CN104917394A - 串联式光伏方阵高压隔离装置 - Google Patents

Abstract

一种串联式光伏方阵高压隔离装置，由多绕组高压隔离变压器、功率优化单相或三相调压电路、直流功率输出电路组成。其中多绕组高压隔离变压器由n个输入绕组、调压输入绕组和功率输出绕组组成，n为≥1的整数。所述的多绕组高压隔离变压器的n个输入绕组的输入端分别与n台逆变器输出端对应连接。调压输入绕组输入端与功率优化单相或三相调压电路输出端连接。功率输出绕组输出端与直流功率输出电路输入连接。

Description

串联式光伏方阵高压隔离装置

技术领域

本发明涉及一种串联式光伏方阵高压隔离装置。

背景技术

目前国内外光伏电站的应用形式主要有集中型、分布式、离网等，围绕各种形式光伏电站，推出各种类设备，典型的设备有集中型、组串型逆变器，技术成熟，大批量地应用于市场。随着光伏电站快速发展，业主对光伏电站的要求越来越高，建设光伏电站的优秀资源越来越少，光伏电站的应用范围已向边远地区发展。由于边远地区建设电站远离并网点，采用现有技术建设成本高、传输损耗大，由此一种串联式光伏方阵光伏电站带来希望，它采用光伏组串输出串联结构，使光伏方阵输出电压高，电流小，降低传输损耗，使光伏电站发电效率提高，同时又降低成本，逐渐被关注。图4为由n个光伏组串高压隔离功率调节模块组成的串联式光伏方阵原理拓扑图。串联式光伏方阵中，n个光伏组串的输出端一一对应与n个光伏组串高压隔离功率调节模块的输入端连接，经n个光伏组串高压隔离功率调节模块DC/DC隔离端口输出后串联，n为＞2的整数。由于串联式光伏方阵中的光伏组串高压隔离功率调节模块等大部分设备需要进一步研发，面临着研发周期长、成本高、风险大困难，制约串联式光伏方阵的快速发展。

发明内容

本发明的目的是解决制约串联式光伏方阵快速发展的串联设备等研发周期长、成本高、风险大等问题，提出一种串联式光伏方阵高压隔离装置，可以整合各种并网逆变器设备。

本发明串联式光伏方阵高压隔离装置中的多绕组高压隔离变压器的多输入绕组与多台并网逆变器的输出一一连接，并网逆变器向串联式光伏方阵高压隔离装置的提供输入功率。并网逆变器由自配置的多路光伏组串供电，经逆变后为交流电流源输出。为保证并网逆变器锁相输出，在串联式光伏方阵高压隔离装置中利用功率优化单相或三相调压电路建立单相或三相输出电压源。多台并网逆变器依据串联式光伏方阵高压隔离装置中的单相或三相输出电压源的相位、频率、电压同步输出。串联式光伏方阵高压隔离装置将多台并网逆变器输出汇流后经高压隔离输出。

串联式光伏方阵是由m台串联式光伏方阵高压隔离装置串联组成，m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正负端依次串联。其中第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端与第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出负端与第3台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，依此类推第m-1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出负端与第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，组成串联式光伏方阵。而第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的正端为串联式光伏方阵的正输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端为串联式光伏方阵的负输出端。由此使串联式光伏方阵输出直流电压提高，可以满足并网点电压*1.414，输出电流减小，由于有若干台并网逆变器加入，实现高电压、小电流、大容量串联式光伏方阵系统。m为≥1的整数。

本发明采用以下技术方案：

本发明串联式光伏方阵高压隔离装置由多绕组高压隔离变压器、功率优化单相或三相调压电路和直流功率输出电路组成。多绕组高压隔离变压器的输入端与功率优化单相或三相调压电路的输出端连接，提供n台并网逆变器输出锁相的可调的单相或三相交流电压。多绕组高压隔离变压器的输出端与直流功率输出电路的输入端连接，将n台逆变器及功率优化单相或三相调压电路输出的交流功率经直流功率输出电路转换成直流输出。直流功率输出电路的输出也是串联式光伏方阵高压隔离装置的功率输出。n台并网逆变器分别由自配置的多路光伏组串供电。n为≥1的整数。

为实现串联式光伏方阵，将m台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出正负端，按当前台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出负端与下一台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出正端的依次串联连接。其中第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端与第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，依此类推第m-1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出负端与第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，组成串联式光伏方阵。而第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的正端为串联式光伏方阵的正输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端为串联式光伏方阵的负输出端，m为≥1的整数。输出电压为Us。

