CN102272942A - 可直接连接到高压直流输电线路的光伏装置 - Google Patents

可直接连接到高压直流输电线路的光伏装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种光伏装置(PVE)，其包括多个用于产生直流电压的光伏组件，所述光伏组件以并联和/或串联方式彼此相连以产生一直流电压(Udc*)，所述直流电压超过所述光伏组件的耐电强度且适合高压直流输送，其中，所述直流电压(Udc*)的每极均设有一组件场(MF+，MF-)，所述组件场包括一定数量(K)的光伏组件，所述光伏组件优选以模块和基本结构(BS)的形式相对于一中央母线(S+，S-)呈电位对称分布，其中，每个所述组件场(MF+，MF-)都被一处于地电位(EP)的环绕式集电环路(SR)包围。每个所述组件场(MF+，MF-)都优选与地电位(EP)隔离，特定而言在一铺设在所述组件场(MF+，MF-)下面的绝缘膜(IF)的作用下与地电位(EP)隔离。

Description

可直接连接到高压直流输电线路的光伏装置
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的光伏装置。本发明特定而言涉及一种可连接到高压直流输电线路的光伏装置，其适于为远离或靠近所述光伏装置布置的用电设备供电。
背景技术
光伏装置或光伏机组越来越多地应用于所谓的光伏电站，它们大多安装在阳光充裕的地带，用于为既有的、通常都远离光伏装置或光伏机组设立的用电设备端供电网络集中发电。这类光伏装置优选采用大面积设计，例如安装在荒漠地区，以便能可靠地利用太阳能发电。这类机组又称“超大规模光伏系统”，简称“VLS-PV系统”，例如在Rudolf Minder博士发表于“FVS-Themen 2002”特刊(第67-70页，德国柏林太阳能研究协会出版，网页地址：www.fv-sonnenenergie.de)的“Very Large Scale PV-Systems”一文中有相应介绍。该文建议用多个PV组件构建模块化结构，但没有对此进行详细说明。对于已获得电能的输送，该文提出了多种输送技术，其中也提到了高压直流输电，简称
Figure BPA00001403355100011
也就是说，现有技术中的光伏装置利用光伏组件集中发电，这些光伏组件提供的是直流电压。先用逆变器将这种由发电端的PV组件产生的直流电压转换成交流电压，再用变压器将其转换成高交流电压(一次转换)。安装在发电端的中央换流站将这个高交流电压(交流高压)转换成直流高压(二次转换)并送入
Figure BPA00001403355100012
线路。该
Figure BPA00001403355100013
线路的末端设有另一中央换流站，这个中央换流站靠近用电设备，用于将直流高压反向转换成交流高压(三次转换)。这个交流高压可以送入用电设备端的电网。据此，无论发电端还是用电设备端都需进行电能的转换，即总共需要实施三次转换。而这需要使用到多个逆变器，特别是需要在发电端(即在将电能送入
Figure BPA00001403355100014
线路之前)安装中央换流站。这意味着很高的投资成本。此外，每次电压转换也伴随着一定的电能损耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是对开篇所述类型的光伏装置进行改良以克服上述缺点。特定而言，本发明的目的是让这种光伏装置所产生的电能方便而高效地经高压直流输电线路输送到用电设备端。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有如权利要求1所述特征的光伏装置。
相应地，本发明提出一种光伏装置，其光伏组件以并联和/或串联方式彼此相连以产生一直流电压，该直流电压超过所述光伏组件的耐电强度且适合高压直流输送，其中，所述直流电压的每极各设有一组件场，该组件场包括多个光伏组件，这些光伏组件相对于一中央母线呈电位对称分布，每个所述组件场都被一环绕式地电位集电环路包围且特定而言在至少一个平面绝缘元件的作用下与地电位隔离。
通过上述特征组合就已经可以在发电端的光伏装置上就地产生足够高的直流电压，这个直流高压可以直接送入高压直流输电线路并进一步输送到用电设备端。其中，所述组件布置在至少一个为
Figure BPA00001403355100021
