一种光伏高压直流输电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光伏发电设备接入高压直流输电系统。
【背景技术】
[0002] 能源在现代社会中起着极其重要的作用，是现代社会赖以生存和发展的基石之 一，也是目前国际政治、经济的焦点问题。能源问题关系到国际政治风云，关系到国家的经 济社会发展。利用可再生能源发电替代化石能源，是目前各国的普遍选择。光伏发电作为可 再生能源发电的重要形式，由于其洁净、环保、利用方式灵活的特点，受到越来越多的重视， 其装机容量在国内迅速发展。
[0003] 常见的光伏发电系统并网形式以并入交流电网为主。而目前国内柔性直流和传统 直流输电快速发展，示范项目越来越多，光伏发电必须具备接入高压直流输电网的能力。
[0004] 常见光伏直流变换器存在输出电压较低，且难以一次性升压到很高电压的问题， 为了实现光伏系统输出并入高压直流电网，目前普遍采取多个光伏直流变换器输入接独立 光伏组件，输出串联的方式提高系统的输出电压，从而达到输出更高直流电压从而接入高 压直流电网的目的。目前国内有较多的文献和专利对该方案进行阐述。
[0005] CN204103503U提出了一种通过光伏发电单元输出串联接入中高压直流系统的 方案，但是方案中各个输出串联光伏发电单元的输入端各自独立，难以实现功率协调输出， 且未给出各个光伏发电单元的协调控制策略，同时由于多个光伏发电单元输出串联如一路 发电单元出现问题，则整个系统无法必须停机。
[0006] 201310244951. 9提出了一种类似模块化多电平变流器结构的光伏直流输电系统， 但其直流变换及功率单元为非隔离拓扑，无法实现高压输电与光伏组件之间的安全电气隔 离，且由于冗余模块的存在，非故障时冗余模块对应的光伏组件无法实现功率输出，故障时 单个光伏发电单元被隔离，光伏组件无法实现功率输出，降低了光伏组件的利用率。
[0007] CN204068816U，提出了一种利用模块串联提高输出电压的方法，具体为多个电 压转换模块的输出端依次相串联组成光伏电站，多个光伏电站的输出端并联后作为高压直 流输电的输入端。并且其提出了一种电压转换模块的拓扑方案。但该发明仍然存在单模块 出现问题时系统将无法运行的问题，且未阐明采用该方案时所采用的控制方法。
[0008] 目前提出的此类方案和专利中，对于光伏直流变换器输出串联拓扑的详细实施方 案进行了阐述。但该方案中存在一些问题：
[0009] 1.输入独立、输出串联的光伏直流变换器连接拓扑中，由于光伏直流变换器连接 的光伏组件不同，其输入功率波动较大导致其输出电压变化大，必须严格控制多个光伏直 流变换器输出电压均压，此类控制算法复杂，可靠性较低。
[0010] 2.光伏直流变换器输出为串联连接，各个模块的流过相同的并网电流，当某个模 块出现故障时，整个系统将无法运行，降低了该系统的可靠性。故障模块切除时，同时该模 块连接的光伏组件也被切除，降低了光伏组件的利用率，减小了该电站的光伏发电量。
[0011] 3.该系统接入高压直流电网，其电压一般为10kV以上，而光伏组件的对地耐压一 般为lkv或1. 5kV，为了保证光伏组件的设备安全及组件维护人员的人身安全，必须将直流 变换器两侧的高压系统和低压系统进行隔离。
【发明内容】
[0012] 本发明目的是克服现有技术输出串联拓扑的光伏高压直流输电系统控制复杂、可 靠性低、容易对低压系统引入高压的问题，提出一种光伏高压直流输电系统。
[0013] 本发明所采用的技术方案如下：
[0014] 本发明光伏高压直流输电系统包含光伏发电单元、光伏热备发电单元、光伏输入 侧并联联络线、系统控制器、高压直流输电线路，以及高压逆变器。所述光伏发电单元与光 伏热备发电单元输出侧并联连接，随后连接高压直流输电线路，在高压输电线路另一侧通 过高压逆变器将直流电变换为交流电接入交流高压电网。所述光伏发电单元至少采用2 个，光伏热备发电单元至少采用1个。多个所述光伏发电单元之间串联，并与光伏热备发电 单元输出侧串联连接；所述系统控制器用于对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元进行 统一控制；所述高压逆变器为集中式高压逆变器，采用模块化多电平拓扑结构。
