CN108429282B - 一种中高压光伏发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中高压光伏发电系统，其光伏组串采用中高压绝缘耐压等级的绝缘子实现与大地之间的隔离，使光伏组串能够串联到更高电压等级，接入各自对应的级联模块之后，各个级联模块的串联输出能够通过三相滤波器并入10kV等级电网，而不再需要常规电站中的电力升压变压器或者高频隔离型DC/DC变换器，相比常规系统方案提升了系统效率。

Description

一种中高压光伏发电系统
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种中高压光伏发电系统。
背景技术
当前的光伏发电领域中，一般由22块(1000V系统)左右或34块(1500V系统)左右的低压光伏组件串联后接并网逆变器，并网逆变器输出几百伏交流电压(如315V、360V、400V等)，再通过电力升压变压器并入10kV、35kV、110kV等级的中高压电网。
然而，电力升压变压器的使用，导致系统体积大、笨重，而且并网逆变器与电力升压变压器两级变换下的系统效率难以进一步提高，系统最高效率低于98％。
另外，现有技术中还存在包括高频隔离型DC/DC变换器和逆变器的两级式技术方案，然而该方案中采用的高频隔离型DC/DC变换器，由于其输入输出电压增益需要有较宽的范围，因此其效率难以做高，从而使得此方案的系统效率低于或相接近于常规方案系统效率。
发明内容
本发明提供一种中高压光伏发电系统，以解决现有技术中系统效率低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种中高压光伏发电系统，包括三相滤波器和三个分别通过所述三相滤波器以星形或三角形接法实现连接的相电路，所述相电路中包括一个或者两个串联的桥臂，所述桥臂包括：至少一个级联模块、至少一个光伏组串和至少一个绝缘子，所述光伏组串包括多个光伏组件；所述桥臂中：
各个所述级联模块的交流端级联，级联后的两端作为所述桥臂的输出端；
所述级联模块的直流端与至少一个所述光伏组串相连；
所述光伏组串通过所述绝缘子与大地实现隔离；
所述光伏组件与地面之间的距离大于预设高度；
所述绝缘子为中高压绝缘耐压等级的绝缘子。
优选的，所述光伏组串中的至少两个光伏组件，共用一个绝缘子接地，或者，分别通过一个或多个各自对应的绝缘子接地。
优选的，当所述光伏组串中的至少两个光伏组件共用一个绝缘子接地时，所述桥臂中还包括：至少一个支架，所述支架设置于各个所述光伏组件与所述绝缘子之间，或者，所述绝缘子与地面之间。
优选的，最大功率点跟踪MPPT控制由所述级联模块实现。
优选的，所述桥臂中还包括：多个汇流箱；所述级联模块的直流端至少连接一个所述汇流箱的输出端，所述汇流箱的输入端与至少一个光伏组串相连。
优选的，所述桥臂中还包括：多个绝缘子，用于实现所连接的汇流箱与大地之间的隔离。
优选的，所述桥臂中还包括：设置于所述光伏组件周边的防雷线，所述防雷线上设置有至少一个接地点。
优选的，所述光伏组串中包括多个串联连接的子串，且相邻子串之间通过开关实现连接；所述子串中包括多个光伏组件。
优选的，当所述相电路中包括一个桥臂时，所述桥臂的输出端作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连；
当所述相电路中包括两个串联的桥臂时，所述两个串联的桥臂分别作为所述相电路的上下桥臂；所述上下桥臂之间依次通过两个第一电感实现连接，两个所述第一电感之间的连接点作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连；或者，所述上下桥臂之间通过一个带中心抽头的第二电感实现连接，所述第二电感之间的中心抽头作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连。
优选的，当所述相电路中包括一个桥臂时，所述级联模块中的主电路为：H桥拓扑或者带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑；
当所述相电路中包括两个串联的桥臂时，所述级联模块中的主电路为：H桥拓扑、带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑、半桥拓扑及带非隔离DC/DC变换器的半桥拓扑中的任意一种。
本发明提供的中高压光伏发电系统，其光伏组串采用中高压绝缘耐压等级的绝缘子实现与大地之间的隔离，使光伏组串能够串联到更高电压等级，接入各自对应的级联模块之后，各个级联模块的串联输出能够通过三相滤波器并入10kV等级电网，而不再需要常规电站中的电力升压变压器或者高频隔离型DC/DC变换器，相比常规系统方案提升了系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a至图2b是本发明实施例提供的中高压光伏发电系统的主电路的四种结构示意图；
