CN104917202A - 串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置 - Google Patents

Abstract

一种串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，由H桥功率驱动电路、n个最大功率跟踪模块、汇流母排、避雷器、电压检测电路、高压隔离变压器、功率直流输出电路、控制器供电电路和控制器组成，n为2的整数。每个光伏组串的输出与一个最大功率跟踪模块的输入端连接，n个最大功率跟踪模块输出端与汇流母排并联。汇流母排还与H桥功率驱动电路的功率输入端、避雷器和电压检测电路输入端并联，H桥功率驱动电路的输出端与高压隔离变压器输入绕组端连接。高压隔离变压器的两个输出绕组分别与功率直流输出电路输入端和控制器供电电路输入端连接。控制器供电电路输出端与控制器电源输入端连接；控制器分别与最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路连接。

Description

串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置

技术领域

本发明涉及一种串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置。

背景技术

目前光伏电站在国家的政策激励下飞速发展。光照充足的一、二类地区光伏资源基本分布在西藏、新疆、青海、内蒙等边远或无人地区，大型光伏电站多建在这些地区。然而这些地区人烟稀少、交通不便、物资严重缺乏、建设成本高、生存条件差，工业基础差，又处于电网的末端或远离电网，光伏发电无法就地消纳。外送光伏电能远离电网，使得这些地区光伏电站的建设、运维成本及传输损耗大大增加，良好资源无法很好的利用。同样，一些荒山坡岭有良好的光照条件，但由于具备可建设光伏电站逆变器、控制室等条件的地点距离远不能利用。即便已建设光伏电站，也是选择相对电网较近的地方。无论是光伏电站的汇流箱与逆变器，还是逆变器与并网点的距离都非常远，也需要长距离输电，交流升压长线传输，分布电感、电容、电缆内阻都会造成电量的损失，因此损耗是面临的主要的问题。目前国内外大型光伏电站多采用集中型电站，如图6所示，大型集中式光伏电站为提高光伏电站容量，将所有的伏组串分成n组，如16串伏组串分为一组，每一组的光伏组串输出经汇流箱内并联输出。由此出现n台汇流箱，再将n台汇流箱分成n个单元，如8台汇流箱为一个单元，将一个单元的汇流箱输出在开关柜内并联输出，再将n个单元开关柜输出与逆变器输入端并联，逆变器转换输出交流经升压变压器升压并网，n为≥1的整数。存在以下不足：

电站远离并网点，无论是汇流箱与逆变器还是与并网点的距离相对都较远，传输损耗大；

集中式大功率逆变器采用光伏组串并联，对每串光伏组串无法独立进行MPPT最大功率点跟踪；汇流箱同样也无法对光伏组串/阵列实现功率优化，造成发电功率损失；

光伏组串汇流输出电压采用低电流大电缆，传输损耗大，以10MW电站为例，输出到逆变器输入端直流电压500V则电流为20000A；

由于逆变器功率不变，不能满足光伏方阵低功率输出时的功率匹配，功率大量损失，而且失配时逆变器输出的谐波增加；

所应用设备都是低电压大电流形式，如逆变器的通态损耗大；

由于逆变器输入电压低，使得并网输出采用升压变压器输出，增加损耗及成本；

由于汇流箱及逆变器无法检测组串、电缆、接线端子的拉电弧、虚接等故障问题，造成发电量损失及火灾引起的财产损失。

为降低光伏电站系统损耗，有效发挥光伏组件的最大发电效率，目前国内外在不同技术方向进行研究，如光伏组件级、光伏组串级、光伏方阵级的功率优化，然而应用并不理想，主要表现在：组件功率优化器安装在组件上，大型电站应用成本高；组串型逆变器的应用有限，在大型电站推广成本高；

