CN104218609B - 基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，包括正、负直流传输线，还包括并联的两组光伏逆变器及一升压变压器，每组光伏逆变器包括沿直流电压传输方向依次设置的Boost升压电路、直流母线、三相桥逆变器及交流滤波器，两组光伏逆变器的输出端共同连接至升压变压器；本发明所设计的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构既能够同时运行，也能够单套独立运行，加强了运行的可靠性，适用于大功率光伏逆变器，最大限度的提高光伏阵列的发电效率，拓宽了逆变器直流电压输入范围，提高了光伏阵列直流电压利用率，两路输出和并网变压器的两个三相绕组联接，能够等效提高开关频率，并降低并网电流的谐波。

Description

基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，特别是一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构。

背景技术

太阳能作为一种可持续的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力，我国76%的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀；与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声污染，应用技术成熟，安全可靠；除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能蓄能几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。

随着世界能源格局的变更，光伏发电日益成为各国竞相研究、大力发展的热点；光伏阵列和电网之间通过逆变器连接，光伏逆变器是光伏发电不可缺少的能量变换环节，其主要作用是将光伏阵列的直流电转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能，解决了低电压的穿越问题，通过最大功率点追踪技术，能够充分的利用太阳能，进一步提高发电效率。

现在光伏电站主流的光伏逆变器多为270V或315V的低压系统，方阵电压在1000V以内，通常以500kW为一个单元组，需要采用两套逆变器并联输出到三绕变压器；由于受到功率器件电流等级、电站线缆投入成本的限制，逆变器的启动电压一般为450V或500V，难以充分利用光伏阵列电压；一般光伏电站采用单极式拓扑，即每路500kW的正极和负极各2根240mm²的电缆（以直埋土中为例）。

单个大型光伏电站，内有多台逆变器，分属于不同生产厂家，现有光伏电站的直流系统拓扑大多采用单极式，以传统MW级光伏逆变器系统拓扑为例，为了提高逆变器的功率等级，若采用变流器并联容易产生环流问题，环流在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，并且降低了系统效率，使功率器件发热严重，甚至烧毁。

目前研究中常采用两种方式解决并联变流器系统中环流问题：一是在硬件上消除环流通道，二是采用适当的控制方法来抑制环流；通常采用硬件方式消除环流的方法为加隔离变压器，隔离变压器能够阻断交流侧的环流回路，消除环流，同时，采用不同形式的副边结构的隔离变压器，可以消除特定次谐波，降低对电网的污染，采用适当的控制方式抑制环流通常会使控制和测量系统复杂；多套直接并联方式中如果有一套出现短路故障，其它并联支路必须保护，从而降低了系统的可靠性；此外逆变器的容量较大，而交流和直流电压等级都较低，所需的直流或者交流传输电缆或母排增多，线路损耗和成本也会随之加大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，既能够同时运行，也能够单套独立运行，加强了运行的可靠性，适用于大功率光伏逆变器，最大限度的提高光伏阵列的发电效率，拓宽了逆变器直流电压输入范围，提高了光伏阵列直流电压利用率，两路输出和并网变压器的两个三相绕组联接，能够等效提高开关频率，并降低并网电流的谐波。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，包括正、负直流传输线，还包括并联的两组光伏逆变器及一升压变压器，每组光伏逆变器包括沿直流电压传输方向依次设置的Boost升压电路、直流母线、三相桥逆变器及交流滤波器，两组光伏逆变器的输出端共同连接至升压变压器。

技术效果：本发明采用双极结构，在直流线路发生单极直流故障时，故障极不会产生直流故障的过电流，不影响非故障极的正常运行，此时系统由正常运行模式切换到单极运行模式；在直流线路发生双极直流故障时，逆变器全部闭锁，此时直流所连接的光伏阵列与交流电网不再有能量交换。

本发明进一步限定的技术方案是：

进一步的，前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，每组光伏逆变器中均包括一普通电容、一电感、一普通二极管、一快恢复二极管、一功率开关管、一直流支撑电容及一放电电阻，其中；

第一光伏逆变器的具体结构为：第一Boost升压电路正输入端的一头接正直流传输线，另一头串联有一电感且经过该电感后分别连接一快恢复二极管的阳极及一功率开关管的集电极，第一Boost升压电路负输入端连接该功率开关管的发射极，正、负输入端之间设置有一充放电电容，直流母线中正、负母线的一端分别连接快恢复二极管的阴极及功率开关管的发射极，一直流支撑电容及一放电电阻并联设置在正、负母线之间，正、负母线的另一端接三相桥逆变器，旁路二极管的阳极接光伏阵列的正极且阴极接快恢复二极管的阴极；