所述的多绕组高压隔离变压器由n个输入绕组、一个调压输入绕组和一个功率输出绕组组成，n为≥1的整数。

所述的多绕组高压隔离变压器的每个输入绕组对应与一台逆变器的输出端连接。所述的调压输入绕组输入端与功率优化单相或三相调压电路的输出端连接。功率输出绕组的输出端与直流功率输出电路输入端连接。

所述的直流功率输出电路由3个隔离开关、大功率三相整流桥电路和滤波电容组成。3个隔离开关的输入端也是直流功率输出电路的输入端，3个隔离开关的输入端分别与多绕组高压隔离变压器功率输出绕组的3个输出端连接，3个隔离开关的输出端与大功率三相整流桥电路的输入端连接，大功率三相整流桥电路的输出端与滤波电容并联，该并联点是直流功率输出电路的正输出端和负输出端。由此多绕组高压隔离变压器功率输出绕组输出的交流电压，经直流功率输出电路整流、滤波输出直流电压Udc1。其中大功率三相整流桥电路由6支整流二极管组成，连接方式同三相整流电路。

所述的功率优化单相或三相调压电路由CPU、A/D转换电路、光隔驱动电路、三相功率驱动电路、DC/DC电源、电源监测电路、电流传感器、光伏组串MPPT最大功率跟踪电路、T1双向通讯电路，以及T2双向通讯电路组成。光伏组串的输出端与光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的输入端连接。光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的正输出端分别与DC/DC电源的输入端和电流传感器的输入端连接。电流传感器的输出端与三相功率驱动电路的正输入端连接。光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的负输出端分别与光伏组串的输出端、三相功率驱动电路的负输入端、DC/DC电源地连接。三相功率驱动电路的输出端与多绕组高压隔离变压器的调压输入绕组连接。DC/DC电源的输出端与CPU电源的输入端连接。

电源监测电路由两支分压电阻组成，分压电阻的两端分别与三相功率驱动电路输入端连接，两个分压电阻之间的连接点为电压检测点。由此，光伏组串通过功率优化单相或三相调压电路实现最大功率输出的同时，也为功率优化单相或三相调压电路提供输出电源。

A/D转换电路的输入端分别与电流传感器数据输出端及电压检测点连接，A/D转换电路的输出端与CPU的A_I/O端口连接，CPU实时检测MPPT最大功率跟踪电路的最大功率点。光隔驱动电路的输入端与CPU的B_I/O端口连接，光隔驱动电路的输出端分别与每个MPPT最大功率跟踪电路的功率开关控制输入端连接，和三相功率驱动电路的6个控制输入端连接。T1双向通讯电路和T2双向通讯电路的一端分别与CPU的两个通讯接口连接，T1双向通讯电路的另一端与串联式光伏方阵高压隔离装置内连接的n台逆变器通讯端口连接、T2双向通讯电路的另一端通过光纤或无线与上位机连接。所述T1双向通讯电路通过通讯链路与串联式光伏方阵高压隔离装置内n台逆变器的通讯端口连接，接收n台逆变器上传数据，并由CPU对数据分析整合。T2双向通讯电路通过通讯链路与上位机连接，并将n台逆变器数据及CPU数据上传到上位机。T2双向通讯电路接收上位机数据，并将上位机数据传送给CPU，由此CPU依据逆变器、上位机数据对MPPT最大功率跟踪电路、三相桥功率驱动电路进行控制。

所述的MPPT最大功率跟踪电路由储能电感、储能电容、功率开关、续流二极管和电流传感器组成。光伏组串的正输出端与MPPT最大功率跟踪电路的正负输入端连接，最大功率跟踪电路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，该连接点也是MPPT最大功率跟踪电路的正输出端；电流传感器的负输入端与最大功率跟踪电路的正输出端连接，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、最大功率跟踪电路的负输出端连接；功率开关的控制端与光隔驱动电路对应输出端连接；上述连接是典型boost升压电路连接方式。

所述的三相功率驱动电路由6只功率开关管和6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。在每只功率开关管的输入、输出端反向并联一只续流二极管，即续流二极管的正极与功率开关管的输出端连接，续流二极管的负极与功率开关管的输入端连接。6只功率开关管中，每2只功率开关管串联，共组成3组功率开关管串联电路。每组功率开关管串联电路中，一只功率开关管的功率输入与另一只功率开关管的输出端连接，该连接点为功率开关管串联电路的功率输出端。每组功率开关管串联电路的两端分别为功率开关管串联电路的正、负端。三组功率开关管串联电路并联，组成三相功率驱动电路。并联的功率开关管串联电路的正、负端分别为三相功率驱动电路的正、负端，3个功率开关管串联电路的功率输出端为三相功率驱动电路的3个功率输出端，6只功率开关管的控制输入端为三相功率驱动电路的6个控制输入端。