图3a至图4b是本发明实施例提供的级联模块中主电路的四种电路示意图；
图5a至图9c是本发明实施例提供的光伏组串的十四种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种中高压光伏发电系统，以解决现有技术中系统效率低的问题。
参见图1a至图2b，该中高压光伏发电系统，包括三相滤波器200和三个分别通过三相滤波器200以星形或三角形接法实现连接的相电路，相电路中包括一个桥臂100(如图1a和图1b所示)，或者，相电路中包括两个串联的桥臂100(如图2a和图2b所示)，桥臂100包括：至少一个级联模块101、至少一个光伏组串和至少一个绝缘子，光伏组串包括多个串联、并联或者串并联的光伏组件；桥臂100中：
各个级联模块101的交流端级联，级联模块101的连接线缆采用高压线缆，级联后的两端作为桥臂100的输出端；
级联模块101的直流端与至少一个光伏组串相连，参见图1a和图2a；
光伏组串通过绝缘子与大地实现隔离；
光伏组件与地面之间的距离大于预设高度；
绝缘子为中高压绝缘耐压等级的绝缘子，具体的，其绝缘耐压等级达到10kV及以上等级。
优选的，参见图1b和图2b，桥臂100中还包括：多个汇流箱102；级联模块101的直流端至少连接一个汇流箱102的输出端，汇流箱102的输入端与至少一个光伏组串相连。
更为优选的，桥臂100中还包括：多个绝缘子，用于实现所连接的汇流箱102与大地之间的隔离。
如图1a和图1b所示，当相电路中包括一个桥臂100时，桥臂100的输出端作为相电路的输出端，与三相滤波器200相连；各个相电路可以通过三相滤波器200以星形接法接入电网(如图1a和图1b所示)，也可以通过三相滤波器200以三角形接法接入电网(未进行图示)；此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
如图2a和图2b所示，当相电路中包括两个串联的桥臂100时，两个串联的桥臂100分别作为相电路的上下桥臂；上下桥臂之间依次通过两个第一电感实现连接，两个第一电感之间的连接点作为该相电路的输出端，与三相滤波器200相连；或者，上下桥臂之间通过一个带中心抽头的第二电感实现连接，该第二电感之间的中心抽头作为相电路的输出端，与三相滤波器200相连；各个相电路可以通过三相滤波器200以星形接法接入电网(如图2a和图2b所示)，也可以通过三相滤波器200以三角形接法接入电网(未进行图示)；此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
另外，当相电路中包括一个桥臂100时，级联模块101中的主电路为：H桥拓扑(如图3a所示)或者带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑(如图3b所示)。当相电路中包括两个串联的桥臂100时，级联模块101中的主电路为：H桥拓扑(如图3a所示)、带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑(如图3b所示)、半桥拓扑(如图4a所示)及带非隔离DC/DC变换器的半桥拓扑(如图4b所示)中的任意一种；此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
实际应用中，各个级联模块101可以均位于一个装置中；三相滤波器200包括但不限于L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器、高阶滤波器等，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
在IEC61730-2标准中对光伏组件的应用等级进行了定义，其中A级为公众可接近的、危险电压、危险功率条件下应用，通过本等级鉴定的光伏组件可用于公众可接触的、大于直流50V或240W以上的系统；B级为限制接近的、危险电压、危险功率条件下应用，通过本等级鉴定的光伏组件可用于以围栏、特定区划或其他措施限制公众接近的系统。常规光伏发电系统中光伏组件的应用等级为A级，1000V系统和1500V系统对应的系统最高电压为1000V和1500V，主要是保证在光伏电站现场进行光伏组件安装维护工作的工作人员操作安全，以及其他非相关人员、牲畜误入电站时的安全，防止受到电击伤害。如果对于某些场地可以确保将人员、牲畜同光伏电站隔离，那么可以串联更多数目的光伏组件，提高系统最高电压，构成B级应用。