再如，模块化逆变器虽可适应全程光伏方阵输出功率匹配，但由于无法实现光伏组串独立功率优化，应用较少；

又如，具有光伏组串功率优化、火灾监控预警的智能汇流箱，和目前无光伏组串功率优化、火灾监控预警的汇流箱比较，由于输出电流大、应用意识及成本高，应用受阻。

串联式光伏方阵具有输出电压高、电流小、独立的光伏组串功率优化、成本低等智能检测功能，是非常理想的光伏电站模式，但目前应用较少，其原因之一是在串联式光伏方阵中每个光伏组串高压隔离功率调节模块输出功率<15KW，应数该模块量多。如图2所示的光伏组串高压隔离功率调节模块电路原理，由于该模块采用一串或两串并联光伏组串经光伏组串高压隔离功率调节模块Pm_in+、Pm_in-输入，并由功率开关Q1、功率开关Q2、储能电感L1、储能电容C1、续流二极管D1、电流传感器A组成的升、降压电路与稳压电路、控制器及高压隔离变压器连接，组成光伏组串高压隔离调节最大功率跟踪模块。实现光伏组串MPPT最大功率跟踪、高压隔离及功率优化或升、或降电压输出。正常光照时MPPT跟踪电压经高压隔离变压器输出为串联式光伏方阵系统功率优化电压。由于云对光伏组串的影响，在串联式光伏方阵系统中各光伏组串输出功率不同。为满足串联式光伏方阵最大功率输出，串联式光伏方阵系统依据功率优化控制策略，调整每个光伏组串高压隔离调节最大功率跟踪模块或升、或降电压输出。由于该模块只有一串或两串并联光伏组串输入，而且MPPT最大功率跟踪与串联式光伏方阵功率优化采用同一升、降电压电路，所调整的串联式光伏方阵优化输出电压也就是调整改变该模块的光伏组串MPPT最大功率跟踪电压值，由此调整会造成光伏组串MPPT最大功率跟踪点偏离。由此也带来某个的光伏组串MPPT最大跟踪点偏离损失，但对串联式光伏方阵系统来讲，可获得最大的功率输出。

图5所示是由n台光伏组串高压隔离功率调节模块串联组成的串联式光伏方阵，串联式光伏方阵输出直流电压经模块化逆变器转换输出交流电压再并网。由于光伏组串输入数量≤2串，所以每个模块输出功率<15KW。如在容量10MW光伏电站应用，所需要的光伏组串高压隔离功率调节模块数量为：

10000KW/15KW＝667块，应用数量多，成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有集中式大型光伏电站中各环节功率损耗问题，如每个光伏组串无法实现独立MPPT最大功率点跟踪，效率损失大、低压大电流输电电缆设备损耗、大型变压器的功率损耗，远离并网点建电站成本高等缺点，以及现有串联式光伏方阵系统中的光伏组串高压隔离功率调节模块输出功率低，应用光伏组串高压隔离功率调节模块数量多等问题，提出一种串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置。本发明可提高串联式光方阵系统输出功率。

本发明所涉及的高压是指光伏组串输出电压的最大值1000V。

本发明采用以下技术方案：

本发明由H桥功率驱动电路、n个最大功率跟踪模块最大功率跟踪模块、汇流母排、避雷器、电压检测电路、高压隔离变压器、功率直流输出电路、控制器供电电路和控制器组成，n为>2的整数。

每个光伏组串的输出端与一个最大功率跟踪模块最大功率跟踪模块的输入端连接，n个最大功率跟踪模块的输出端与汇流母排并联，汇流母排还与一个H桥功率驱动电路的功率输入端，避雷器和电压检测电路输入端并联；H桥功率驱动电路的功率输出端与高压隔离变压器输入绕组端连接；高压隔离变压器的功率输出绕组和控制器供电输出绕组分别与功率直流输出电路的输入端和控制器供电的输入端连接；控制器供电电路的输出端与控制器电源的输入端连接；控制器还分别与n个最大功率跟踪模块最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路连接。

所述的H电桥率驱动电路由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H桥臂电路；每组H桥臂电路中，一只功率开关管功率输入端与另一只功率开关管的输出端串联，连接点为H桥臂电路的功率输出端；2组H桥臂电路的两端分别为H桥臂电路的正端和负端；2组H桥臂电路并联组成H桥功率驱动电路，并联后，所述的H桥臂电路的正端和负端也是H桥功率驱动电路的正端和负端，2组H桥臂电路的功率输出端也为H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H桥功率驱动电路的4个控制输入端。

所述的最大功率跟踪模块由储能电感、储能电容、功率开关、续流二极管和电流传感器组成。

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；功率开关的控制端与控制器光隔驱动电路对应输出端连接；所述的汇流母排的正负端分别与避雷器、电压检测电路、H桥功率驱动电路的正负输入端并联；所述电压检测电路由分压电阻与光耦合器件串联组成，分压电阻由两个电阻串联组成；分压电阻的一端与汇流母排正端连接，为电压检测电路的正输入端，分压电阻的另一端与光耦合器的输入正极连接；光耦合器的输入负极为电压检测电路的负输入端，光耦合器的输入负极与汇流母排负端连接；光耦合器的输出集电极与控制器唤醒电路的输入端连接，光耦合器的输出发射极与控制器电源地连接。

所述的高压隔离变压器由3个独立绕组组成，分别为输入绕组、功率输出绕组和控制器供电输出绕组。

所述的直流功率输出电路由高压隔离变压器功率输出绕组、两个隔离开关、大功率整流桥电路和滤波电容组成。高压隔离变压器功率输出绕组的两端分别与两个隔离开关的输入端连接，两个隔离开关的输出端与大功率整流桥电路的输入端连接，大功率整流桥电路的输出端与滤波电容并联，输出电压为Udc1。