本发明的工作原理如下：

基于现有并网逆变器原理，逆变器分为单相和三相电流源输出，电压、频率、相位必须与电网同步。为保证n台单相或三相逆变器在串联式光伏方阵高压隔离装置中正常工作，同时还要保证每台串联式光伏方阵高压隔离装置在串联式光伏方阵系统中输出功率优化，则必须在串联式光伏方阵高压隔离装置中建立一个输出可调的单相或三相交流电压源，由此在一台串联式光伏方阵高压隔离装置中只能接入一种类型逆变器单相或者三相逆变器。

由于串联式光伏方阵高压隔离装置是通过多绕组高压隔离变压器与n台并网逆变器输出连接，而n台并网逆变器分别由自配置多路光伏组串供电，n台并网逆变器通过功率优化单相或三相调压电路输出可调的单相或三相交流电压进行锁相，经串联式光伏方阵高压隔离装置功率输出。如n台逆变器输出功率分别为P1、P2……Pn，功率优化单相或三相调压电路输出功率为Pz，则串联式光伏方阵高压隔离装置输出功率Pe＝P1+P2+……Pn+Pz，n为≥1的整数。当正常光照下光伏组串输出功率提供MPPT最大功率跟踪电路电源，同时DC/DC也获得电源，DC/DC输出直流电压，由此CPU工作并通过电流、电压采样并依据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，控制最大功率跟踪电路的功率开关的开闭，实现MPPT最大功率跟踪。其中MPPT最大功率跟踪电路由储能电感、续流二极管、储能电容、功率开关组成BOOST电路，CPU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，并经电流传感器监测输出功率。此时CPU通过电流传感器检测到最大功率跟踪电路输出电流的变化，CPU依据此电流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。

当MPPT最大功率跟踪电路输出功率提供三相功率驱动电路电源时，CPU依据串联式光伏方阵高压隔离装置接入单相或三相逆变器类型设置，通过光隔驱动电路输出PWM信号，对三相功率驱动电路6个控制信号输入进行控制，并在三相功率驱动电路的功率输出端加载到多绕组高压隔离变压器调压输入绕组上。三相功率驱动电路依据串联式光伏方阵系统优化控制策略输出交流电压，经多绕组高压隔离变压器分别耦合到n台并网逆变器输出端和直流功率输出电路输入端。n台并网逆变器依据三相功率驱动电路输出交流电压进行锁相输出单相或三相交流电流，再经多绕组高压隔离变压器耦合到直流功率输出电路输入端。直流功率输出电路输入端的单相或三相交流电压，通过2个或3个隔离开关接通接入大功率三相整流桥电路整流，经滤波电容滤波转换成优化的直流电压输出。输出的直流功率＝n×逆变器输出功率+功率优化单相或三相调压电路输出功率，由于直流功率输出电路输出端也是串联式光伏方阵高压隔离装置的输出端，则串联式光伏方阵高压隔离装置的输出功率＝P1+P2+…Pn+Pz，n为≥1的整数。如P1+P2+……Pn>>Pz则串联式光伏方阵高压隔离装置的输出功率＝P1+P2+……Pn。

串联式光伏方阵系统由m台串联式光伏方阵高压隔离装置串联组成，由一台上位机通过通讯链路对每台串联式光伏方阵高压隔离装置统一协调控制。第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端与第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，依此类推第m-1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出负端与第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，组成串联式光伏方阵。而第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的正端为串联式光伏方阵的正输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端为串联式光伏方阵的负输出端，m为≥1的整数。光伏方阵输出电压为串联式光伏方阵高压隔离装置输出的平均直流电压＝Us/串联式光伏方阵高压隔离装置的串联个数。

在串联式光伏方阵高压隔离装置中，CPU控制的依据是，通过T1双向通讯电路与串联式光伏方阵高压隔离装置中n台逆变器通讯，获取每台逆变器实时数据，并将n台逆变器的输出功率与功率优化单相或三相调压电路的输出功率求和，即P1+P2+……Pn+Pz。CPU同时通过T2双向通讯电路与上位机通讯，将n台逆变器数据及CPU计算数据同时上传。上位机将串联式光伏方阵系统中的所有串联式光伏方阵高压隔离装置上传数据进行分析，并依据串联式光伏方阵系统功率优化策略，将数据下传到每台串联式光伏方阵高压隔离装置中，其中含有提供每台串联式光伏方阵高压隔离装置应输出的电压、电流数据。

