A～c三相交流串联式光伏方阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能光伏发电系统。
【背景技术】
[0002] 目前光伏电站在国家的政策激励下飞速发展，而光伏方阵是光伏发电系统的重要 组成之一，由光伏组串串并联组成的方阵容量大小直接影响系统的发电量。光伏组串由若 干块光伏组件串联组成，串联的光伏组件数量最多为22块，光伏组件串联的数量主要取决 于组件承受的耐压。目前国内外光伏组件串联后的组串电压< 1000V，功率最大< 7kWp。 为提高发电功量，国内外采两种方式：一是用大量光伏组串并联组成并联方阵，增大输出电 流，提高并联方阵功率输出，再经逆变器逆变交流输出，此方法称为集中式或并联式结构， 如图6所示。二是如图7所示的组串型光伏发电系统，采用一种组串型逆变器，将多组光伏 组串直接输入组串型逆变器中，首先对每个光伏组串进行独立MPPT最大功率点跟踪，之后 在并联逆变交流输出。此类型功率、体积较小，安装方便。为进一步增加功率，再由多台组串 型逆变器通过交流汇流柜并联。两种类型其实质都是组串之间的并联，电压低< 1000V，电 流大，电缆设备损耗大，汇流设备多，电缆数量多，而且逆变器为电流型拓扑结构，功率损耗 大。集中式或并联式则要求光伏串性能参数相近，又无法实现组串独立最大功率点（MPPT) 自动跟踪，使功率损失，而且需要相对规模的逆变器室安装及配套相关设施，使建设成本及 管理成本提高。由于位于屋顶分布式电站应用面积所限，为满足各组串电压相等安装组串 时必须考虑取舍，造成有限的面积浪费。组串式逆变器由于并网数量多，以IOMff电站为例 采用28kW组串式逆变器，则有357台逆变器并联，极易引起系统震荡，特别并网点处于大电 网的尾端、弱电网和远离负载时，容易由于震荡造成脱网。大面积的脱网会给业主造成近 千万的损失。再有，受光伏组串的并联结构所限，必须依据并网电压等级提高每串光伏组串 并联输出电压，才能满足逆变器的输入启动电压基本条件，如在380v交流电网系统中，光 伏组串输出直流电压>400vX力才能满足启动逆变器基本工作条件，启动电压高所获得电 量有限。
[0003] 同样，受光伏组串的并联结构输入直流电压< 1000 v所限，只能满足逆变器交流 输出电压< 400v等级系统无变压器并网，更高电压等级并网则须经变压器升压输出。
[0004] 由此，将多组光伏组串再串联提高输出电压，降低传输电流，增加功率，可使光伏 组串更低的电压输出能量被利用，减少电缆及汇流设备数量，满足更高等级无变压器并网， 减小DC/AC转换设备的体积，采用模块化结构自然风冷却，就近安装，将传统集中型逆变器 化整为零，降低设备成本，提高光伏组串发电效率，适应分布式、大型光伏电站及未来中、高 电压直流输电的需求。
[0005]目前光伏系统升压输出基本有四种方式，一为光伏组串并联，经汇流、逆变器、交 流变压器升压输出，多为集中式；二为光伏组串并联，经逆变器交流汇流，再经变压器升压 输出，多为组串式；三为伏组串并联，经汇流经、DC/DC有限的升压输出。其实质还是利用大 量光伏组串之间并联来提高光伏方阵输出功率，其缺点除线路、设备损耗大之外，在相对高 压交流输出时还需要升压变压器升压输出；四为串联式直流光伏方阵，利用光伏组串隔离 装置将光伏组串与光伏组串进行高压隔离，并由光伏组串隔离装置输出直流功率，再将若 干台光伏组串隔离装置正负输出端依次串联组成串联式直流光伏方阵，串联式直流光伏方 阵输出高压直流提供高压逆变器输入直流电压，在由高压逆变器转换交流并网输出。由于 串联式直流光伏方阵采用直流输出，则存在着如下不足：
[0006] 1.整流器输出损耗：每个光伏组串隔离装置AC/DC转换输出时，采用高压整流电 路，由于整流二级管的正向导通电压降，造成输出功率在高压整流二级管上增加了损耗。 如整流二级管正向导通压降为IV，流过电流为50A，则一支高压整流二级管上损耗为50W， 如采用全桥整流则损耗为100W。如光伏直流方阵容量为IMff，直流电压等级为±10kV，输 出电流为50A，如需要光伏组串隔离装置50台，则串联式直流光伏方阵总的整流器损耗= 100W*50 台=5000W 占输出功率的 5KW/1000KW = 0· 5% ;
[0007] 2.由于串联式直流光伏方阵采用直流输出，如交流输出并网则需要直流高压输入 逆变器转换交流输出并网。