所述的控制器供电电路由高压隔离变压器控制器供电输出绕组、整流桥电路、滤波电容、稳压电路、充电二极管和充电电池组成，分别提供控制器供电和对充电电池充电；高压隔离变压器控制器供电输出绕组的输出端与整流桥电路的输入端连接，整流桥电路的输出端分别与滤波电容的输入端、稳压电路的输入端连接，稳压电路的输出端与控制器的电源输入端连接，向控制器提供直流电压；同时稳压电路的输出端也与充电二极管的阳极连接，充电二极管的阴极分别与充电电池的正极和控制器启动电源输入端连接，分别对充电电池充电和控制器启动电源供电。

所述的控制器由CPU、A/D转换光隔采样电路、光隔驱动电路、双向通讯电路、唤醒输入电路和控制器电源输入、控制器启动电源输入端口组成；所述的A/D转换光隔采样电路的输入端分别与每个最大功率跟踪模块的电流传感器输出端连接，同时也和汇流电压监测点连接。所述的光隔驱动电路的输入端与控制器中CPU I/O端口连接，光隔驱动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连接，同时也和H桥功率驱动电路的4个控制输入端连接；双向通讯电路一端与控制器中CPU的通讯接口连接，双向通讯电路另一端通过光纤或无线与上位机连接，实时交换数据。

本发明的工作原理如下：

当太阳辐照量逐渐增加时，每串光伏组串输出功率提供每个最大功率跟踪模块电源，并在最大功率跟踪模块输出汇流母排上并联。当汇流母排正负端的电压逐步增加时，电压检测电路两端的电压同步升高，在回路中产生电流，该电流通过分压电阻、光耦合器，在两个分压电阻之间的连接点产生电压，该点也称为汇流电压监测点，电压检测电路通过监测该点电压的变化，实现对汇流母排正负端的电压变化检测。由于电压检测电路中的光耦合器输入有电流通过，光耦合器的输出集电极端输出低电平，并触发控制器唤醒电路。在控制器中有两组电源，一组为控制器电源，在光伏组串有功率输出时由控制器电源向控制器供电。另一组为充电电池，是在光伏组串没有功率输出时，控制器维持在睡眠状态，由充电电池向控制器启动电源输入微功耗供电。由于此时光伏组串输出满足触发控制器唤醒电压，控制器被唤醒，唤醒后的控制器进入默认控制工作模式。之后控制器通过A/D转换光隔采样电路分别采集所有最大功率跟踪模块的电流传感器电流和汇流母排电压。电流传感器串联连接在每个最大功率跟踪模块的正输入与最大功率跟踪模块正输出端之间，实时监测最大功率跟踪模块的工作电流变化。

此时控制器依据MPPT最大功率跟踪策略，通过控制器光隔驱动电路输出脉冲信号，控制最大功率跟踪模块的功率开关的开闭。最大功率跟踪模块中由储能电感、续流二极管、储能电容、功率开关组成BOOST电路，控制器依据BOOST电路工作原理，通过控制功率开关导通或关闭的占空比，改变储能电感输出的能量，经续流二极管输出，对储能电容充电或放电，改变光伏组串的输出电流和电压，实现对光伏组串最大功率跟踪，同时经电流传感器监测输出功率。此时电流传感器检测到最大功率跟踪模块输出电流的变化，并将检测电流数据上传到控制器，控制器依据此数据及电压检测电路检测得到的电压数据进行分析，给出下一时间的MPPT最大功率跟踪策略。为提高串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出功率，n个最大功率跟踪模块的输出端并联在汇流母排上，同时汇流母排还与避雷器、电压检测电路和H桥功率驱动电路并联。控制器将汇流母排汇流的最大功率跟踪模块输出电流汇总，并连同汇流母排电压监测点输出电压值，通过双向通讯电路将上述电流、电压数据上传到上位机。

所述的避雷器用于防止串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置内部电路由于雷电造成损伤。

经汇流母排汇流的n个最大功率跟踪模块输出功率再经过H桥功率驱动电路输出，加载到高压隔离变压器输入绕组上。n组光伏组串的输出功率经过H桥功率驱动电路，在控制器的控制下，H桥功率驱动电路依据串联式光伏方阵系统优化控制策略，将n组光伏组串的输出功率经高压隔离变压器磁耦合到输出功率绕组和控制器供电输出绕组上。