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，并网逆变器获得功率，当满足功率优化单相或三相调压电路及并网逆变器工作条件时，即DC/DC获得电源，DC/DC输出直流电压Vdc，由此CPU工作并通过通讯链路与n台流源输出类型逆变器建立数据通讯，同时MPPT最大功率跟踪电路在CPU的控制下实现光伏组串最大功率跟踪输出，该功率通过三相功率驱动电路的功率输出端加载到多绕组高压隔离变压器调压输入绕组上，并在CPU的控制下默认输出50Hz单相或三相交流电压。

默认输出50Hz单相或三相交流电压经多绕组高压隔离变压器分别耦合到n台逆变器输出端和直流功率输出电路输入端。n台流源输出类型逆变器依据三相功率驱动电路输出的单相或三相交流电压进行锁相输出交流电流，经多绕组高压隔离变压器耦合到直流功率输出电路输入端，再经直流功率输出电路转化成直流电压输出。与此同时CPU通过上位机双向通讯链路，将n台逆变器及串联式光伏方阵高压隔离装置数据同时上传，上位机将读取串联式光伏方阵系统内所有串联式光伏方阵高压隔离装置的数据，统一分析计算并依据串联式光伏方阵系统控制策略，对串联式光伏方阵系统内的每台串联式光伏方阵高压隔离装置数据回传。每个串联式光伏方阵高压隔离装置依据此数据进行功率优化控制，进入正常工作模式。

控制工作模式及控制策略具体说明如下：

默认模式：

当光照逐渐增加时，光伏组串输出功率同步增加。当光伏组串输出功率满足功率优化单相或三相调压电路及逆变器工作时，首先功率优化单相或三相调压电路中DC/DC也获得电源，DC/DC输出直流电压Vdc，由此CPU工作并通过两组双向通讯电路与逆变器、上位机建立通讯，当确认通讯正常时，CPU依据程序设置经光隔驱动电路输出PWM信号，控制三相功率驱动电路，经多绕组高压隔离变压器调压输入绕组输出启动工作单相或三相交流电压，并将输出电压耦合到多绕组高压隔离变压器的功率输出绕组和n台并网逆变器输出绕组上，n台并网逆变器逆变器依据此交流电压进行锁相输出交流电流，并再经多绕组高压隔离变压器耦合到多绕组高压隔离变压器的功率输出绕组上，功率输出绕组将此电压通过直流功率输出电路转化成直流电压输出，而该直流电压输出也是串联式光伏方阵高压隔离装置的正负输出。与此同时CPU通过上位机双向通讯链路，将n并网逆变器台逆变器及串联式光伏方阵高压隔离装置数据同时上传。

为实现串联式光伏方阵功率输出，需将m台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出正负端，按当前台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出负端与下一台串联式光伏方阵高压隔离装置的输出正端的依次串联连接，其中第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压的负端与第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压正端连接，依此类推第m-1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压负端与第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压正端连接，组成串联式光伏方阵。而第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压的正端为串联式光伏方阵的输出电压正端，第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压的负端为串联式光伏方阵输出电压的负端，m为≥1的整数。

正常工作模式：

当串联式光伏方阵高压隔离装置完成默认模式时，上位机将读取串联式光伏方阵系统内所有串联式光伏方阵高压隔离装置的数据，统一分析计算并依据串联式光伏方阵系统功率优化控制策略，对串联式光伏方阵系统内的每台串联式光伏方阵高压隔离装置数据回传。每个串联式光伏方阵高压隔离装置依据此数据进行功率优化控制。

本发明采用的串联式光伏方阵系统功率优化控制策略如下：

当串联式光伏方阵高压隔离装置进入正常工作模式时，由于云的无规律遮挡造成逆变器输出功率不同，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装置的输出功率求和，再除以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装置，使所有如在无云遮挡时，逆变器输出功率相同，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装置的输出电压也相等，

当串联式光伏方阵高压隔离装置中的控制器接收到上位机下发数据后，CPU依据此数据及单相或三相逆变器类型设置，通过光隔驱动电路输出PWM信号，该PWM信号控制三相功率驱动电路的6个控制输入，在三相功率驱动电路经多绕组高压隔离变压器调压输入绕组输出优化工作单相或三相交流电压，并将输出电压耦合到多绕组高压隔离变压器的功率输出绕组和n台逆变器输出绕组上，n台逆变器依据此交流电压进行锁相输出单相或三相交流电流，并在经多绕组高压隔离变压器耦合到多绕组高压隔离变压器的功率输出绕组上，功率输出绕组将此电压通过直流功率输出电路转化成直流电压输出。当将M台串联式光伏方阵高压隔离置的输出端串联，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。

