统震荡，特别并网点处于大电网的 尾端弱电网和远离负载时，由于震荡造成脱网。大面积的脱网给业主造成近千万的损失。
[0003] 再有，受光伏组串的并联结构所限，使每串光伏组串并联输出电压依据并网电压 等级而提高，才能满足逆变器的输入启动电压基本条件，如在380v交流电网系统中，光伏 组串输出直流电压>400vxVi才能满足启动逆变器基本工作条件，启动电压高所获得电量 有限。
[0004] 同样受光伏组串的并联结构输入直流电压< ΙΟΟΟν所限，只能满足逆变器交流输 出电压< 400v等级系统无变压器并网，更高电压等级并网则须经变压器升压输出。
[0005] 由此将多组组串在串联提高输出电压降低传输电流增加功率，满足更高等级无变 压器并网、使光伏组串更低电压输出能量被利用、减少电缆及汇流设备数量、减小储能DC/ AC转换设备体积采用自然冷却，就近安装，实现减少线路、将传统集中型逆变器化整为零、 降低电缆、汇流设备、变压器及逆变器控制室成本，提高光伏组串发电效率，适应分布式、大 型光伏电站及未来中、高电压直流输电的需求。
[0006]目前光伏系统升压输出基本有四种方式，一为光伏组串并联（并联方阵）经汇流、 逆变器交流变压器升压输出，多为集中式；二为光伏组串并联经逆变器交流汇流再经变压 器升压输出，多为组串式；三为伏组串并联（并联方阵）经汇流经DC/DC有限的升压输出。 其实质还是利用大量组串之间并联（并联式方阵）提高光伏方阵输出功率，其缺点除线路、 设备损耗大之外，在相对高压交流输出时还需要升压变压器升压输出；四为串联式直流光 伏方阵，利用光伏组串隔离装置将光伏组串与光伏组串进行高压隔离，并由光伏组串隔离 装置输出直流功率，再将若干台光伏组串隔离装置正负输出端依次串联组成串联式直流光 伏方阵，串联式直流光伏方阵输出高压直流提供高压逆变器输入直流电压，在由高压逆变 器转换交流并网输出。由于串联式直流光伏方阵采用直流输出，则存在着如下不足：
[0007] 1.整流器输出损耗：每个光伏组串隔离装置AC/DC转换输出时，采用高压整流电 路，由于整流二级管的正向导通电压降，造成输出功率在高压整流二级管上增加了损耗。 如整流二级管正向导通压降为IV，流过电流为50A，则一支高压整流二级管上损耗为50W， 如采用全桥整流则损耗为100W。如光伏直流方阵容量为1MW，直流电压等级为±10kV，输 出电流为50A，如需要光伏组串隔离装置50台，则串联式直流光伏方阵总的整流器损耗= 100W*50 台=5000W 占输出功率的 5KW/1000KW = 0· 5% ;
[0008] 2.由于串联式直流光伏方阵采用直流输出，如交流输出并网则需要直流高压输入 逆变器转换交流输出并网。
【发明内容】
[0009] 本发明目的是克服现有并联串光伏组串的并网逆变器占地面积大、逆变器输出电 压低电流大，造成传输线路、配套设备损耗严重、成本高等缺点。提出一种星型三相交流串 联式光伏方阵。
[0010] 本发明星型三相交流串联式光伏方阵由三个单相交流串联式光伏方阵、公共储能 电池组和星角型并网平衡控制器组成。三个单相交流串联式光伏方阵星型连接，组成星型 三相交流串联式光伏方阵；三个单相交流串联式光伏方阵的公共连接点与公共储能电池组 连接；星型三相交流串联式光伏方阵的输出端与星角型并网平衡控制器的输入端连接，星 角型并网平衡控制器的输出端与并网点电网三相电源连接，在星角型并网平衡控制器控制 下，协调三相交串联式光伏方阵平衡输出。
[0011] 所述的单相交流串联式光伏方阵由m台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节 装置串联组成，m为多1的整数。
[0012] 所述的单相交流串联式光伏方阵中，第1台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调 节装置的输出尾端与第2台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置的输出首端连接， 第2台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输出尾端与第3台串联式光伏方阵高压 隔离交流功率调节装置输出首端连接，依此类推，第m-Ι台串联式光伏方阵高压隔离交流 功率调节装置输出尾端与第m台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输出首端连 接，组成单相交流串联式光伏方阵。第1台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输 出的首端为单相交流串联式光伏方阵的首输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离交流功 率调节装置输出尾端为单相交流串联式光伏方阵的尾输出端，同时也与一组公共储能电池 组连接。每台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置的输入端连接光伏组串的输出 端。