高压隔离变压器功率输出绕组输出交流电压，通过隔离开关、大功率整流桥电路整流，经滤波电容滤波转换成优化的直流电压输出。该输出的平均直流电压＝并网交流电压×/串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的串联个数，输出的直流优化功率＝n×最大功率跟踪模块输出功率-控制器供电功率；由于n×最大功率跟踪模块输出功率远大于控制器供电功率，因此，输出直流优化功率＝n×最大功率跟踪模块输出功率，n为>2的整数。

高压隔离变压器的控制器供电输出绕组输出交流电压，经整流桥电路整流、滤波电容滤波后输出直流电压，该直流电压经稳压电路稳压向控制器电源供电，提供控制器工作电源。稳压电路稳压后的输出同时经二极管分别向充电电池和控制器启动电源供电。所述的高压隔离变压器的控制器供电输出绕组输出交流电压，经整流、滤波输出的直流电压值≥稳压电路输入的下限值；由此高压隔离变压器输入绕组最低交流输入电压≥稳压电路输入的下限值//高压隔离变压器输入绕组与高压隔离变压器控制器供电输出绕组的变比。

本发明工作过程如下：

光伏组串受阳光辐照逐步增强时，光伏组串输出的直流电压同步升高，由于此时控制器没有被唤醒，最大功率跟踪模块处于失去控制状态，串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置无功率输出。此时光伏组串输出的直流电压通过最大功率跟踪模块直接输出到汇流母排，使与汇流母排并联的电压检测电路、H桥功率驱动电路功率输入同步升高。当电压检测电路两端电压升高，在分压电阻、光耦合器回路中产生电流，同时电压检测电路监测到汇流母排正负端的电压变化，在光耦合器集电极输出低电平，并触发控制器唤醒电路。由于控制器在睡眠状态由充电电池供电，处于微功耗供电，当光伏组串输出一旦满足触发控制器唤醒电压时，控制器被唤醒，唤醒后的控制器进入默认控制工作模式。之后控制器通过A/D转换光隔采样电路分别采集所有最大功率跟踪模块的电流传感器电流和电压监测点输出的电压。串联在最大功率跟踪模块的正输入与最大功率跟踪模块正输出端之间的电流传感器实时监测最大功率跟踪模块的工作电流变化。控制器将所有最大功率跟踪模块输出电流汇总，并连同汇流电压监测点输出电压值，通过双向通讯电路将采集数据上传到上位机。

当光伏组串输出功率逐步增高，控制器计算的最大功率跟踪模块输出电流汇总满足发电功率时，控制器进入正常控制工作模式。

控制器的工作模式及控制策略具体说明如下：

1、默认模式：

正常光照时，光伏组串输出功率使最大功率跟踪模块获得电压，最大功率跟踪模块输出电压将控制器唤醒，同时最大功率跟踪模块输出提供给H桥功率驱动电路的输入电压，被唤醒的控制器经光隔驱动电路输出默认PWM信号，控制H桥功率驱动电路的控制输入，由此高压隔离变压器输入绕组在H桥功率驱动电路的驱动下，将输出电压耦合到高压隔离变压器的功率输出绕组和控制器供电输出绕组，输出最低交流电压。由此控制器供电输出绕组输出的电压经整流、滤波输出最低直流电压，该直流电压提供稳压电路最低输入电压，经稳压电路稳压后向控制器电源供电，并经二极管向充电电池充电，此时控制器已完成由睡眠状态转换成工作状态，控制器电源由充电电池供电转换为稳压电路输出供电。

高压隔离变压器的功率输出绕组输出电压，经大功率整流桥电路整流、滤波电容滤波后输出最低直流电压。最低直流电压＝高压隔离变压器输入绕组最低交流输入电压×高压隔离变压器功率输出绕组/高压隔离变压器输入绕组×

2、正常工作模式：

当控制器已被唤醒，控制器由稳压电路输出供电，控制器进入正常工作模式。控制器中的CPU通过A/D转换光隔采样电路实时采集所有最大功率跟踪模块的电流传感器的电流信号和汇流电压监测点的电压信号，并将所采集的数据经双向通讯电路上传到上位机。上位机计算分析，并依据串联式光伏方阵系统优化控制策略，分配每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出电压、电流数据，并通过双向通讯电路将此输出电压、电流数据下发到每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置中的控制器中，控制器依据此数据控制H桥功率驱动电路输出电压、电流。

控制过程如下：控制器通过光隔驱动电路输出PWM信号，对应每个最大功率跟踪模块中的功率开关控制输入和H桥功率驱动电路4个控制信号输入进行控制。由于最大功率跟踪模块采用boost电路，其工作原理同boost电路，原理如下：当功率开关导通时，光伏组串输出功率给储能电感充电，使储能电感储能，储能电容放电，经电流传感器传送到汇流母排。当功率开关关闭时，储能电感放电，通过续流二极管对储能电容充电，并通过电流传感器传递到汇流母排。通过控制功率开关导通或关闭的占空比改变光伏组串的输出电流和电压，完成对光伏组串的最大功率跟踪，实现最大功率跟踪模块的最大功率输出。