如以10MW光伏电站容量，并网交流电压10kV，选用逆变器输出功率40kW，输出电压等级为单向220V为例。暂不考虑功率优化单相或三相调压电路输出功率条件下，则逆变器数量＝10MW/40kW＝250台，如以2MW为一个串联式光伏方阵，需50台逆变器，采用2台逆变器输出接入串联式光伏方阵高压隔离装置，则串联式光伏方阵高压隔离装置串联数量＝50/2＝25台。串联式光伏方阵系统电压串联式光伏方阵高压隔离装置输出直流电压为Ue，则 考虑现有逆变器交流输出电压范围为180V～240V，取交流电压平均值＝210V则变压器变比＝400/210V＝1.9，由此计算出 串联式光伏方阵高压隔离装置串联最大串联数量＝14140V/484V＝29台，冗余数量＝29-25＝4台，串联式光伏方阵高压隔离装置最小串联数量＝14140V/645V＝23台，在串联式光伏方阵系统中串联数量25台时，允许有2台同时不工作时仍保证串联式光伏方阵系统正常工作。如串联式光伏方阵系统中采用最大串联式光伏方阵高压隔离装置串联数量29台，则最大冗余量＝4+2＝6，即允许有6台同时不工作时仍保证串联式光伏方阵系统正常工作。

依据串联式光伏方阵功率优化原理，如串联式光伏方阵系统电流为Is，串联式光伏方阵高压隔离装置输出功率为Pem，则串联式光伏方阵系统输出功率Ps＝Pe1+Pe2+……Pem；串联式光伏方阵系统电流Is＝Ps/Us。由于串联式光伏方阵是由25台串联式光伏方阵高压隔离装置串联组成，如每台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压为Uem，则Ue1+Ue2+…Ue25＝Us，串联式光伏方阵高压隔离装置输出电流＝Is，则有Uem＝Pem/Is，m为≥1的整数。

在正常辐照下，50台逆变器正常输出功率则Pe1＝Pe2＝…Pe25，Ps＝25×Pe25如Pem＝80kW则Ps＝25×80kW＝2MW，Is＝Ps/Us＝2MW/14140V＝141A，Ve1＝Pe1/Is＝80kW/141A＝567V，由于Pe1＝Pe2＝…Pe25则Ue1＝Ue2＝…Ue25＝567V。

由于2MW串联式光伏方阵系统Is＝141A，10MW光伏电站总电流＝5×Is＝141A×5＝705A，远远小于10MW集中型光伏电站输出电流20000A，大大减低传输损耗。

如由于云的遮挡某台逆变器输出功率降低20kW，造成该串联式光伏方阵高压隔离装置输出功率为60kW，其它24台串联式光伏方阵高压隔离装置输出功率都为80kW。为保证串联式光伏方阵最大功率输出，则依据功率优化策略对每台串联式光伏方阵高压隔离装置进行功率优化控制输出，则有Ps＝80kW×24+60kW＝1980kW，Is＝1980kW/14140V＝140A，则被遮挡串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压＝60kW/140A＝428.6V，正常串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压＝80kW/140A＝571.4V，Us＝571.4V×24+428.6V＝14142V。由此通过调整每台串联式光伏方阵高压隔离装置输出电压值，来保证串联式光伏方阵最大功率输出。

本发明具有以下优点：充分利用现有成熟产品，规避研发周期长、成本高、风险大、融资难等问题，实现快速产业化。

附图说明

图1本发明串联式光伏方阵高压隔离装置原理拓扑图；

图2功率优化单相或三相调压电路原理拓扑图；

图3三相功率驱动电路原理图；

图4为由n个光伏组串高压隔离功率调节模块组成的串联式光伏方阵原理拓扑图。

图5为由m个串联式光伏方阵高压隔离装置组成的串联式光伏方阵原理拓扑图。

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、图2所示，本发明串联式光伏方阵高压隔离装置由多绕组高压隔离变压器T、功率优化单相或三相调压电路U1、直流功率输出电路U2组成。多绕组高压隔离变压器T的输入端与功率优化单相或三相调压电路U1的输出端连接，提供n台并网逆变器输出锁相的可调的单相或三相交流电压。多绕组高压隔离变压器T的输出端与直流功率输出电路U2的输入端连接，将n台并网逆变器及功率优化单相或三相调压电路U1输出交流功率经直流功率输出电路U2转换成直流输出。该输出也是串联式光伏方阵高压隔离装置的功率输出Udc1。所述的多绕组高压隔离变压器T由n个输入绕组L1～Ln、一个调压输入绕组L和一个功率输出绕组Lo组成，n为≥1的整数。