线路的其中一极提供电流的组件场内。这个组件场可应用于例如+500kV单极线路的极，另外还设有一接地回线。亦即，上述情况下只存在一个组件场，外侧环路连接在接地回线上。也可设置两个组件场，分别通过一条布置在中央的母线为两极提供电流。这两个组件场可应用于包含有+500kV传输线和-500kV传输线的两极线路。通过将所述组件电位对称布置以及在所述组件场周围设置地电位集电环路，电位将从外(零电位)向内(极电位)发生变化，但每次变化的幅度较小。特别是，安装组件时可以使用非绝缘或弱绝缘性元件，而不必采用需要使用高绝缘性元件(例如陶瓷或塑料绝缘件)才能实现的架高安装方式，这一点比较方便。也可将多个组件场成对布置。所产生的直流电压处于高压范围内且可直接送入线路。用电设备端则只需进行一次转换，即将输送过来的直流电压转换成符合要求的交流电压。尤其是可以节省掉传统系统中发电端所需使用的逆变器和
Figure BPA00001403355100025
换流站。所述光伏装置所产生的直流电压可以超过单个光伏组件的耐电强度许多倍，在高压范围内例如可达到1kV至2MV，而现有光伏组件的耐电强度最高为1kV。
本发明还提出一种供电系统，其包括一高压直流输电线路和一连接在该高压直流输电线路上的光伏装置。
所述光伏装置优选如此设计，使得每个组件场都优选在至少一个平面绝缘元件的作用下整体与地电位隔离。这一点特定而言可以通过在组件场下面铺设用以隔离地电位的绝缘膜再结合使用干沙而实现。每个组件场内的光伏组件优选都相连成模块，其中，第一数量的光伏组件构成一组件模块，每个组件场内均设有第二数量的组件模块。在此情况下，每个组件模块都可安装在不具有绝缘元件的架高框架结构上并布置于所述组件场内。相比配置绝缘件的架高安装，这种以模块方式进行安装且设计简单的框架结构具有明显的成本优势。再加上高绝缘性薄膜的使用，架高安装所述组件时就只需使用非绝缘或弱绝缘性元件。不需要使用大量的高绝缘性单个元件(点状绝缘元件)，例如陶瓷或塑料绝缘件。
安装在每个组件场内的光伏组件和/或组件模块都优选相对于所述布置在中央的母线对称分布且其连接方式使得电位相对于正极从组件场边缘朝布置在中央的母线方向可控上升，特定而言为近似线性上升。若以负极为基准，则电位相应呈下降趋势或者说负向上升。多个组件相连成模块，模块又相连成基本结构(即多个串联起来的模块)，这些基本结构相互串联且呈波纹状分布。这样可以使组件场极为紧凑，特别是中央母线与外侧集电环路之间的距离相比中央母线的长度而言不致过大。借此可将中央母线端面所需的无组件绝缘面减至最小，进而将对绝缘膜的需求降至最低。另外，所述基本结构的波纹状分布结合其交替变换的极性，可以避免任意两个相邻组件模块之间产生过大电位差。
优选地，所述光伏组件和/或组件模块下面的土地或土壤局部设有大体沿等位线分布的分水线。借此可大幅改善机组的抗闪络强度，包括多雨天气在内。所述分水线可由铺设在组件场下面的绝缘膜构成，这是一种既有效又经济的解决方案。在此情况下，这些分区域布置的分水线可以成为雨水和/或残余水分的聚集区，可以用溢流点和/或泵来为这些聚集区排水。
附图说明
下文将参照附图以实施例形式对本发明及其优点进行详细说明，其中：
图1为本发明光伏装置的结构图；
图2a/b为一包括多个组件模块的基本结构的结构图或安装图，所述组件模块各包括多个光伏组件；
图3a/b/c为一由多个光伏组件构成的组件模块的结构详图或安装详图；
图4a/b为本发明以一组件模块为例的组件场绝缘方案；
图5为图1所示光伏装置的局部结构图；
图6a/b/c为按本发明在组件场下面设置分水线的不同视图；以及
图7为本发明抽排积水的方法的示意图；
具体实施方式
图1为本发明光伏装置PVE的结构图，该光伏装置产生高压范围内的直流电压Udc*并将其送入高压输电线路HGUE。也可以是短距离输电，此时的
Figure BPA00001403355100031
线路实施为电缆。为此，光伏装置PVE包括两个组件场MF+和MF-，这两个组件场各具有一个布置在中央的母线S+、S-，从而分别构成正极和负极电接头。每个所述组件场(在此以MF+为例)都相对于布置在中央的母线S+结构对称。组件场MF+包含多个光伏组件(另见图3a)，这些光伏组件逐个相连成多个光伏模块或组件模块，这些光伏模块或组件模块又相连成多个基本结构BS，这些基本结构优选相当于串联的模块(另见图2)。基本结构BS构成多个呈波纹状分布的串PVS(另见图5)，这些串的其中一端与母线S+连接，另一端与集电环路SR连接。所述基本结构采用使相邻结构交替变换极性的连接方式，以此防止两相邻基本结构的端面之间存在电位差，从而避免相邻基本结构之间出现闪络。
集电环路SR从外侧包围相应的组件场MF+并与地电位EP连接。组件模块PVP相互间所采用的串联和/或并联方式使得电位从外(即集电环路SR)向内(即中央母线S+)上升。
