一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器、固态变压器阵列和交流电网；所述的光伏阵列共有m个，m为大于等于2的正整数，每个光伏阵列的输出端均与一个DC/DC变换器的输入端连接，所有的DC/DC变换器的输出端共同并联到固态变压器阵列的直流总输入端，所述的固态变压器阵列的交流总输出端直接与交流高压电网连接；本发明具有体积小、重量轻、环保无污染的优点，以电流并联、电压串联的模块化的阵列方式解决了高电压大容量发电的技术难题，模块化的设计，便利了整个系统的生产、安装、维护。
【专利说明】
一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，主要应用在太阳能光伏并网发电领域。
【背景技术】
[0002]目前主流的光伏电场的结构为多个光伏阵列在输出端通过汇流箱和直流配电柜分别连接至多个低压光伏并网逆变器的直流侧，多个低压并网逆变器在输入端通过最大功率跟踪算法(Maximum Power Point Tracking，MPPT)使得光伏阵列输出最大功率，在逆变器的输出侧通过同步控制将能量以电流源形式向电网馈送能量，逆变器输出通过工频变压器逐级升压至高压(超高压)交流电网，实现太阳能能源的高压大功率输送。
[0003]随着新能源发电容量和电压等级的不断增加，输电、配电技术的日益进步，智能电网的不断发展，现行光伏发电、输电模式存在如下限制:
[0004](I)使用传统的工频变压器，体积大、重量重、变压器油对环境有污染，同时不具备能量的智能控制和信息的智能通讯。
[0005](2)难以灵活、方便应对未来新能源发电更高电压、更大容量的趋势。
[0006](3)传统逆变器需要集中式的网侧滤波器，体积大、重量重、成本高。
[0007](4)以光伏逆变器为单元进行最大功率跟踪控制，MPPT的渗透率较低，导致整体系统的效率较低，其针对光照不均问题(比如云朵的遮挡，光伏阵列本身特性的不一致性)的抗扰性也相对较弱。
【发明内容】
[0008]本发明为了解决现有技术中所存在的上述问题，提出了一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，本发明由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC固态变压器阵列和交流电网构成，具有体积小、重量轻和环保无污染的优点，实现了对电能进行智能控制、保护、通讯的目的。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:包括光伏阵列、DC/DC变换器、固态变压器阵列和交流电网;所述的光伏阵列共有m个，m为大于等于2的正整数，每个光伏阵列的输出端均与一个DC/DC变换器的输入端连接，所有的DC/DC变换器的输出端共同并联到固态变压器阵列的直流总输入端，所述的固态变压器阵列的交流总输出端直接与交流高压电网连接。
[0010]所述的DC/DC变换器采用boost电路拓扑，DC/DC变换器独立控制和跟踪与其输入端相连的光伏阵列的最大功率点，用于实现所有光伏阵列同时实现最大功率。
[0011]所述的固态变压器阵列由3n个固态变压器单元构成，η为大于等于2的正整数，所述的3η个固态变压器单元的直流输入端全部并联，形成直流总输入端;所述的3η个固态变压器单元平均分为3组，每组的η个固态变压器单元的交流输出端串联形成一相，共形成3相，3相再按照星型或角型连接构成交流总输出端。
[0012]所述的固态变压器单元采用模块化设计。
[0013]所述的固态变压器单元包括依次连接的低压DC/AC变换器、高频变压器、高压AC/DC变换器和高压DC/AC变换器，所述的固态变压器单元的直流输入端首先连接低压DC/AC变换器的直流输入端，低压DC/AC变换器的交流输出端与高频变压器的输入端相连，高频变压器的输出端与高压AC/DC变换器的交流输入端相连，高压AC/DC变换器的直流输出端与高压DC/AC变换器的直流输入端相连，高压DC/AC变换器的交流输出端即为固态变压器单元的交流输出端。
[0014]所述的低压DC/AC变换器、高压AC/DC变换器和高压DC/AC变换器均采用单相H桥电路。
[0015]所述的高压DC/AC变换器内部包含交流滤波电感，交流滤波电感直接与固态变压器单元的交流输出端相连。
[0016]所述的固态变压器单元采用模块化设计，将其所有组成部分集成为一个模块整体，便于生产、安装、维护。
[0017]与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果:
[0018]I)该系统以固态变压器的拓扑特点省掉了工频并网变压器，获得了体积小、重量轻、环保无污染的优点，同时能够对电能进行智能控制、保护、通讯。
[0019]2)该系统以电流并联、电压串联的模块化的阵列方式解决了高电压大容量发电的技术难题，通过调整并联和串联模块的多少，可以灵活接入不同容量、不同电压等级的系统。
[0020]3)该系统可以将传统的集中式的大滤波电感分解于串联的各模块中，安装在高压DC/AC变换器内部，减小了系统的体积和成本。
[0021]4)该系统采用高度模块化的结构。便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期，降低成本，模块化的功率单元采用相同容量的功率开关和无源器件，具有很强的可替代性，便于系统维护和冗余设计。
[0022]5)每个光伏阵列均配有一个DC/DC变换器，可以独立进行最大功率点跟踪，使得系统的效率要明显高于传统光伏发电系统。
【附图说明】
[0023]图1为传统光伏并网发电系统示意图。
[0024]图2为本发明的结构示意图。
[0025]图3为所述高压DC/AC变换器的示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