因此，本实施例利用高电压等级的绝缘子将光伏组串和大地绝缘隔开，实际应用中，所采用的绝缘子本体可以具有10kV及以上的绝缘耐压等级，从而使得光伏组件对地达到10kV及以上的绝缘耐压等级。在此种条件下，低压光伏组件则可串联到更高电压等级。比如，将低压光伏组件串联到18kV，然后连接高压光伏逆变器，光伏逆变器则可直接连接10kV等级电网并网，而不再需要常规电站中的电力升压变压器，或者高频隔离型DC/DC变换器，将系统最高效率从传统方案的98％提升为99％，也即本实施例相比常规系统方案提升了系统效率，而且同现有电力系统的交流输配电架构更加紧密结合。
值得说明的是，现有技术中所采用的升压电力变压器夜间空载损耗较高。并且，采用的压电力变压器时，逆变器控制并网输出电流为单位功率因数，这个并网电流通常指逆变器的滤波器之后的电流，也即升压电力变压器的低压侧，然而由于逆变器和升压电力变压器连接线缆存在阻抗、变压器原副边漏感和励磁电感的存在，因此，升压电力变压器的高压侧电流将不是单位功率因数。同样，当逆变器夜间工作于无功补偿工作模式时，升压电力变压器输出电流的功率因数并不能够精确地跟上指令值。
而本实施例提供的该中高压光伏发电系统，省去了电力升压变压器，也就意味着系统不再有夜间电力升压变压器空载损耗、变压器低压侧功率因数与实际电网端并网功率因数不一致等问题。并且，由于采用绝缘子将光伏组件同大地隔开，起到了减小光伏组件漏电流的作用，从而减缓了光伏组件的衰减，提高光伏电站整个生命周期的发电量及减小维护成本。另外，本实施例还能够避免现有技术采用高频隔离型DC/DC变换器所带来的的成本较高的问题。此方案在沙漠、荒漠等无人/少人地区尤为适用，可以将发电站做封闭式管理。
优选的，MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制由级联模块101实现。
本实施例能够实现每一个级联模块101独立MPPT控制功能，一个系统具有N个级联模块101，就意味着系统具有N路独立的MPPT。相比于常规的光伏阵列作一个MPPT控制而言，就算某一个级联模块101连接的光伏组件发生遮挡或损毁，也不会影响其他级联模块101连接的光伏组件实现MPPT控制，从而使得系统发电量实现最优最大化。
对于绝缘子的具体设置方式，本发明另一实施例在上一实施例及图1a至图4b的基础之上，给出了如下几种实现方式可供选择：
光伏组串中的至少两个光伏组件，共用一个绝缘子接地(如图5a所示)，或者，分别通过一个(如图5b所示)或多个各自对应的绝缘子接地。
优选的，该中高压光伏发电系统中的桥臂中还包括：至少一个支架，支架设置于各个光伏组件与绝缘子之间，或者，绝缘子与地面之间。
具体的，当光伏组串中的至少两个光伏组件共用一个绝缘子接地时，桥臂100中包括的支架个数可以为任意正整数；比如当支架的个数为1个时，该支架设置于各个光伏组件与绝缘子之间(如图6a所示)，或者，该支架设置于绝缘子与地面之间(如图6b所示)；而当支架的个数大于1时，多个支架分别设置于绝缘子与各个光伏组件之间(如图6c所示)，或者，绝缘子与地面之间(未进行图示)。
并且，当光伏组串中的至少两个光伏组件分别通过一个或多个各自对应的绝缘子接地时，桥臂100中包括的支架个数也可以为任意正整数；比如当支架的个数为1个时，该支架设置于各个绝缘子与地面之间(如图7a所示)，或者该支架设置于各个光伏组件与各个绝缘子之间(未进行图示)；而当支架的个数大于1时，多个支架可以分别设置于各自对应的光伏组件与绝缘子之间(如图7b所示)，或者，多个支架也可以分别设置于各自对应的绝缘子与地面之间(如图7c所示)。
图5a至图7c均是绝缘子与光伏组串之间可实现的连接方式，但是并不仅限于此；另外，光伏组件、支架及绝缘子之间也不存在个数的对应关系，可以视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
当光伏组件采用绝缘子垫高同大地隔开之后，组件防雷击将是一个大的技术难题。如果防雷措施不完善，将直接导致大量光伏组件烧毁，造成大的经济损失和重复的人力、物力投资。
因此，本发明另一实施例提供了另外一种中高压光伏发电系统，在上述实施例及图1a至图7c的基础之上，优选的，桥臂100中还包括：设置于光伏组件周边的防雷线，防雷线上设置有至少一个接地点。
该防雷线通过光伏组件的支架或其他装置设备接地，其接地点个数大于等于1；
该防雷线位于光伏组件或者光伏组串的附近，包括但不限于光伏组件或者光伏组串的上方、侧方，如图8a、图8b及图8c所示。
本实施例通过上述方式很好地解决了在光伏组件垫高条件下的防雷击问题，使得系统安全性、可靠性和免维护性得到大大加强。
值得说明的是，图8a、图8b及图8c仅为几种示例，还可以结合图6a至图7b所示的绝缘子设置方式，此处不再一一展示，均在本申请的保护范围内。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
当光伏组件采用绝缘子垫高实现同大地之间的隔离之后，大量的光伏组件串联所构成的光伏组串，其电压等级较高，使安装维护的工作人员无法对其直接进行操作。