以图中所示的其中一个组件场MF+为例，中央母线的每一侧都布置有10串PVS，其各包括62个串联的基本结构。每个基本结构都由10个组件模块PVB构成，这些组件模块又各包括132个光伏组件PVM(见图3)。因此，整个光伏装置PVE中共设有40串PVS，即3273600个光伏组件。光伏装置PVE在一个方向上的延伸长度L1约为8000米，在横向上的延伸长度L2约为1000米。将这些光伏组件或组件模块PVB连接起来后，正极母线S+的电位将上升至500kV左右。负极母线S-的电位则相应为-500kV。在此情况下，发电端将产生1000kV的直流电压Udc*，该直流电压可直接送入高压直流输电线路HGUE。采用上述布置方案后就不必再费尽周折地架高组件或模块。特别是不需要使用单个绝缘件，如此可大幅降低装置的总成本。通过波纹状敷设组件模块或由组件模块构成的基本结构BS(另见图2)，可以尽量缩小组件场的总面积，从而进一步削减成本，主要是绝缘膜费用。此外，所述基本结构的波纹状分布结合其交替变换的极性，可以避免任意两个相邻组件模块之间产生过大电位差。视情况还可将组件场安装在干沙中而无需使用任何薄膜和/或其他绝缘元件，因为干沙本身就能提供有效的绝缘作用。但是这种安装方案基本上只适用于永久干旱的地区。
图2a和图2b进一步示出由多个组件模块PVB构成的基本结构的结构详图和绝缘膜IF在隔离架高模块和地电位方面的应用。
图2a为多个串联在一起的组件模块PVB，这些组件模块均可架设在便于实施的框架结构上。如图2b所示，绝缘任务由绝缘膜IF承担，该绝缘膜埋设在土中，其在组件场下方的延伸范围覆盖组件场的整个面积。优选将该薄膜埋设于干沙内。架高组件PVB优选倾斜或偏转一定角度且该角度可加以规定。每个模块的首尾两端均可设置分水线WS，因此该分水线系沿一等位线分布。所述分水线的作用是将积聚于组件下面的雨水或水分分散到沿等位线的各部分或各区段中，借以避免等电位联结引发故障电流。
亦即，多个光伏模块PVB串联起来后形成一基本结构BS(另见图2)，该基本结构的电位和相邻基本结构的电位被水障WS隔离。
布置(例如)10个组件模块PVB可以产生长度L3约为83米的基本结构。为此，每个组件模块PVB的截面长度L4约为5米。组件模块之间应选择可以有效避免两组件模块之间出现闪络和过大漏电流的间距。在本实施例中，组件模块之间的最大电位差不超过1000V。在此情况下，选择2米左右的间距就够了。
图3a至图3c进一步示出组件模块PVB的各种结构图。
图3a为多个相连成一组件模块PVB的光伏组件PVM的连接图。该结构的末端各设有一接线盒AK。将组件模块PVB安装在框架结构RK上，并且以架高方式将其安装在埋设于土中的绝缘膜IF的上方。每个模块的长度L5例如为36米。如图3c所示，在每个组件模块的首尾两端将绝缘膜IF连同土壤一起升高，由此形成分水线WS。通过这种方式形成的分水线将大体沿一等位线分布并将组件场(例如参见图1中的MF+)分成多个区段，当一基本结构的总电压例如为10kV(以由10个PV模块构成、每个PV模块的总电压为1kV的基本结构为例)时，这些区段中只会产生较小且明确的电位差。
图4a和图4b为组件模块PVB的架高安装方案。首先是准备场地，例如铺设干沙SND。然后将绝缘膜IF摊在这部分干沙上。接着再在该绝缘膜上铺一层干沙，使绝缘膜IF埋置在沙子SND内。最后是以架高方式安装组件模块PVB。将部分区域的土壤或沙子SND连同绝缘膜IF堆积起来就可形成分水线或水障WS(见图3c)。
除架高外，也可按照图4b所示的布置方案进行安装，即每个组件模块PVB各位于一土墙的一侧。通过这种方式，不必采取大幅度的架高措施就可实现必要的倾斜，同时还能形成分水线。分水线的功能和作用下文还会联系图6和图7予以详细说明。
图5同样为光伏装置PVE的结构图，此处对两组件场MF+和MF-进行了详细图示。
每个组件场的中央都设有母线S+、S-。与母线连接的是内侧光伏模块PVB，其中设有相应的隔离开关TS。位于每个组件场外缘(即靠近集电环路SR的区域)的组件或模块PVB经隔离开关和二极管封装件TSDP与相应的集电环路连接。由此产生的基本结构使电位从集电环路SR朝中央母线S+或S-方向逐步上升或下降。最终，正极母线S+的电位为+500kV，负极母线的电位为-500kV。由此而产生的直流电压为1000kV(见图1中的Udc*)。如前文所述，每个组件场MF+、MF-下面均设有用于分隔或隔离组件场与地电位EP的绝缘膜。
如图6和图7所示，特定位置上的绝缘膜和土壤被升高以形成分水线WS。这些分水线沿所述基本结构分布，即大体处于等位线上，借此将每个基本结构(由多个组件PVB构成的串)与平行于该基本结构布置的结构予以电性隔离。