【发明内容】
[0008] 本发明目的是克服现有并联光伏组串，并网逆变器占地面积大、逆变器输出电压 低电流大，造成传输线路和配套设备损耗严重，成本高等缺点，提出一种A~C三相交流串 联式光伏方阵。
[0009] 本发明A~C三相交流串联式光伏方阵，由三个单相交流串联式光伏方阵和星角 型并网平衡控制器组成。三个单相交流串联式光伏方阵通过角型连接或星型连接，组成角 型三相交流串联式光伏方阵或星型三相交流串联式光伏方阵。三相交流串联式光伏方阵与 星角型并网平衡控制器的一端连接；星角型并网平衡控制器的另一端与并网点电网三相交 流电源连接；三相交流串联式光伏方阵通过星角型并网平衡控制器与并网点电网三相交流 电源连接，并在星角型并网平衡控制器控制下，协调三相交流串联式光伏方阵平衡输出。
[0010] 所述的单相交流串联式光伏方阵由m台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节 装置串联组成，m为多1的整数。
[0011] 所述的单相交流串联式光伏方阵中，第1台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调 节装置的输出尾端与第2台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置的输出首端连接， 第2台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输出尾端与第3台串联式光伏方阵高压 隔离交流功率调节装置输出首端连接，依此类推，第m-Ι台串联式光伏方阵高压隔离交流 功率调节装置输出尾端与第m台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输出首端连 接，组成单相交流串联式光伏方阵。第1台串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输 出的首端为单相交流串联式光伏方阵的首输出端，第m台串联式光伏方阵高压隔离交流功 率调节装置输出尾端为单相交流串联式光伏方阵的尾输出端。每台串联式光伏方阵高压隔 离交流功率调节装置的输入端连接光伏组串的输出端。
[0012]角型三相交流串联式光伏方阵中，A相交流串联光伏方阵与B相交流串联式光伏 方阵与C相交流串联式光伏方阵首尾连接，A、B、C三个单相交流串联式光伏方阵的连接点 分别为Uab、Ubc和Uca，星角型并网平衡控制器与这三个连接点连接，输出三相交流电压， 电压值为Vab、Vbc、Vca。
[0013] 星型三相交流串联式光伏方阵中，A相串联光伏方阵、B相串联光伏方阵和C相串 联光伏方阵的尾端连接，该连接点为Uo, Uo也是星形三相平衡交流串联式光伏方阵的输出 中心点。该星型三相交流串联式光伏方阵的首端Ua、Ub和Uc与星角型并网平衡控制器连 接，该星型三相交流串联式光伏方阵的首端Ua、Ub、Uc相对其尾端连接点Uo的输出相电压 值分别为Va、Vb、Vc。
[0014] 星角型并网平衡控制器由并网交流接触器、断路器、电流/电压传感器及PLC控制 器组成。A~C三相交流串联式光伏方阵输出端通过断路器的输入端与并网点三相电源连 接；断路器的输出端和电流传感器串联，并与电压传感器、并网交流接触器输入并联；并网 交流接触器输出与A~C三相交流串联式光伏方阵输出并联。A~C三相交流串联式光伏 方阵的输出端通过并网交流接触器、电流传感器、断路器与并网点电网三相电源连接。所述 的PLC控制器包括逻辑分析控制模块、时序控制模块、模拟控制模块、多机通信模块、输入 控制模块和输出控制模块。
[0015] 多机通信模块通讯端口分别对应与A~C三相交流串联式光伏方阵每相的串联式 光伏方阵高压隔离交流功率调节装置连接，连接于控制器模块的通讯电路输入输出端口， 多机通信模块通讯端口与A~C三相交流串联式光伏方阵每相的串联式光伏方阵高压隔离 交流功率调节装置实时交互数据，PLC控制器依据控制策略计算分析，并提供串联式光伏方 阵高压隔离交流功率调节装置的相位、同步时间及输出功率数据。