因此，本发明另一实施例提供了另外一种中高压光伏发电系统，在上述实施例及图1a至图8c的基础之上，优选的，参见图9a至图9c，光伏组串中包括多个串联连接的子串，且相邻子串之间通过开关实现连接；该子串中包括多个串联、并联或者串并联的光伏组件。
初始安装时，先搭建安装完成所有的子串，再将相邻子串用处于断开状态的开关连接，连接完成以后再闭合开关。
光伏组件维护时，先断开所需要维护的光伏组件所在子串两侧的开关，再对相应的光伏组件进行维护操作。
本实施例通过上述方法，可以将光伏组串按照一定电压等级进行分割，分割后的每一子串电压等级较低，方便工作人员进行安装维护。此方法极大提高了对于高电压等级组串的可维护性。
值得说明的是，图9a、图9b及图9c仅为几种示例，其各个子串与绝缘子的连接方式还可以结合图5a、6a至图6c及图7b所示的方式，此处不再一一展示，均在本申请的保护范围内。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种中高压光伏发电系统，其特征在于，包括三相滤波器和三个分别通过所述三相滤波器以星形或三角形接法实现连接的相电路，所述相电路中包括一个或者两个串联的桥臂，所述桥臂包括：至少一个级联模块、至少一个光伏组串和至少一个绝缘子，所述光伏组串中包括多个串联连接的子串，且相邻子串之间通过开关实现连接；所述子串中包括多个光伏组件；所述桥臂中：
各个所述级联模块的交流端级联，级联后的两端作为所述桥臂的输出端；
所述级联模块的直流端与至少一个所述光伏组串相连；
所述光伏组串通过所述绝缘子与大地实现隔离；
所述光伏组件与地面之间的距离大于预设高度；
所述绝缘子为中高压绝缘耐压等级的绝缘子，用于提升所述光伏组串串联的电压等级，使所述中高压光伏发电系统不再需要常规电站中的电力升压变压器，或者高频隔离型DC/DC变换器。
2.根据权利要求1所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，所述光伏组串中的至少两个光伏组件，共用一个绝缘子接地，或者，分别通过一个或多个各自对应的绝缘子接地。
3.根据权利要求1所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，所述桥臂中还包括：至少一个支架，所述支架设置于各个所述光伏组件与所述绝缘子之间，或者，所述绝缘子与地面之间。
4.根据权利要求1所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，最大功率点跟踪MPPT控制由所述级联模块实现。
5.根据权利要求1-4任一所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，所述桥臂中还包括：多个汇流箱；所述级联模块的直流端至少连接一个所述汇流箱的输出端，所述汇流箱的输入端与至少一个光伏组串相连。
6.根据权利要求5所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，所述桥臂中还包括：多个绝缘子，用于实现所连接的汇流箱与大地之间的隔离。
7.根据权利要求1-4任一所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，所述桥臂中还包括：设置于所述光伏组件周边的防雷线，所述防雷线上设置有至少一个接地点。
8.根据权利要求1-4任一所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，当所述相电路中包括一个桥臂时，所述桥臂的输出端作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连；
当所述相电路中包括两个串联的桥臂时，所述两个串联的桥臂分别作为所述相电路的上下桥臂；所述上下桥臂之间依次通过两个第一电感实现连接，两个所述第一电感之间的连接点作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连；或者，所述上下桥臂之间通过一个带中心抽头的第二电感实现连接，所述第二电感之间的中心抽头作为所述相电路的输出端，与所述三相滤波器相连。
9.根据权利要求8所述的中高压光伏发电系统，其特征在于，当所述相电路中包括一个桥臂时，所述级联模块中的主电路为：H桥拓扑或者带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑；
当所述相电路中包括两个串联的桥臂时，所述级联模块中的主电路为：H桥拓扑、带非隔离DC/DC变换器的H桥拓扑、半桥拓扑及带非隔离DC/DC变换器的半桥拓扑中的任意一种。
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