[0015] 光伏发电单元包含光伏组件、光伏MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功 率点跟踪）用DC/DC变换器、低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关。光伏组 件、光伏MPPT用DC/DC变换器、低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关之间顺 序串联连接。光伏发电单元用于正常工作时将光伏组件发出能量输送至输出侧。
[0016] 光伏热备发电单元包含低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关。低 压隔离开关、光伏升压变流器、高压隔离旁路开关之间顺序串联连接；光伏热备发电单元用 于在本发明光伏高压直流输电系统某个光伏发电单元故障切除后，在系统不停机的状态下 投入运行，从而提高本发明光伏高压直流输电系统的可靠性。光伏发电单元和光伏热备发 电单元的低压隔离开关输入侧通过光伏输入侧并联联络线实现并联；
[0017] 低压隔离开关包含一个隔离开关。所述隔离开关可以为机械式接触器、断路器，也 可以是电力电子开关器件，如IGBT;所述低压隔离开关用于光伏升压变流器故障时将变流 器输入侧断开，便于更换变流器。
[0018] 高压隔离旁路开关包含一个故障隔离开关和一个故障旁路开关，故障旁路开关并 联在故障隔离开关的输出侧；所述故障隔离开关和故障旁路开关可以为机械式接触器、断 路器，也可以是电力电子开关器件，如IGBT;所述高压隔离旁路开关用于光伏升压变流器 故障时将变流器旁路，并与高压输电系统形成隔离点，便于更换变流器。
[0019] 光伏MPPT用DC/DC变换器实现对光伏组件的最大功率跟踪功能，其具体拓扑可以 为隔离拓扑也可以为非隔离拓扑。所述变换器对于大容量系统，可以为升压拓扑，从而可以 提高输出直流电压降低系统损耗；所述变换器前端至少接一路光伏组件，当连接多路光伏 组件时变换器包含光伏汇流模块。
[0020] 光伏升压变流器拓扑必须为隔离拓扑且具备一定升压能力，所述光伏升压变流器 的隔离变压器耐压应为直流输电系统最大电压；所述光伏升压变流器还包括一个变流器控 制器，用于在变流器故障停机、在线投入时的过渡过程控制变流器工作状态；所述光伏升压 变流器为高度模块化设计，当出现故障时采用整体更换的方式进行维护，大大减少系统维 护时间，提高系统可靠性。
[0021] 光伏发电单元和光伏热备发电单元的低压隔离开关输入侧利用光伏输入侧并联 联络线实现并联，从而实现光伏升压变流器输入侧并联输出侧串联，从而简化系统控制方 案。
[0022] 系统控制器对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元采用统一占空比控制；系统 控制器至少采集高压直流电网并网电流，在正常运行时根据统一占空比产生算法运算后， 将占空比信号输出至变流器控制器，光伏发电单元的变流器按照占空比信号运行，光伏发 电单元的变流器只接收占空比信号而不运行，处于热备状态。
[0023] 当某一光伏发电单元的光伏升压变流器故障时，系统控制器发出控制信号，旁路 发生故障的光伏发电单元，并启动光伏热备发电单元，使其输出电压达到均压水平，实现对 故障光伏发电单元前端光伏组件的能量输出，充分利用光伏组件发电量；随后系统控制器 对故障光伏发电单元的低压隔离开关和高压隔离开关发出信号，将故障光伏升压变流器隔 离，可进行维护或维修。
[0024] 光伏热备发电单元的数量根据光伏发电单元的数量和故障频率来综合确定，故障 频率高则光伏后热备发电单元数量多；光伏输入侧并联联络线线缆截面的选择与光伏热备 发电单元数量有关，光伏输入侧并联联络线线缆的截面面积可根据其流过的最大电流和联 络线线缆类型共同确定，故障时流过光伏输入侧并联联络线的最大电流满足如下公式： xF
[0025] l=mx- U
[0026] 其中Ρ为光伏发电单元的功率，U为光伏输入侧并联联络线的电压，m为光伏热备 发电单元的数量，I为故障时流过光伏热备发电单元的最大电流。
[0027] 光伏发电