所述的多绕组高压隔离变压器T的每个输入绕组L1～Ln的输入端对应与一台并网逆变器的输出端Po1～Pon连接。所述的调压输入绕组L输入端与功率优化单相或三相调压电路的输出端Poa、Pob、Poc连接。功率输出绕组Lo的输出端与直流功率输出电路U2输入端连接。

所述的直流功率输出电路U2由3个隔离开关K1～K3、大功率三相整流桥电路Dz和滤波电容C4组成。多绕组高压隔离变压器功率输出绕组Lo的3个输出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、第三隔离开关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、第二隔离开关K3的输出端分别与大功率三相整流桥电路Dz的输入端连接，大功率整流桥电路Dz的输出端与滤波电容C4并联，该并联点是直流功率输出电路U2的正输出端U+、负输出端U-，输出电压为Udc1。其中大功率三相整流桥电路Dz由D8～D13支整流二极管组成，连接方式同三相整流电路。

所述的功率优化单相或三相调压电路由CPU、A/D转换电路U6、光隔驱动电路U7、三相功率驱动电路U4、DC/DC电源U3、电源监测电路、电流传感器A、光伏组串MPPT最大功率跟踪电路U9、T1双向通讯电路和T2双向通讯电路组成。光伏组串的输出端与光伏组串MPPT最大功率跟踪电路U9的正输入端Pv_in+、负输入端Pv_in-连接。光伏组串MPPT最大功率跟踪电路U9的正输出端Pout+分别与电源监测电路、DC/DC电源U3的输入端Uin连接和电流传感器A输入端连接。电流传感器A的输出端与三相功率驱动电路U4的正输入端E+连接。光伏组串MPPT最大功率跟踪电路U9的负输出端Pout-分别与光伏组串负输出端、三相功率驱动电路U4的负输入端E-、DC/DC电源U3地GND连接。三相功率驱动电路U4的输出端Poa、Pob、Pc与多绕组高压隔离变压器的调压输入绕组端L连接。DC/DC电源U3出输出端Uout与CPU电源的输入端Vdc连接。电源监测电路由两支分压电阻R1、R2组成，分压电阻R1、R2的两端分别与三相功率驱动电路U4的输入端E+、E-连接，两只分压电阻R1、R2之间连接点为电压检测点V1。由此光伏组串通过功率优化单相或三相调压电路U2实现最大功率输出的同时，也为功率优化单相或三相调压电路U2提供输出电源。A/D转换电路U6的输入端A_1、V_1分别与电流传感器数据输出端A连接及电压检测点V1连接，A/D转换电路U6的输出端与CPU A_I/O端口连接，CPU实时检测MPPT最大功率跟踪电路U9的最大功率点。光隔驱动电路U7的输入端与CPU的B_I/O端口连接，光隔驱动电路U7的输出端g_1～g_7分别与每个MPPT最大功率跟踪电路U9的功率开关控制输入端g1连接和三相功率驱动电路的6个控制输入端g2～g7连接。T1双向通讯电路和T2双向通讯电路的一端分别与CPU的两个通讯接口连接，T1双向通讯电路的另一端T_DX1与串联式光伏方阵高压隔离装置内连接的n台并网逆变器通讯端口连接、T2双向通讯电路的另一端T_DX2通过光纤或无线与上位机连接。所述T1双向通讯电路T_DX1通过通讯链路与串联式光伏方阵高压隔离装置内n台并网逆变器的通讯端口连接，接收n台并网逆变器上传数据，并由CPU对数据分析整合。T2双向通讯电路T_DX2通过通讯链路与上位机连接，并将n台并网逆变器数据及CPU数据上传到上位机。T2双向通讯电路接收上位机数据，并将上位机数据传送给CPU，由此CPU依据并网逆变器、上位机数据对MPPT最大功率跟踪电路U9、三相桥功率驱动电路U4进行控制。

所述的MPPT最大功率跟踪电路U9由储能电感L1、储能电容C1、功率开关Q1和续流二极管D1组成。光伏组串的正负输出端与MPPT最大功率跟踪电路U9的正输入端Pv_in+、负输入端Pv_in-连接。MPPT最大功率跟踪电路U9的正输入端Pv_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正极连接，续流二极管D1的负极分别与储能电容C1正极、电流传感器A的输入端连接，该连接点也是MPPT最大功率跟踪电路U9的正输出端Pout+；电流传感器A的输出端与三相功率驱动电路U4的输入正端E+连接，光伏组串的负输入端分别与MPPT最大功率跟踪电路U9的负输入端Pv_in-、功率开关Q1的负端Q-、储能电容C1负极、MPPT最大功率跟踪电路U9的负输出端Pout-连接；功率开关Q1的控制端g1与光隔驱动电路U7对应输出端g_1连接；上述连接是典型boost升压电路连接方式。