图6a以正极组件场MF+为例示出部分上述分水线WS的分布情况。当组件下面因下雨或残余水分而积水时，这部分积水会根据分水线WS的具体分布情况得到相应的捕集，从而形成多个沿等位线分布的水分聚集区FA。如此这般集中设置分水线WS后(另见图6b和图6c)，整个组件场将被分成多个窄带状区段，其分布与等位线的分布大体相符。借此可使得干燥或潮湿区域上只会产生较小的电位差(即一个基本结构上的电压降)，而且也不会出现大的漏电流。
如图7所示，可以用排水装置和/或抽运系统为积水区段排水。
所述排水系统和/或抽运系统特定而言具有用于抽吸积水的吸滤器ASF、排水管DR和泵P。这样在大雨过后也能迅速为组件场排水。作为使用泵或类似装置的替代或补充方案，可将分水线WS设置在不同高度的位置上，以便选择性地形成溢流点。优选应如此设计拓扑结构，使得较大水量主要通过所述分水线得到排放，必要时再选择性地使用溢流点。无法溢出的水再用固定安装的排水管或泵予以主动抽除。所述排水管优选也采用不导电的材料。
借助上述光伏装置PVE可以建立一个峰值功率约为558MW的-500kV/+500kV两极系统。在本实施例中，单个组件的数量为3237600个。每一极都实施为具有中央高压母线和外侧环绕式集电环路的组件场，所述集电环路为地电位或零电位。组件模块采用串联和/或并联，其中，埋设在土中的绝缘膜在组件场的整个面积范围内将组件场与地电位隔离。通过在部分区域升高土壤和绝缘膜可以形成分水线，从而使雨水和/或残余水分只能积聚在组件场内的等位线上。排水则可通过选择性地设置溢流点和/或主动抽吸来完成。
每个组件场的基本结构例如由10个相互间隔2米左右的串联组件模块构成。每一单个基本结构的长度约为380米，宽度约为5米。其平均电压约为7.95kV，峰值电压为9.68kV。所产生的电流的平均值约为28.2A，峰值约为31.5A。组件数量例如为1320个。峰值功率则为225kW。
每个组件模块又可具有例如132个长1.26米、宽0.81米的单个光伏组件PVM。每个PVM所产生的电压平均约为36V，最高为44V。所产生的电流平均为4.7A，最高约为5.25A。这132个组件以22x6的排布方式(即，排成6行，每行22个组件)安装在一框架结构上。该框架结构设计简单，无需设置绝缘件，其长度约为36米，宽度约为5米。采用这种安装方式的组件模块PVB将产生752V左右的平均电压和968V的峰值电压。平均电流约为28.2A，峰值电流为31.5A。
起电绝缘作用的绝缘膜IF可以满足表面绝缘电阻方面的要求，在场强约为10kV/m的情况下，表面电流很小，可以忽略不计。沿表面的静电场强平均约为1kV/m，雨后平行基本结构之间的静电场强在分水线的作用下可以上升至10kV/m左右。垂直于包括沙子在内的绝缘面的击穿电压约为500kV。组件场边缘(即环路SR附近)不需要这么高的要求。因此，绝缘膜和沙层的厚度可以朝边缘方向减小。绝缘膜材料可以采用硅橡胶、PVC、EPDM或聚醚砜。聚醚砜的击穿强度超过60kV/mm。干沙自身的击穿强度约为3.5kV/cm。由此得出绝缘膜的厚度约为0.5mm至10mm。
组件场内部所采用的布线方式使得组件场边缘的电位为零电位。电位朝中央(即居中布置的母线)方向对称且优选线性上升，最终达到例如+500kV。电位在负极侧相应呈线性下降，最终在该侧的母线处达到-500kV。
本发明大幅降低了架高安装PV组件所需的成本，并能提供可靠的防闪络或漏电流保护。本发明特别适用于大型光伏电站。
参考符号表
PVE        光伏装置
PVS        由多个基本结构构成的串
BS         由多个组件模块构成的基本结构
PVB        由多个组件构成的光伏模块或组件模块
PVM        光伏组件
MF+，MF-   组件场
S+，S-     母线(布置在中央)
SR         集电环路(环绕式，接地)
EP         地电位
Udc*       在高压范围内产生的直流电压
KBI        电缆(适用于高压，绝缘)
HGUE       高压直流输电线路
L1-L6      各种长度
AK         接线盒
RK         框架结构(适用于普通的架高安装)
IF         绝缘膜(埋设于沙内)
TSDP      隔离开关和二极管封装件
TS        隔离开关
WS        分水线
FA        水分聚集区
ASF       吸滤器
DR        排水管
P         泵
FA        水分聚集区
SND       沙子

Claims (12)