当所有最大功率跟踪模块的输出在汇流母排并联时，使汇流母排输出功率增加。并联在汇流母排的H桥功率驱动电路，在控制器控制下，光伏组串通过最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路、高压隔离变压器的输入绕组输出功率。

高压隔离变压器功率输出绕组感应输出交流电压，并经隔离开关送到大功率整流桥电路整流，再经滤波电容滤波后输出优化直流电压。

所输出的优化直流电压是指：由于云的无规律遮挡造成光伏组串输出功率不同，使串联式光伏方阵系统中的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出功率也不同，为保证串联式光伏方阵系统输出功率最大，上位机依据串联式光伏方阵系统优化控制策略，优化分配串联式光伏方阵系统中的每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出电压，使所有串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置输出电压之和＝并网点交流电压×如无云遮挡时，光伏组串输出功率相同，同时经串联式光伏方阵系统优化控制策略分配每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出电压也相等，输出的优化直流电压＝并网点交流电压/串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置串联个数。

高压隔离变压器输出功率＝n×最大功率跟踪模块输出功率-控制器电源输出功率，由于控制器电源输出功率<<n×最大功率跟踪模块输出功率，控制器电源输出功率可忽略不计，所以高压隔离变压器输出功率＝n×最大功率跟踪模块输出功率，n为>2的整数，并与前述提及的多个n值相等。

当光照逐渐减弱时，所有光伏组串输出功率减小，使得最大功率跟踪模块逐步退出工作状态，汇流母排电压降低。此时与汇流母排并联的电压检测电路两端电压同步降低，流过分压电阻、光耦合器的输入电流逐渐减小，最终使光耦合器集电极输出高电平，控制器唤醒电路同时为高电平，控制器进入睡眠状态，所有最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路停止输出，在高压隔离变压器功率输出电压＝0V，输出直流内阻为零。

3、组串故障模式：

当控制器执行正常工作模式时，通过A/D转换光隔采样电路实时采集最大功率跟踪模块的电流、电压数据。当某个最大功率跟踪模块没有功率输出时，此时，控制器检测其他最大功率跟踪模块有功率输出，控制器开始累计故障时间，当达到一定时间该最大功率跟踪模块仍不工作，控制器进行故障标注。

本发明的安全监测控制策略如下：

在正常工作模式下，控制器通过A/D转换光隔采样电路实时采集最大功率跟踪模块的电流、电压数据。当监测到某个最大功率跟踪模块有电流电压波异常时，控制器分析波形特征，判断器故障原因，标注故障状态并采取措施，如拉电弧。控制器通过光隔驱动电路输出PWM信号，控制对应该最大功率跟踪模块的功率开关，使该最大功率跟踪模块降低电压输出。又如出现电缆虚连接的情况时，控制器通过光隔驱动电路输出PWM信号，中断该最大功率跟踪模块的功率开关的控制信号输入，该最大功率跟踪模块停止输出功率。

本发明采用的串联式光伏方阵功率优化输出策略如下：

当控制器被唤醒后，首先执行默认工作模式，通过A/D转换光隔采样电路采集所有最大功率跟踪模块的电流、电压数据进行分析，控制器依据MPPT最大功率跟踪原理，通过光隔驱动电路控制最大功率跟踪模块中功率开关控制输入步进升降压PWM信号，保证功率输出模块输出最大功率。

对由于云的无规律遮挡造成光伏组串输出功率不同，使串联式光伏方阵系统中的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出功率也不同，为保证串联式光伏方阵系统输出功率最大，上位机将所有串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出功率求和，再除以并网点交流电压×计算出串联式光伏方阵系统电流，再将每一个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出功率除以串联式光伏方阵系统的电流，计算出每一个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出电压，该输出电压为串联式光伏方阵系统功率优化控制策略的优化电压。上位机将此优化电压分配到串联式光伏方阵系统的每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，使所有串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置输出电压之和＝并网点交流电压×如在无云遮挡时，光伏组串输出功率相同，同时经串联式光伏方阵系统优化控制策略分配到每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出电压也相等，输出的优化直流电压＝并网点交流电压×/串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置串联个数。