第二光伏逆变器的具体结构为：第二Boost升压电路正输入端串联有一电感且经过该电感后分别连接一快恢复二极管的阳极及一功率开关管的集电极，第二Boost升压电路负输入端一头连接负直流传输线，另一头连接功率开关管的发射极，正、负输入端之间设置有一充放电电容，直流母线中正、负母线的一端分别连接快恢复二极管的阴极及功率开关管的发射极，一直流支撑电容及一放电电阻并联设置在正、负母线之间，正、负母线的另一端接三相桥逆变器，旁路二极管的阳极接光伏阵列的正极且阴极接快恢复二极管的阴极；

第一Boost升压电路的负输入端与第二Boost升压电路的正输入端共同接地。

前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，交流滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路中的任意两条分别串联一电容。

前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，交流滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。

前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，交流滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路中的任意两条分别分别串联一电容。

前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，交流滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。

前述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，升压变压器为三相三绕组并网变压器。

技术效果：每路光伏逆变器前级增加Boost并联二极管电路，拓宽了逆变器直流电压输入范围，提高了光伏阵列直流电压利用率；逆变器的两路输出和并网变压器的两个三相绕组联接，通过PWM移相控制策略，能够等效提高开关频率，并降低并网电流的谐波。

本发明还设计了一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构的应用方法，选取两个光伏阵列，具体操作类型如下：

（1）将第一光伏阵列的负极与第二光伏阵列的正极共同接地，第一Boost升压电路的负输入端与第二Boost升压电路的正输入端共同接地，即第一、第二光伏阵列及第一、第二Boost升压电路分别串联接地；

（2）将第一光伏阵列的负极、第二光伏阵列的正极、第一Boost升压电路的负输入端及第二Boost升压电路的正输入端用电缆相互连接，则只需将第一、第二光伏阵列串联接地或仅将第一、第二Boost升压电路串联接地。

有益效果：本发明中逆变器为双极性结构，光伏阵列直流回路通过中点串联且接地，逆变器的直流回路通过串联；如果光伏阵列和逆变器之间没有电缆连接，则逆变器串联接地，如果有电缆连接，则逆变器无需接地，从而无需提高光伏阵列、逆变器及整个系统的绝缘电压等级，直流回路电压为±Ud；

本发明中两个串联直流中点之间可以采用电缆连接或者不用电缆连接，有电缆连接时，单极运行时没有地电流，不会引起地电位的变化，没有电缆连接时，单极运行时有地电流产生；

本发明中逆变器采用两路逆变回路组成时，增大了逆变容量，而且上下两组并联的回路可以互为冗余，一个回路发生故障时，不影响其他回路正常运行；

本发明中并网变压器采用三相三绕组变压器，逆变器输出经滤波器后分别接原边的两个绕组，经电磁隔离后并联输出，从而减少了逆变器输出直接并联的数量，降低了环流；

当夜间光伏阵列无电压时，本发明中第一、第二Boost升压电路导通，即将光伏阵列的正负短路，这样可有效防治由于电位诱发衰减（PID）而引起的阵列输出功率下降；

本发明采用双极性单点接地的直流传输技术，相比于传统的单极直流传输可节省25%左右的电缆，若采用中性点两点接地的双极式结构，直流传输电缆能够节省50%。

附图说明

图1为本发明所设计的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构原理图；

图2为普通单级式光伏逆变器；

图3为带Boost电路的双级式光伏逆变器；

图4为带旁路二极管式Boost电路的双级光伏逆变器；

图5为本发明中串联点分别接地的示意图；

图6为本发明中串联点电缆连接的示意图；

图7为本发明中串联点电缆连接的示意图；

图8为本发明中LC滤波器电容星型联结示意图；

图9为本发明中LC滤波器电容角型联结示意图；

图10为本发明中LCL滤波器电容星型联结示意图；

图11为本发明中LCL滤波器电容角型联结示意图；

图12为本发明中的变压器结构形式1；

图13为本发明中的变压器结构形式2。

具体实施方式

如图1所示，本发明中+Ud侧逆变器和-Ud侧逆变器可分别使用不同功率等级逆变电路的并联，从而实现不同的光伏发电系统拓扑结构，各种电路拓扑结构基本原理相似，只是在逆变回路上有所差别，电路都由以下部分组成：串并联使用的光伏阵列、直流传输线路、光伏逆变器、交流滤波器和并网变压器；

如图2所示，逆变器为单级式光伏逆变器，根据启动电压的不同，可实现交流输出270V或315V或380V，此类型的逆变器效率高，能达到98.5%以上，但不能实现宽范围直流输入以提高光伏阵列的直流电压利用率，所以并不是理想选择；

如图3所示，带Boost升压电路的双级式光伏逆变器，能够实现宽范围直流输入，提高了光伏阵列的直流电压利用率，根据电站需求，可输出不同等级的交流电压，如270V，315V或380V。此类型的逆变器中，Boost电路中的电抗器L1和快恢复二极管D1一直处于工作状态，损耗较大，逆变器整机效率较单级式有所降低，也难以达到本发明的要求；