1.一种可连接到一高压直流输电线路(HGUE)的光伏装置(PVE)，其中，所述光伏装置(PVE)包括多个用于产生直流电压的光伏组件(PVM)，其特征在于，所述光伏组件(PVM)以并联和/或串联方式彼此相连以产生一直流电压(Udc*)，所述直流电压超过所述光伏组件的耐电强度且适合高压直流输送，以及所述直流电压(Udc*)的至少一极设有一组件场(MF+，MF-)，所述组件场包括一定数量(K)的光伏组件(PVM)，所述光伏组件相对于一中央母线(S+，S-)呈电位对称分布，其中，每个所述组件场(MF+，MF-)都被一处于地电位(EP)的环绕式集电环路(SR)包围。
2.根据权利要求1所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
每个所述组件场(MF+，MF-)均在至少一个平面绝缘元件的作用下与地电位(EP)隔离。
3.根据权利要求2所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
每个所述组件场(MF+，MF-)均在至少一个平面绝缘元件，特别是在一铺设在所述组件场(MF+，MF-)下面的绝缘膜(IF)结合沙子的作用下与地电位(EP)隔离。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
所述一定数量(K)的光伏组件(PVM)在每个所述组件场(MF+，MF-)内都相连成模块，其中，第一数量(N)的光伏组件(PVM)构成一组件模块(PVB)，每个所述组件场(MF+，MF-)内均设有第二数量(M)的组件模块(PVB)。
5.根据权利要求4所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
每个组件模块(PVB)都安装在一不具有绝缘元件或仅具有弱绝缘性绝缘元件的架高框架结构(RK)上并布置于所述组件场(MF+，MF-)内。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
所述光伏组件(PVM)和/或组件模块(PVB)在每个所述组件场(MF+，MF-)内都相对于所述布置在中央的母线(S+，S-)对称分布且其连接方式使得电位的绝对值从所述组件场(MF+，MF-)的边缘朝所述布置在中央的母线(S+，S-)方向上升，特定而言为线性上升。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
所述组件模块(PVB)在每个所述组件场(MF+，MF-)内都布置成基本结构(BS)，
所述基本结构相互串联呈波纹状分布并形成一串。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
每个所述组件场(MF+，MF-)内的所述光伏组件(PVM)和/或组件模块(PVB)下面的土壤局部设有大体沿等位线分布的分水线(WS)。
9.根据权利要求2和8所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
所述分水线(WS)由铺设在所述组件场(MF+，MF-)下面的绝缘膜(IF)特定而言结合干沙而构成。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的光伏装置(PVE)，其特征在于，
所述分区域布置的分水线(WS)构成雨水和/或残余水分的聚集区，设有用于为所述聚集区排水的溢流点和/或泵(PMP)。
11.一种供电系统，包括一高压直流输电线路(HGUE)和一可连接到所述高压直流输电线路(HGUE)的光伏装置(PVE)，其中，所述光伏装置(PVE)包括多个用于产生直流电压的光伏组件(PVM)，其特征在于，
所述光伏组件(PVM)以并联和/或串联方式彼此相连以产生一直流电压(Udc*)，所述直流电压超过所述光伏组件的耐电强度且适合高压直流输送，以及
所述直流电压(Udc*)的至少一极设有一组件场(MF+，MF-)，所述组件场包括一定数量(K)的光伏组件(PVM)，所述光伏组件相对于一中央母线(S+，S-)呈电位对称分布，其中，每个所述组件场(MF+，MF-)都被一处于地电位(EP)的环绕式集电环路(SR)包围。
12.根据权利要求11所述的供电系统，其特征在于，
每个所述组件场(MF+，MF-)均在至少一个平面绝缘元件，特别是在一铺设在所述组件场(MF+，MF-)下面的绝缘膜(IF)的作用下与地电位(EP)隔离。
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