当串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置中的控制器接收到上位机下发数据后，控制器依据此数据，通过光隔驱动电路输出PWM信号，该PWM信号控制H桥功率驱动电路的4个控制输入，H桥功率驱动电路通过高压隔离变压器的输入绕组输出功率，高压隔离变压器功率输出绕组经整流桥电路整流、滤波电容滤波输出优化直流电压。当将M台串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置输出串联，组成串联式光伏方阵，串联式光伏方阵的输出功率＝M×串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置输出功率之和，M为≥1的整数。每个串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的输出由一台上位机通过通讯链路协调控制。所以串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置的功率大小及数量决定了串联式光伏方阵系统的发电容量。

本发明具有以下优点：

光伏组串MPPT最大功率跟踪依据光伏组串特性，通过调整光伏组串的输出电压、电流找到光伏组串最大输出功率，可保证每串光伏组串最大发电效率。由于每串光伏组串的特性及某一时刻光照不同，光伏组串最大输出功率点也不同，所以为保证每串光伏组串最大发电效率，采用独立光伏组串MPPT最大功率跟踪；

串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置中的具有独立串联式光伏方阵功率优化功能的H桥功率驱动电路，保证每台串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置输出串联式光伏方阵功率优化；

多串输入光伏组串共用一个高压隔离变压器，成本低。

附图说明

图1本发明串联式光伏方阵高压隔离大功率串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置原理拓扑图；

图2现有光伏组串高压隔离功率调节模块电路原理拓扑图；

图3H桥功率驱动电路原理图；

图4光伏方阵高压隔离大功率调节装置的串联式光伏方阵电站直流高压传输拓扑结构图；

图5采用光伏组串高压隔离功率调节模块的串联式光伏方阵电站直流高压传输拓扑结构图；

图6现有大型集中式光伏电站典型拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明由H桥功率驱动电路、n个最大功率跟踪模块、汇流母排、避雷器BL、电压检测电路、高压隔离变压器T、功率直流输出电路、控制器供电电路和控制器组成，n为>2的整数。

每个光伏组串的输出端与一个最大功率跟踪模块的正输入端Pm_in+、负输入端Pm_in-连接，n个最大功率跟踪模块输出端Pm_out+、Pm_out-与汇流母排的正端H+、负极H-端并联。汇流母排的正端H+、负端H-同时与一个H桥功率驱动电路的功率输入端E+、E-端、避雷器BL和电压检测电路正负输入端并联，H桥功率驱动电路的2个功率输出端E1、E2与高压隔离变压器输入绕组L4的输入端le1、le2连接。高压隔离变压器功率输出绕组L2和控制器供电输出绕组L3，分别与功率直流输出电路输入端和控制器供电电路输入端连接。控制器供电电路输出端Uout与控制器电源输入端Vdc连接；控制器还分别与n个最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路连接。

如图3所示，所述的H电桥率驱动电路由4只功率开关管Q3～Q6和4只续流二极管D3～D6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Q3和Q4串联、功率开关管Q5和Q6串联，组成2组H桥臂电路；每组H桥臂电路中，一只功率开关管功率输入与另一只功率开关管的输出端连接，连接点为H桥臂电路的功率输出端；2组H桥臂电路的两端分别为H桥臂电路的正端E+和负端E-。2组H桥臂电路并联组成H桥功率驱动电路，并联后，所述的H桥臂电路的正端E+和负端E-也是H桥功率驱动电路的正端E+和负端E-，2组H桥臂电路的功率输出端E1、E2也为H电桥率驱动电路的2个功率输出端E1、E2，4只功率开关管Q3～Q6的控制输入端g3、g4、g5、g6也是H电桥率驱动电路的4个控制输入端g3、g4、g5、g6。

所述的最大功率跟踪模块由储能电感L1、储能电容C1、功率开关Q1、续流二极管D1和电流传感器A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输入端Pm_in+、负输入端Pm_in-连接，最大功率跟踪模块的正输入端Pm_in+与储能电感L1的一端连接，储能电感L1的另一端分别与功率开关Q1的正端Q+和续流二极管D1的正极连接，续流二极管D1的负极分别与储能电容C1的正极、电流传感器A的正输入端连接；电流传感器A的负输入端与汇流母排的正端H+连接，光伏组串的负输入端分别与功率开关Q1的负端Q-、储能电容C1负极、汇流母排负端H-连接；功率开关Q1的控制端g1与控制器光隔驱动电路U5对应的输出端gn_1连接；上述连接是典型boost升压电路连接方式。所述的汇流母排的正端H+和负端H-分别与避雷器BL、电压检测电路、H桥功率驱动电路的输入端E+、E-并联；

所述电压检测电路由分压电阻与光耦合器件U1串联组成，分压电阻由两个电阻R1、R2串联组成；分压电阻R1、R2的一端与汇流母排正端H+连接，为电压检测电路的正输入端，分压电阻R1、R2的另一端与光耦合器件U1的输入正极连接；光耦合器U1的输入负极为电压检测电路的负输入端，光耦合器的输入负极与汇流母排负端H-连接；光耦合器U1的输出集电极E3与控制器唤醒电路的输入端E5连接，光耦合器U1的输出发射极E6与控制器电源地E4连接。