[0027]如图1所示为传统光伏并网系统，包括光伏阵列1、汇流箱2、直流配电柜3、光伏并网逆变器4、工频升压变压器5、测控装置6和无功补偿装置7，光伏阵列I输出端通过汇流箱和直流配电柜连接至光伏并网逆变器的直流侧，并网逆变器在输入端通过最大功率跟踪算法使得光伏阵列输出最大功率，在逆变器的输出侧通过同步控制将能量以电流源形式向电网馈送能量，逆变器输出与电网电压同频率的电流源的形式将电能通过工频变压器逐级升压至高压超高压交流电网，实现能源的长距离输送。
[0028]如图2所示，本发明的光伏并网发电系统由光伏阵列1、DC/DC变换器2、固态变压器阵列3和交流电网构成。
[0029]如图2所示，太阳能板通过串、并联的方式组成不同输出直流电压和功率等级的光伏阵列I，这样的光伏阵列I共有m个，m的数值取决于整个系统的发电容量。每个光伏阵列I的输出均与一个DC/DC变换器2的输入连接，所述的DC/DC变换器2同样有m个，采用boost电路拓扑，每个DC/DC变换器2分别对各自连接的光伏阵列I进行最大功率点跟踪和能量控制，以保证各个光伏阵列I的发电效率最高。所有DC/DC变换器2的输出共同并联到固态变压器阵列3的直流总输入端，所述的固态变压器阵列3由3n个固态变压器单元4构成，η的数值取决于发电系统的容量和电网电压。所述的3η个固态变压器单元4的直流输入端全部并联，形成直流总输入端;所述的3η个固态变压器单元4的交流输出端按照η个一相，相内串联的方式，形成3相，3相再按照星型或角型连接构成交流总输出端。所述的固态变压器阵列3将所有DC/DC变换器2并联输送的直流电能转换为交流电能，通过交流总输出端与交流高压电网直接连接。固态变压器阵列3与交流电网之间不再需要传统的工频变压器和滤波器，并且通过直流侧并联模块单元和交流侧串联模块单元的数量变化，可以满足各种大容量、高电压并网发电的需求。
[0030]如图2所示，所述的固态变压器单元4由低压DC/AC变换器41、高频变压器42、高压AC/DC变换器43、高压DC/AC变换器44构成。
[0031]如图2所示，所述的固态变压器单元4的直流输入端首先连接低压DC/AC变换器41的直流输入端，低压DC/AC变换器41将直流电能变换为高频的交流电，低压DC/AC变换器41的交流输出端与高频变压器42的输入端相连，高频变压器42对高频交流电进行隔离变换，输出同样为高频交流电，高频变压器42的输出端与高压AC/DC变换器43的交流输入端相连，高压AC/DC变换器43将高频交流电变换为平稳的直流电能，高压AC/DC变换器43的直流输出端与高压DC/AC变换器44的直流输入端相连，高压DC/AC变换器44将直流电能进行变换，形成工频的交流电，高压DC/AC变换器44的交流输出端即为固态变压器单元4的交流输出端。固态变压器单元4实现了直流电能到工频交流电能的隔离、功率控制、通讯、保护功能。如图3所示，高压DC/AC变换器44内部包含交流滤波电感，交流滤波电感直接与固态变压器单元4的交流输出端相连。
[0032]所述的固态变压器阵列3和DC/DC变换器2均采用模块化设计，便于生产、安装、维护。
【主权项】
1.一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:包括光伏阵列(1)、DC/DC变换器(2)、固态变压器阵列⑶和交流电网;所述的光伏阵列(I)共有m个，m为大于等于2的正整数，每个光伏阵列(I)的输出端均与一个DC/DC变换器(2)的输入端连接，所有的DC/DC变换器(2)的输出端共同并联到固态变压器阵列(3)的直流总输入端，所述的固态变压器阵列(3)的交流总输出端直接与交流高压电网连接。2.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的DC/DC变换器⑵采用boost电路拓扑，DC/DC变换器⑵独立控制和跟踪与其输入端相连的光伏阵列(I)的最大功率点，用于实现所有光伏阵列(I)同时实现最大功率。3.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的固态变压器阵列(3)由3n个固态变压器单元(4)构成，η为大于等于2的正整数，所述的3η个固态变压器单元(4)的直流输入端全部并联，形成直流总输入端;所述的3η个固态变压器单元(4)平均分为3组，每组的η个固态变压器单元(4)的交流输出端串联形成一相，共形成3相，3相再按照星型或角型连接构成交流总输出端。4.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的固态变压器单元(4)采用模块化设计。5.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的固态变压器单元(4)包括依次连接的低压DC/AC变换器(41)、高频变压器(42)、高压AC/DC变换器(43)和高压DC/AC变换器(44)，所述的固态变压器单元(4)的直流输入端首先连接低压DC/AC变换器(41)的直流输入端，低压DC/AC变换器(41)的交流输出端与高频变压器(42)的输入端相连，高频变压器(42)的输出端与高压AC/DC变换器(43)的交流输入端相连，高压AC/DC变换器(43)的直流输出端与高压DC/AC变换器(44)的直流输入端相连，高压DC/AC变换器(44)的交流输出端即为固态变压器单元(4)的交流输出端。6.根据权利要求5所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的低压DC/AC变换器(41)、高压AC/DC变换器(43)和高压DC/AC变换器(44)均采用单相H桥电路。7.根据权利要求5所述的一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统，其特征在于:所述的高压DC/AC变换器(44)内部包含交流滤波电感，交流滤波电感直接与固态变压器单元(4)的交流输出端相连。
【文档编号】H02J3/38GK105846458SQ201610222409
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】李直, 黄浪, 郝翔, 刘伟增
【申请人】特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安柔性输配电有限公司