[0013] 星型三相交流串联式光伏方阵中，A相串联光伏方阵、B相串联光伏方阵和C相串 联光伏方阵的尾端连接，A相串联光伏方阵、B相串联光伏方阵和C相串联光伏方阵的尾端 均与公共储能电池组连接，该连接点为Uo, Uo也是星形三相平衡交流串联式光伏方阵的公 共输出端。单相交流串联式光伏方阵中的首端分别为星型三相交流串联式光伏方阵的首端 Ua、Ub和Uc，并与星角型并网平衡控制器输入端连接，该星型三相交流串联式光伏方阵的 首端Ua、Ub、Uc相对其尾端连接点Uo的输出相电压值分别为Va、Vb、Vc。
[0014] 考虑光伏组串发电易受到云的影响，输出功率波动较大，利用星型三相交流串联 式光伏方阵的三相交流串联式光伏方阵之间的公共连接，电位相等的特点，在公共连接点 处接入一组公共储能电池组，通过每相交流串联式光伏方阵对公共储能电池组的充放电控 制，保证星型三相交流串联式光伏方阵输出功率相对平衡、稳定。
[0015] 星角型并网平衡控制器由并网交流接触器、断路器、电流/电压传感器及PLC控制 器组成。所述的断路器的输出端也是星角型并网平衡控制器的输出端与并网点三相电源连 接；断路器的输入端和电流传感器串联，并与电压传感器、并网交流接触器输出并联；并网 交流接触器输入也是星角型并网平衡控制器的输入与星型三相交流串联式光伏方阵的输 出并联。星型三相交流串联式光伏方阵的输出端通过并网交流接触器、电流传感器、断路器 与并网点电网三相电源连接。星型三相交流串联式光伏方阵的Uo输出与星角型并网平衡 控制器零点连接。
[0016] 所述的PLC控制器包括逻辑分析控制模块、时序控制模块、模拟控制模块、多机通 信模块、输入控制模块和输出控制模块。多机通信模块通讯端口分别对应与三相交流串联 式光伏方阵每相的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置连接，连接于所述串联式光 伏方阵高压隔离交流功率调节装置的控制器模块的通讯电路输入输出端口，多机通信模块 与星型三相交流串联式光伏方阵实时交互数据，PLC控制器依据控制策略计算分析，并提供 串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置的相位、同步时间及输出功率数据。时序控制 模块同步输出端口分别对应与三相交流串联式光伏方阵每相中的串联式光伏方阵高压隔 离交流功率调节装置连接，连接于控制器模块的同步电路输入端子；PLC控制器通过时序 控制模块同步输出端口实时为星型三相交流串联式光伏方阵每相的串联式光伏方阵高压 隔离交流功率调节装置提供同步过零点脉冲。输入控制模块与电流、电压传感器数据输出 端连接，实时监控电网电压、电流和频率变化，并将检测并网点三相电源的数据信息经逻辑 分析控制模块进行分析计算，通过多机通信模块给出星型每相交流串联式光伏方阵相位及 数据信息，通过时序控制模块输出星型每相交流串联式光伏方阵的过零点同步信号。输出 控制模块与并网交流接触器控制端连接，控制并网交流接触器的通断。
[0017] 组成单相交流串联式光伏方阵的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置由η 个最大功率跟踪模块、储能DC/AC转换模块、控制器模块、电源模块和交流隔离输出模块组 成，η为彡1的整数。
[0018] 所述的光伏组串的输出端与串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置中最大 功率跟踪模块的输入端连接，经该最大功率跟踪模块对光伏组串ΜΡΡΤ最大功率跟踪输出 功率；η个最大功率跟踪模块的输出端并联，并联后的η个最大功率跟踪模块输出端再分别 与储能DC/AC转换模块、电源模块输入端并联；η个最大功率跟踪模块提供储能DC/AC转换 模块、电源模块电源。其中电源模块的输出与控制器模块的电源输入端连接，提供控制器模 块的工作电源；控制器模块的采样输入端和控制输出端分别与η个最大功率跟踪模块，以 及储能DC/AC转换模块连接；储能DC/AC转换模块的输出端与交流隔离输出模块输入连接， 交流隔离输出模块的输出与相邻的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输出串联； 储能DC/AC转换模块与公共储能电池组连接。