[0016] 时序控制模块同步输出端口分别对应与A~C三相交流串联式光伏方阵每相的 串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置连接，连接于控制器模块中的同步电路输入端 子，PLC控制器通过时序控制模块同步输出端口实时为A~C三相交流串联式光伏方阵每 相中的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置提供同步过零点脉冲。
[0017] 输入控制模块与电流/电压传感器的数据输出端连接，实时监控电网电压、电流 和频率变化，并将检测并网点三相电源的数据信息经逻辑分析控制模块进行分析计算，通 过多机通信模块给出A~C每相交流串联式光伏方阵的相位及数据信息，通过时序控制模 块同步输出端口输出A~C每相交流串联式光伏方阵的过零点同步信号；输出控制模块与 并网交流接触器控制端连接，控制并网交流接触器的通断。
[0018] 组成单相交流串联式光伏方阵的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置由η 个最大功率跟踪模块、DC/AC转换模块、控制器模块、电源模块和交流隔离输出模块组成，η 为彡1的整数。
[0019] 所述的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置中最大功率跟踪模块的输入 端与光伏组串的输出端连接，经该最大功率跟踪模块对光伏组串MPPT最大功率跟踪输出 功率；为提尚功输出率，η个最大功率跟踪t旲块的输出端并联，并联后的η个最大功率跟踪 模块输出端再分别与DC/AC转换模块、电源模块的输入端并联；η个最大功率跟踪模块提 供DC/AC转换模块和电源模块的电源；其中电源模块的输出与控制器模块的电源输入端连 接，提供控制器模块的工作电源；控制器模块的采样输入端和控制输出端分别与η个最大 功率跟踪模块，以及DC/AC转换模块连接；DC/AC转换模块的输出端与交流隔离输出模块输 入连接，交流隔离输出模块的输出与相邻的串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节装置输 出串联。
[0020] 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、电流传 感器和汇流母排组成。
[0021] 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，汇流母排的正、负端也为最大功率跟踪模块的正、负 输出端；功率开关的控制端与控制器模块中的光隔电路对应输出端连接。
[0022] 所述的DC/AC转换模块由H桥功率驱动电路、汇流母排电压传感器、相位监测电压 传感器和保护继电器组成；H桥功率驱动电路的输入端与汇流母排电压传感器在汇流母排 上并联；H桥功率驱动电路输出端分别与保护继电器开关常闭接点两端、相位监测电压传 感器、交流隔离输出模块的输入端绕组并联。
[0023] 在A~C三相交流串联式光伏方阵正常工作时，当某串联式光伏方阵高压隔离交 流功率调节装置没有功率输出或出现故障时，为保证A~C三相交流串联式光伏方阵正常 工作，H桥功率驱动电路输出端经保护继电器常闭接点短路，使变压器输入内阻r = 0 Ω，依 据变压器原理，输出阻抗R = B2r，其中B为变压器变比，r为变压器输入阻抗，由此输出阻 抗R = 0 Ω，不会影响A~C三相交流串联式光伏方阵正常工作。
[0024] 所述的H电桥率驱动电路由相位监测电压传感器、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的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 输入端和负输入端；2组H桥臂电路并联组成H桥功率驱动电路，并联后的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。
[0025] 当星角型并网平衡控制器判断允许m个串联式光伏方阵高压隔离交流功率调节 装置接入电网时，星角型并网平衡控制器控制并网交流接触器工作，电网通过断路器、电流 /电压传感器及并网交流接触器接点与星型或角型A~C三相交流串联式光伏方阵连接，与 星形A~C三相交流串联式光伏方阵的首端Ua、Ub、Uc连接，与角形A~C三相交流串联式 光伏方阵的连接点Uab、Ubc、Uca连接，A~C三相交流串联式光伏方