CN105743121A - 一种直接并网型光伏电站电路拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接并网型光伏电站电路拓扑结构，属于电力电子技术领域。本发明包括各光伏组件、各DC?AC单元模块和控制系统，所述DC?AC单元模块包括第一H桥变换器、第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器，其中第一H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第二H桥变换器的交流侧相连，第二H桥变换器的直流侧与第三H桥变换器的直流侧相连；第一H桥变换器和第二H桥变换器视为一个整体，进行同步移相控制实现所有开关的软开关动作。本发明采用模块化设计，具有易扩展、可级联、高频化的优点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，主要涉及一种直接并网型光伏电站电路拓扑结构。
背景技术
目前，分布式光伏电站将迎来一个前所未有的发展机会。大型光伏电站的解决方案主要有两种解决方案，分别为集中式光伏电站和组串式光伏电站。而相应的集中式光伏并网电站电路结构则采用“组件-直流电缆-汇流箱-直流电缆-直流汇流配电柜-直流电缆-逆变器-隔离变压器-交流配电-电网”的连接方案；组串式光伏并网电站电路结构则采用“组件-直流电缆-逆变器-交流汇流箱-升压变压器-交流配电-电网”的连接方案。
图1为集中式光伏并网电站电路结构。集中式光伏并网电站电路设备功率在50kW到630kW之间，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变电路，工频隔离变压器的方式，防护等级一般为IP20。体积较大，室内立式安装。一般用于日照均匀的大型厂房，荒漠电站，地面电站等大型发电系统中，系统总功率大，一般是兆瓦级以上。
集中式光伏并网电站电路的主要优点是：1、逆变器数量少，便于管理；2、逆变器元器件数量少，可靠性高；3、谐波含量少，直流分量少，电能质量高；4、逆变器集成度高，功率密度大，成本低；5、逆变器各种保护功能齐全，电站安全性高；6、有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。
集中式光伏并网电站电路的主要缺点是：1、直流汇流箱故障率较高，影响整个系统；2、MPPT电压范围窄，一般为450-820V，组件配置不灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间短；3、逆变器机房安装部署困难、需要专用的机房和设备；4、逆变器自身耗电以及机房通风散热耗电，系统维护相对复杂；5、系统中组件方阵经过两次汇流到达逆变器，逆变器最大功率跟踪功能（MPPT）不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，当有一块组件发生故障或者被阴影遮挡，会影响整个系统的发电效率；7、系统中无冗余能力，如有发生故障停机，整个系统将停止发电。
图2 为组串式光伏并网电站电路结构。组串式光伏并网电站电路结构功率等级一般小于30KW，功率开关管采用小电流的IGBT，拓扑结构一般采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换，防护等级一般为IP65。体积较小，可室外臂挂式安装。一般适用于中小型屋顶光伏发电系统，小型地面电站。
组串式光伏并网电站电路的主要优势有：1、采用模块化设计，每个光伏串对应一个逆变器，直流端具有最大功率跟踪功能，交流端并联并网，其优点是不受组串间模块差异，和阴影遮挡的影响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量；2、MPPT电压范围宽，一般为250-800V，组件配置更为灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间长；3、逆变器的体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和设备，也不需要专门的配电室，在各种应用中都能够简化施工、减少占地，直流线路连接也不需要直流汇流箱和直流配电柜等；4、组串式还具有自耗电低、故障影响小、更换维护方便等优势。
组串式光伏并网电站电路的主要缺点有：1、电子元器件较多，功率器件和信号电路在同一块板上，设计和制造的难度大，可靠性稍差；2、功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区。户外型安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化；3、不带隔离变压器设计，电气安全性稍差，不适合薄膜组件负极接地系统，直流分量大，对电网影响大；4、多个逆变器并联时，总谐波高，单台逆变器THDI可以控制到2%，但很多台逆变器并联时，总谐波含量会增加；5、逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大；6、没有直流断路器和交流断路器，没有直流熔断器，当系统发生故障时，不容易断开；7、单台逆变器可以实现零电压穿越功能，但多机并联时，零电压穿越功能、无功调节、有功调节等功能实现较难。