如图4所示，为Boost+旁路二极管的双级式光伏逆变器，当阵列电压较高时Boost切出运行，由二极管进行旁路，此结构不仅能够实现宽范围直流输入，提高了光伏阵列的直流电压利用率，而且降低了高输入电压时的系统损耗，高电压时逆变器的整机效率与单级式逆变器一样高；低电压时能够持续并网发电，大大提高电站的经济效益。

本发明所设计的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构中，光伏阵列经过串并联后形成两组，两组间串联使用，串联节点G1接地，输出母线直流电压正负两极；光伏逆变器将阵列输出的双极性直流电压逆变成两路三相交流电压，该部分包括两路逆变回路，每个逆变回路由直流电容、直流滤波器、Boost升压器、PWM逆变器、交流滤波器组成；逆变器的直流侧串中性点G2接地，交流侧通过滤波器输出两路三相电流，接三绕组并网变压器原边的两个绕组。并网变压器将逆变出的三相交流电压升压到10kV或35kV并入大电网；

逆变器直流侧为双极性结构，光伏阵列直流回路通过G1点串联，且G1点接地，逆变器的直流回路通过G2点串联，如果G1点和G2之间没有电缆连接，则G2点接地，如图5所示；如果有电缆连接，则G2点无需接地，如图6和图7所示；从而无需提高光伏阵列、逆变器及整个系统的绝缘电压等级，直流回路电压为±Ud。

两种拓扑结构形式中，交流滤波器的方案图如图8至图11所示，该滤波器可以采用LC结构滤波，也可以采用LCL结构滤波，两种滤波电路结构中，电容C都能够角型连接或星型连接；并网变压器低压侧采用双绕组，接逆变器输出的两路三相交流电压，如图12和图13，变压器能够采用Y,Y,d接线方式，也能够采用D,D,y接线方式。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，包括正、负直流传输线，还包括并联的两组光伏逆变器及一升压变压器，每组光伏逆变器包括沿直流电压传输方向依次设置的Boost升压电路、直流母线、三相桥逆变器及交流滤波器，两组光伏逆变器的输出端共同连接至升压变压器，其特征在于；

每组光伏逆变器中均包括一普通电容作为充放电电容、一电感、一普通二极管作为旁路二极管、一快恢复二极管、一功率开关管、一直流支撑电容及一放电电阻，其中；

第一光伏逆变器的具体结构为：第一Boost升压电路正输入端的一头接正直流传输线，另一头串联有一电感且经过该电感后分别连接一快恢复二极管的阳极及一功率开关管的集电极，第一Boost升压电路负输入端连接该功率开关管的发射极，正、负输入端之间设置有一充放电电容，所述直流母线中正、负母线的一端分别连接所述快恢复二极管的阴极及功率开关管的发射极，一直流支撑电容及一放电电阻并联设置在正、负母线之间，所述正、负母线的另一端接三相桥逆变器，所述旁路二极管的阳极接光伏阵列的正极且阴极接所述快恢复二极管的阴极；

第二光伏逆变器的具体结构为：第二Boost升压电路正输入端串联有一电感且经过该电感后分别连接一快恢复二极管的阳极及一功率开关管的集电极，第二Boost升压电路负输入端一头连接负直流传输线，另一头连接功率开关管的发射极，正、负输入端之间设置有一充放电电容，所述直流母线中正、负母线的一端分别连接所述快恢复二极管的阴极及功率开关管的发射极，一直流支撑电容及一放电电阻并联设置在正、负母线之间，所述正、负母线的另一端接三相桥逆变器，所述旁路二极管的阳极接光伏阵列的正极且阴极接所述快恢复二极管的阴极；

第一Boost升压电路的负输入端与第二Boost升压电路的正输入端共同接地。

2.根据权利要求1所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，其特征在于，所述交流滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路中的任意两条分别串联一电容。

3.根据权利要求1或2所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，其特征在于，所述交流滤波器为LC型滤波器，其三条线路上各串联一电感作为输入端，其输出端上，三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。

4.根据权利要求1或2所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，其特征在于，所述交流滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路中的任意两条分别串联一电容。

5.根据权利要求1或2所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，其特征在于，所述交流滤波器为LCL型滤波器，其三条线路上各串联有两个电感，即分别作为输入端和输出端，位于输入、输出端之间的三条线路分别各连接一电容的一端，三个电容的另一端连在一起。

6.根据权利要求1所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构，其特征在于，所述升压变压器为三相三绕组并网变压器。

7.基于权利要求6所述的基于双极式直流传输的光伏电站系统拓扑结构的应用方法，其特征在于，选取两个光伏阵列，具体操作类型如下：

(1)将第一光伏阵列的负极与第二光伏阵列的正极共同接地，第一Boost升压电路的负输入端与第二Boost升压电路的正输入端共同接地，即第一、第二光伏阵列及第一、第二Boost升压电路分别串联接地；

(2)将第一光伏阵列的负极、第二光伏阵列的正极、第一Boost升压电路的负输入端及第二Boost升压电路的正输入端用电缆相互连接，则只需将第一、第二光伏阵列串联接地或仅将第一、第二Boost升压电路串联接地。