所述的高压隔离变压器T由3个独立绕组组成，分别为输入绕组L4、功率输出绕组L2和控制器供电输出绕组L3。

所述的直流功率输出电路由高压隔离变压器功率输出绕组L2、两个隔离开关K1、K2、大功率整流桥电路U6和滤波电容C6组成。高压隔离变压器功率输出绕组L2的两端分别与第一隔离开关K1的输入端、第二隔离开关K2的输入端连接，第一隔离开关K1的输出端、第二隔离开关K2的输出端分别与大功率整流桥电路U6的输入端连接，大功率整流桥电路U6的输出端与滤波电容C6并联，输出电压为Udc1。

所述的控制器供电电路由高压隔离变压器控制器供电输出绕组L3与整流桥电路U7、滤波电容C7、稳压电路U2、充电二极管D9和充电电池U8组成，分别提供控制器电源和控制器启动电源；高压隔离变压器控制器供电输出绕组L3的输出端与整流桥电路U7的输入端连接，整流桥电路U7的输出端与滤波电容C7、稳压电路U2的输入端Uin并联，稳压电路的U2的输出端Uout与控制器的电源输入端Vdc连接，提供控制器的直流电压Udc2；同时稳压电路U2的输出端Uout也与充电二极管D9的阳极连接，充电二极管D9的阴极分别与充电电池U8的正极和控制器启动电源Vce的输入端连接，分别对充电电池U8充电和控制器启动电源Vce供电。

所述的控制器由CPU、A/D转换光隔采样电路U4、光隔驱动电路U5、双向通讯电路U3、唤醒输入电路E5、控制器电源Vdc输入和控制器启动电源Vce输入电路组成；所述的A/D转换光隔采样电路U4的输入端A_1～A_n、V_1～V_n分别与每个最大功率跟踪模块的电流传感器A的输出端连接，同时也和汇流电压监测点V1连接。所述的光隔驱动电路U5的输入端与控制器中CPU I/O端口连接，光隔驱动电路U5的输出端g1_1～gn_1、g_3～g_6分别与每个最大功率跟踪模块的功率开关Q1控制输入端g1连接，同时也和H桥功率驱动电路的4个控制输入端g3～g6连接；双向通讯电路U3另一端通过光纤或无线与上位主机控制器连接，实时交换数据。

以下结合附图说明采用本发明的电站与其他电站的性能比较：

图1所示的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，图2所示的是光伏组串高压隔离功率调节模块。都是串联式光伏方阵组成的一部分功能相同。但不同之处在于串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置有n串光伏组串输入，n为>2的整数。每串光伏组串各自独立有一个具有MPPT最大功率跟踪功能的最大功率跟踪模块，n串光伏组串经对应的最大功率跟踪模块输出之后并联，使输出功率增加，增加的功率提供一个串联式光伏方阵功率优化功能的H桥功率驱动电路并经一个高压隔离变压器输出优化功率，输出功率＝n×光伏组串输出功率。而图2所示的现有光伏组串高压隔离功率调节模块电路原理拓扑图是由一串或两串光伏组串并联输入，采用一个升、降压电路实现MPPT最大功率跟踪和串联式光伏方阵功率优化输出，同样经一个高压隔离变压器输出功率，输出功率＝2×光伏组串输出功率，如光伏组串输出功率≤7KW，则最大输出功率≤15KW。

图1所示的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置相比图2所示的是光伏组串高压隔离功率调节模块电路输出功率大，如16串光伏组串输入，则输出功率为16×7KW＝112KW，而图2所示则最大输出功率≤15KW。而且不会因某串光伏组串受云的影响，使其它光伏组串输出最大功率点跟踪偏离。

图4为采用多台串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置组成的串联式大型光伏方阵电站直流高压传输拓扑结构图，图5为采用多块光伏组串高压隔离功率调节模块的串联式光伏方阵电站直流高压传输拓扑结构图，其功能相同，但图4所示的每台串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置相比图5所示的每块光伏组串高压隔离功率调节模块输出功率大，在串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置与光伏组串高压隔离功率调节模块数量相同的条件下组成的串联式光伏方阵输出功率，图4所示远大于图5所示的串联式光伏方阵输出功率。如同样的串联式光伏方阵容量图4所示串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置远小于图5所示光伏组串高压隔离功率调节模块的应用数量。如以10MW容量的串联式光伏方阵为例，图5应用光伏组串高压隔离功率调节模块数量为＝10MW/15KW＝667块；而图4应用串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置数量为＝10MW/112KW＝89.2块，图4与图5相比应用数量相差悬殊，建设光伏电站的成本大大降低。