如图3所示，所述的三相功率驱动电路U4由6只功率开关管Q2～Q7和6只续流二极管D2～D7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。在每只功率开关管的输入、输出端反向并联一只续流二极管，即续流二极管的正极与功率开关管的输出端连接，续流二极管的负极与功率开关管的输入端连接。6只功率开关管D2～D7中，每2只功率开关管串联，即D2与D3、D4与D5、D6与D7串联，共组成3组功率开关管串联电路。每组功率开关管串联电路中，一只功率开关管的功率输入与另一只功率开关管的输出端连接，该连接点为功率开关管串联电路的功率输出端，3组功率开关管串联电路的功率输出端为Pa、Pb、Pc，每组功率开关管串联电路的两端分别为功率开关管串联电路的正、负端。三组功率开关管串联电路并联，组成三相功率驱动电路U4。并联的功率开关管串联电路的正、负端分别为三相功率驱动电路U4的正、负端，3个功率开关管串联电路的功率输出端为三相功率驱动电路U4的3个功率输出端Pa、Pb、Pc，6只功率开关管Q2～Q7的控制输入端g2～g7为三相功率驱动电路U4的6个控制输入端g2～g7。

图1所示为本发明串联式光伏方阵高压隔离装置。现有并网逆变器为电流源输出，与电网50Hz频率、相位输出同步。而串联式光伏方阵则采用直流串联输出。所以在串联式光伏方阵高压隔离装置中对n台并网逆变器输出进行交流/直流转换，同时如图5所示，保证m台串联式光伏方阵高压隔离装置串联后，在串联式光伏方阵系统中优化功率输出，使串联式光伏方阵的U+、U－输出获得最大功率，n、m同为≥1的整数。由此本发明采用如下技术措施：

1、基于现有并网逆变器特性及并网条件，利用光伏组串输出为功率化调压电路提供电源，通过功率优化单相或三相调压电路建立一个可调电压源，满足并网逆变器单相或三相电流源输出的电压、频率、相位条件。

2、采用多绕组高压隔离变压器将n台单相或三相逆变器输出及功率优化单相或三相调压电路输出在串联式光伏方阵高压隔离装置中并联，n台单相或三相逆变器输出与功率优化单相或三相调压电路输出的50Hz频率、相位锁相输出，经直流功率输出电路输出直流功率。如n台逆变器输出功率分别为P1、P2……Pn，功率优化单相或三相调压电路输出功率为Pz，则串联式光伏方阵高压隔离装置输出功率＝P1+P2+……Pn+Pz，n为≥1的整数。

3、为保证每台串联式光伏方阵高压隔离装置在串联式光伏方阵系统中输出功率优化，本发明采用两组通讯电路分别与逆变器和上位机通讯，参见图5所示，将串联式光伏方阵高压隔离装置内的n台逆变器数据采集并上传到上位机，上位机依据串联式光方阵功率优化策略下发数据，串联式光伏方阵高压隔离装置中CPU依据此数据对三相功率驱动电路控制输出交流电压。

Claims (9)

1.一种串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的串联式光伏方阵高压隔离装置由多绕组高压隔离变压器、功率优化单相或三相调压电路和直流功率输出电路组成；多绕组高压隔离变压器的输入端与功率优化单相或三相调压电路的输出端连接，提供n台并网逆变器输出锁相的可调的单相或三相交流电压；多绕组高压隔离变压器的输出端与直流功率输出电路的输入端连接，将n台并网逆变器及功率优化单相或三相调压电路输出交流功率经直流功率输出电路转换成直流输出；直流功率输出电路的输出也是串联式光伏方阵高压隔离装置的功率输出，n台并网逆变器分别由自配置的多路光伏组串供电，n为≥1的整数。

2.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的多绕组高压隔离变压器由n个输入绕组、一个调压输入绕组和一个功率输出绕组组成，n为≥1的整数；

所述的多绕组高压隔离变压器的每个输入绕组的输入端分别对应与一台并网逆变器的输出端连接；所述的调压输入绕组的输入端与功率优化单相或三相调压电路的输出端连接；功率输出绕组的输出端与直流功率输出电路输入端连接。