发明内容
本发明目的是：针对当前集中式和组串式光伏并网电站电路存在的缺陷，提出了一种直接并网型光伏电站电路拓扑结构。相比于集中式光伏并网电站电路，该拓扑结构不尽省略了大容量工频升压变，而且具备较好的功率跟踪功能，同时具备结构紧凑、模块化设计的优点；而与组串式光伏并网电站电路相比，由于采用模块组件，不仅兼顾了宽范围MPPT的跟踪要求，而且通过小容量高频变压器的使用，实现了电气隔离和紧凑型结构设计。
具体地说，本发明所采取的技术方案是：包括各光伏组件、各DC-AC单元模块和控制系统；所述DC-AC单元模块包括第一H桥变换器、第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器，其中第一H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第二H桥变换器的交流侧相连，第二H桥变换器的直流侧与第三H桥变换器的直流侧相连；第一H桥变换器和第二H桥变换器视为一个整体，进行同步移相控制实现所有开关的软开关动作；各光伏组件接入各DC-AC单元模块的第一H桥变换器的直流侧；各DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流侧级联后通过传输电感接入电网；所述控制系统用于对整个光伏电站进行运行控制和监视保护，管控所有DC-AC单元模块的运行状态，并实现各DC-AC单元模块交流和直流两侧的协调统一控制。
上述技术方案的进一步特征在于，所述光伏电站电路拓扑结构为三相结构，分属于各相的DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流测级联后通过传输电感接入电网的相应相。
上述技术方案的进一步特征在于，所述隔离变压器隔离耐受电压不低于10kV。
上述技术方案的进一步特征在于，控制系统的控制策略包括交流侧并网控制策略和直流侧最大功率跟踪控制策略；所述交流侧并网控制策略包括全局控制策略、单相均压控制策略和H桥单元均压控制策略；所述全局控制策略是指实现所有的第三H桥变换器的直流电压之和恒定，同时实现并网电流按照单位功率因数运行跟踪电网电压；所述单相均压控制策略是指实现各单相所有的第三H桥变换器的直流电压之和恒定；所述H桥单元均压控制策略是指对每个第三H桥变换器进行功率调整，使得每个第三H桥变换器的直流电压相等；所述直流侧最大功率跟踪控制策略是指令各DC-AC单元模块的第一H桥变换器和第二H桥变换器追踪与其相连的光伏组件，保证各光伏组件按照最大功率进行输出。
本发明的有益效果如下：本发明采用模块化组件结构设计，能够降低光伏并网电站电路的体积、尺寸、占地面积等要求，具有易扩展、可级联的应用特点。同时具有宽范围的MPPT跟踪范围，能够最大程度的利用光伏组件效率；而且当单个DC-AC单元模块或光伏组件损坏时，并不影响其他模块的使用。在并网侧，该拓扑方案等效为H桥结构的级联拓扑，结合交错级联技术，能够在较低开关频率下得到较高的等效开关频率，能够在较大程度上减小电网谐波污染。
附图说明
图1为集中式光伏并网电站电路结构图。
图2为组串式光伏并网电站电路结构图。
图3为本发明的DC-AC单元模块的原理图。
图4为本发明的DC-AC单元模块级联电路结构图。
图5为本发明的DC-AC单元模块三相级联电路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，由各光伏组件、各DC-AC单元模块和控制系统组成，各光伏组件与各DC-AC单元模块的直流侧相连，各DC-AC单元模块的交流侧级联后通过传输电感接入电网，控制系统用于对整个光伏电站进行运行控制和监视保护，管控所有DC-AC单元模块的运行状态，并实现各DC-AC单元模块交流和直流两侧的协调统一控制。
各DC-AC单元模块的组成和原理如图3所示。详见图3，图中从左到右依次为第一H桥变换器、第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器。其中第一H桥变换器、第二H桥变换器和隔离变压器构成隔离性DC-DC变换器，其连接方式为第一H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第二H桥变换器的交流侧相连。各光伏组件接入各DC-AC单元模块的第一H桥变换器的直流侧。第三H桥变换器作为可级联的交流并网端口，其直流侧与第二H桥变换器的直流侧相连，各DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流侧级联后通过传输电感接入电网。在控制时，第一H桥变换器和第二H桥变换器视为一个整体，进行同步移相控制实现所有开关的软开关动作。
为满足高压（10kV及以上电网系统）直接并网接入的要求功能，对隔离变压器的容量、工作频率和耐压等级提出一定要求。本实施例中的隔离变压器的技术参数为：1）满足原副变隔离耐受电压不低于10kV；2）额定工作电压800~2500V；3）工作频率不低于10kHz；4）容量大于45kW。