图4更突出发电单元每个环节发电量效率保障，在图6拓扑中无法实现每串光伏组串独立MPPT最大功率跟踪、汇流箱输出并联低电压大电流输电，电缆损耗大无法远距离输电、逆变器无法随光伏方阵输出功率变化逆变输出全程功率匹配。在图4整个发电环节中得到很好的解决，保障了光伏电站发电效率。

Claims (7)

1.一种串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的装置由H桥功率驱动电路、n个最大功率跟踪模块、汇流母排、避雷器BL、电压检测电路、高压隔离变压器T、功率直流输出电路、控制器供电电路和控制器组成，n为>2的整数；每个光伏组串的输出端与一个最大功率跟踪模块最大功率跟踪模块的输入端连接，n个最大功率跟踪模块的输出端与汇流母排并联，汇流母排还与一个H桥功率驱动电路的功率输入端，避雷器和电压检测电路输入端并联；H桥功率驱动电路的功率输出端与高压隔离变压器输入绕组连接；高压隔离变压器的两个输出绕组分别与功率直流输出电路的输入端和控制器供电的输入端连接；控制器供电电路的输出端与控制器电源的输入端连接；控制器还分别与n个最大功率跟踪模块最大功率跟踪模块、H桥功率驱动电路连接。

2.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的H桥率驱动电路由四只功率开关管和四只续流二极管组成，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；每只功率开关管反向并联一只续流二极管；每两只功率开关管串联，组成两组H桥臂电路；每组H桥臂电路中，一只功率开关管功率输入端与另一只功率开关管的输出端串联，连接点为H桥臂电路的功率输出端；两组H桥臂电路的两端分别为H桥臂电路的正端和负端；两组H桥臂电路并联组成H桥功率驱动电路，并联后，所述的H桥臂电路的正端和负端也是H桥功率驱动电路的正端和负端；两组H桥臂电路的功率输出端也为H桥功率驱动电路的两个功率输出端，四只功率开关管的控制输入端也是H桥功率驱动电路的四个控制输入端。

3.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的最大功率跟踪模块由储能电感、储能电容、功率开关、续流二极管和电流传感器组成；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；功率开关的控制端与控制器光隔驱动电路对应输出端连接。

4.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的汇流母排的正负端分别与避雷器、电压检测电路、H桥功率驱动电路的正负输入端并联；所述电压检测电路由分压电阻与光耦合器件串联组成，分压电阻由两个电阻串联组成；分压电阻的一端与汇流母排正端连接，为电压检测电路的正输入端，分压电阻的另一端与光耦合器的输入正极连接；光耦合器的输入负极为电压检测电路的负输入端，光耦合器的输入负极与汇流母排负端连接；光耦合器的输出集电极与控制器唤醒电路的输入端连接，光耦合器的输出发射极与控制器电源地连接。

5.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的直流功率输出电路由高压隔离变压器功率输出绕组、两个隔离开关、大功率整流桥电路和滤波电容组成；高压隔离变压器功率输出绕组的两端分别与两个隔离开关的输入端连接，两个隔离开关的输出端与大功率整流桥电路的输入端连接，大功率整流桥电路的输出端与滤波电容并联，输出电压为Udc1。

6.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的控制器供电电路由高压隔离变压器控制器供电输出绕组、整流桥电路、滤波电容、稳压电路、充电二极管和充电电池组成，分别提供控制器供电和对充电电池充电；高压隔离变压器控制器供电输出绕组的输出端与整流桥电路的输入端连接，整流桥电路的输出端分别与滤波电容的输入端、稳压电路的输入端连接，稳压电路的输出端与控制器的电源输入端连接，向控制器提供直流电压；同时稳压电路的输出端也与充电二极管的阳极连接，充电二极管的阴极分别与充电电池的正极和控制器启动电源输入端连接，分别对充电电池充电和控制器启动电源供电。

7.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离大功率调节装置，其特征在于，所述的控制器由CPU、A/D转换光隔采样电路、光隔驱动电路、双向通讯电路、唤醒输入电路和控制器电源输入、控制器启动电源输入端口组成；所述的A/D转换光隔采样电路的输入端分别与每个最大功率跟踪模块的电流传感器输出端连接，同时也和汇流电压监测点连接；所述的光隔驱动电路的输入端与控制器中CPU I/O端口连接，光隔驱动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连接，同时也和H桥功率驱动电路的4个控制输入端连接；双向通讯电路一端与控制器中CPU的通讯接口连接，双向通讯电路另一端通过光纤或无线与上位机连接，实时交换数据。