3.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的直流功率输出电路由3个隔离开关、大功率三相整流桥电路和滤波电容组成；3个隔离开关的输入端也是直流功率输出电路的输入端，3个隔离开关的输入端分别与多绕组高压隔离变压器功率输出绕组的3个输出端连接，3个隔离开关的输出端与大功率三相整流桥电路的输入端连接，大功率三相整流桥电路的输出端与滤波电容并联，该并联点是直流功率输出电路的正输出端和负输出端；由此多绕组高压隔离变压器功率输出绕组输出的交流电压，经直流功率输出电路整流、滤波输出直流电压Udc1；其中大功率三相整流桥电路由6支整流二极管组成，连接方式同三相整流电路。

4.按照权利要求1所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的功率优化单相或三相调压电路由CPU、A/D转换电路、光隔驱动电路、三相功率驱动电路、DC/DC电源、电源监测电路、电流传感器、光伏组串MPPT最大功率跟踪电路、T1双向通讯电路，以及T2双向通讯电路组成；光伏组串的输出端与光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的输入端连接；光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的正输出端分别与DC/DC电源的输入端和电流传感器的输入端连接；电流传感器的输出端与三相功率驱动电路的正输入端连接；光伏组串MPPT最大功率跟踪电路的负输出端分别与光伏组串的输出端、三相功率驱动电路的负输入端、DC/DC电源地连接；三相功率驱动电路的输出端与多绕组高压隔离变压器的调压输入绕组连接；DC/DC电源的输出端与CPU电源的输入端连接。

5.按照权利要求4所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的电源监测电路由两支分压电阻组成，分压电阻的两端分别与三相功率驱动电路输入端连接，两个分压电阻之间的连接点为电压检测点。

6.按照权利要求4所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述A/D转换电路的输入端分别与电流传感器数据输出端及电压检测点连接，A/D转换电路的输出端与CPU的A_I/O端口连接，CPU实时检测MPPT最大功率跟踪电路的最大功率点；光隔驱动电路的输入端与CPU的B_I/O端口连接，光隔驱动电路的输出端分别与每个MPPT最大功率跟踪电路的功率开关控制输入端连接，和三相功率驱动电路的6个控制输入端连接；T1双向通讯电路和T2双向通讯电路的一端分别与CPU的两个通讯接口连接，T1双向通讯电路的另一端与串联式光伏方阵高压隔离装置内连接的n台并网逆变器通讯端口连接、T2双向通讯电路的另一端通过光纤或无线与上位机；所述T1双向通讯电路通过通讯链路与串联式光伏方阵高压隔离装置内n台并网逆变器的通讯端口连接，接收n台逆变器上传数据，并由CPU对数据分析整合；T2双向通讯电路通过通讯链路与上位机连接，并将n台逆变器数据及CPU数据上传到上位机连接。T2双向通讯电路接收上位机数据，并将上位机数据传送给CPU，由此CPU依据逆变器、上位机数据对MPPT最大功率跟踪电路、三相桥功率驱动电路进行控制。

7.按照权利要求4所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的MPPT最大功率跟踪电路由储能电感、储能电容、功率开关、续流二极管和电流传感器组成；光伏组串的正输出端与MPPT最大功率跟踪电路的正负输入端连接，最大功率跟踪电路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，该连接点也是MPPT最大功率跟踪电路的正输出端；电流传感器的负输入端与最大功率跟踪电路的正输出端连接，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、最大功率跟踪电路的负输出端连接；功率开关的控制端与光隔驱动电路对应输出端连接；上述连接是典型boost升压电路连接方式。

8.按照权利要求4所述的串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的三相功率驱动电路由6只功率开关管和6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。在每只功率开关管的输入、输出端反向并联一只续流二极管，即续流二极管的正极与功率开关管的输出端连接，续流二极管的负极与功率开关管的输入端连接；6只功率开关管中，每2只功率开关管串联，共组成3组功率开关管串联电路；每组功率开关管串联电路中，一只功率开关管的功率输入与另一只功率开关管的输出端连接，该连接点为功率开关管串联电路的功率输出端；每组功率开关管串联电路的两端分别为功率开关管串联电路的正、负端；三组功率开关管串联电路并联，组成三相功率驱动电路；并联的功率开关管串联电路的正、负端分别为三相功率驱动电路的正、负端，3个功率开关管串联电路的功率输出端为三相功率驱动电路的3个功率输出端，6只功率开关管的控制输入端为三相功率驱动电路的6个控制输入端。

9.按照权利要求1-8的任一台串联式光伏方阵高压隔离装置，其特征在于，所述的m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正负端依次串联，其中第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端与第2台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，依此类推第m-1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出负端与第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出正端连接，组成串联式光伏方阵；第1台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的正端为串联式光伏方阵的正输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离装置输出的负端为串联式光伏方阵的负输出端，m为≥1的整数。