各DC-AC单元模块级联电路结构如图4所示。图中的Cell.1-Cell.n即为各DC-AC单元模块。该结构既能够实现直流侧低压小容量光伏组件的接纳，又具备交流侧级联升压接入大电网实现直接并网的条件。隔离变压器的引入，不仅能够实现大电网与光伏组件的电气隔离，也能够实现紧凑型、模块化的结构设计。
本实施例还包括三相结构的电路拓扑，如图5所示。光伏电站电路拓扑结构为三相结构，分属于各相的DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流测级联后通过传输电感接入电网的相应相。
控制系统的控制策略包括交流侧并网控制策略和直流侧最大功率跟踪控制策略。
交流侧并网控制策略采用三层控制策略，即：
1）全局控制策略，要求实现所有的第三H桥变换器（包括A、B、C三相）的直流电压之和恒定，同时实现并网电流按照单位功率因数运行跟踪电网电压。
2）单相均压控制策略，采用负序电流注入的方式，实现相间功率微调，保证各单相所有的第三H桥变换器的直流电压之和恒定，从而实现三个单相的等效直流母线电压相等。
3）H桥单元均压控制策略。由于直流侧为光伏组件，无法保障所有模块的功率出力相等，因此需要每个第三H桥变换器具备功率调整的能力，以保证每个第三H桥变换器直流电压相等；由于级联结构所限，单相的所有第三H桥变换器的电流相等，因此采用Q轴分量调节的方法，控制第三H桥变换器端口的交流电压改变功率输出，实现每个第三H桥变换器电压恒定。
直流侧最大功率跟踪控制策略是指令各DC-AC单元模块的第一H桥变换器和第二H桥变换器追踪与其相连的光伏组件，保证各光伏组件按照最大功率进行输出。
有以上说明可以看出，本实施例主要针对集中式和组串式光伏并网电站的缺陷进行改进，通过隔离变压器进行功率传递和电气隔离，能够较大程度上降低光伏逆变器的体积、重量和占地面积，有利于光伏电站整体效益的提升。DC-AC单元模块包括H桥结构和隔离变压器。由于H桥结构具有结构一致的特点，有利于整机装置的工业化生产应用，同时结合H桥模块化和级联化的特点，能够通过简单的扩展，即可实现不同电压等级的扩容设计，又可对低压光伏组件进行MPPT跟踪。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (4)
1.一种直接并网型光伏电站电路拓扑结构，其特征在于：包括各光伏组件、各DC-AC单元模块和控制系统；
所述DC-AC单元模块包括第一H桥变换器、第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器，其中第一H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第二H桥变换器的交流侧相连，第二H桥变换器的直流侧与第三H桥变换器的直流侧相连；第一H桥变换器和第二H桥变换器视为一个整体，进行同步移相控制实现所有开关的软开关动作；
各光伏组件接入各DC-AC单元模块的第一H桥变换器的直流侧；
各DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流侧级联后通过传输电感接入电网；
所述控制系统用于对整个光伏电站进行运行控制和监视保护，管控所有DC-AC单元模块的运行状态，并实现各DC-AC单元模块交流和直流两侧的协调统一控制。
2.根据权利要求1所述的直接并网型光伏电站电路拓扑结构，其特征在于，所述光伏电站电路拓扑结构为三相结构，分属于各相的DC-AC单元模块的第三H桥变换器的交流测级联后通过传输电感接入电网的相应相。
3.根据权利要求1或2所述的直接并网型光伏电站电路拓扑结构，其特征在于，所述隔离变压器隔离耐受电压不低于10kV。
4.根据权利要求2所述的直接并网型光伏电站电路拓扑结构，其特征在于：控制系统的控制策略包括交流侧并网控制策略和直流侧最大功率跟踪控制策略；
所述交流侧并网控制策略包括全局控制策略、单相均压控制策略和H桥单元均压控制策略；所述全局控制策略是指实现所有的第三H桥变换器的直流电压之和恒定，同时实现并网电流按照单位功率因数运行跟踪电网电压；所述单相均压控制策略是指实现各单相所有的第三H桥变换器的直流电压之和恒定；所述H桥单元均压控制策略是指对每个第三H桥变换器进行功率调整，使得每个第三H桥变换器的直流电压相等;
所述直流侧最大功率跟踪控制策略是指令各DC-AC单元模块的第一H桥变换器和第二H桥变换器追踪与其相连的光伏组件，保证各光伏组件按照最大功率进行输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20170322 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: Nanjing Nari Co., Ltd. Applicant after: STATE GRID JIANGSU ELECTRIC POWER COMPANY Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: Nanjing Nari Co., Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20160706 |