[0019] 所述的最大功率跟踪模块由储能电感、储能电容、功率开关、续流二极管、电流传 感器和汇流母排组成。每一串光伏组串的正输出端与最大功率跟踪模块的正负输入端连 接，最大功率跟踪模块的正输入端与储能电感的一端连接，储能电感的另一端分别与功率 开关的正端和续流二极管正极连接，续流二极管的负极分别与储能电容正极、电流传感器 的正输入端连接；电流传感器的负输入端与汇流母排正端连接，光伏组串的负输入端分别 与功率开关的负端、储能电容负极、汇流母排负端连接，汇流母排的正、负端也为最大功率 跟踪模块的正、负输出端；功率开关的控制端与控制器光隔电路对应输出端连接。
[0020] 所述的储能DC/AC转换模块由储能控制电路、Η桥功率驱动电路、汇流母排电压传 感器、相位监测电压传感器和保护继电器组成；Η桥功率驱动电路的正负输入端分别与储 能控制电路、汇流母排电压传感器在汇流母排正负极上并联；Η桥功率驱动电路输出端分 别与保护继电器开关接点两端、相位监测电压传感器、交流隔离输出模块的输入端绕组并 联。
[0021] 在星型三相交流串联式光伏方阵正常工作时，当某串联式光伏方阵高压隔离交流 功率调节装置没有功率输出或出现故障时，为保证星型三相交流串联式光伏方阵正常工 作，Η桥功率驱动电路输出端经保护继电器常闭接点短路，使变压器输入内阻r = 0 Ω，依据 变压器原理，输出阻抗R = B2r，其中B为变压器变比，r为变压器输入阻抗，由此输出阻抗 R = 0 Ω，不会影响星型三相交流串联式光伏方阵正常工作。
[0022] 所述的Η电桥率驱动电路由相位监测电压传感器、4只功率开关管和4只续流二 极管组成，每只功率开关管有一个控制输入端、一个功率输入端和一个功率输出端。每只功 率开关管的输入端和输出端反向并联一只续流二极管；每2只功率开关管串联，组成2组Η 桥臂电路。每组Η桥臂电路中，一只功率开关管功率的输入端与另一只功率开关管的输出 端串联，连接点为Η桥臂电路的功率输出端；2组Η桥臂电路的两端分别为Η桥臂电路的正 输入端和负输入端；2组Η桥臂电路并联组成Η桥功率驱动电路，并联后的Η桥臂电路的正 端和负端也是Η桥功率驱动电路的正端和负端，2组Η桥臂电路的功率输出端也为Η桥率驱 动电路的2个功率输出端，4只功率开关管的控制输入端也是Η桥功率驱动电路的4个控制 输入端。
[0023] 所述的储能控制电路由一只功率开关管和充放电电流检测传感器组成。功率开关 管的一端通过串联的充放电电流检测传感器与Η桥功率驱动电路的输入正端及汇流母排 正极连接，功率开关管的另一端为储能控制电路的公共储能电池组充放电接入端，并与一 组储能电池组正极连接；储能电池组负极与汇流母排负极Η-连接；功率开关管的控制端也 是储能控制电路的控制端，并与控制器模块光隔驱动电路连接；
[0024] 所述的控制器模块由CPU、A/D采样电路、光隔电路、同步电路和双向通讯电路组 成。所述的A/D采样电路的输入端分别对应与每个最大功率跟踪模块的电流传感器、储能 DC/AC转换模块充放电电流检测电流传感器的输出端连接，同时也分别与储能DC/AC转换 模块的汇流母排、Η桥功率驱动电路的相位监测电压传感器连接，其中A/D采样电路还有 一个输入端口为储能电池组电压传感器检测端。所述光隔电路的输入端与控制器模块中 CPU的I/O端口连接，光隔电路的输出端分别与每个最大功率跟踪模块的功率开关控制输 入端、Η桥功率驱动电路的4个控制输入端和保护继电器电路的控制开关管的控制输入端 和储能电路控制端连接；双向通讯电路的一端与控制器模块中CPU的通讯端口连接，双向 通讯电路的另一端也是串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置的通讯端口，通过光纤 或无线与星角型并网平衡控制器PLC中的多机通讯模块端口连接，实时交换数据。同步电 路的一端与控制器模块中CPU的I/O端口连接，同步电路的另一端也是串联式光伏方阵高 压隔离交流功率调节装置的同步输入端口，通过光纤或无线与星角型