一种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统，其包括中高压直流发电单元和集中式中高压光伏并网逆变器，所述中高压直流发电单元采用至少一个，每个中高压直流发电单元的输出端均接入一路中高压直流母线，用于向该路中高压直流母线输出中高压直流电压，分别与各个中高压直流发电单元的输出端连接的各路中高压直流母线并联后形成一路中高压直流母线再接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧，所述集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧接入中高压交流电网；所述集中式中高压光伏并网逆变器采用模块化多电平拓扑结构。本实用新型所述光伏并网发电系统既能够减小线路损耗，又能降低成本，且可靠性高。
【专利说明】—种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型应用于太阳能光伏发电【技术领域】，涉及基于中高压直流接入的光伏系统集电线路设计和并网接入技术，具体涉及一种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统。
【背景技术】
[0002]随着光伏发电规模的日益增大，光伏产能不再局限于作为补充能源，而是朝着可替代能源的方向迈进。然而，由于经济发展和可再生资源布局的不均衡，我国的能源中心与负荷中心之间的距离跨度很大，作为能源中心的太阳能发电场主要集中在西北偏远地区，而作为负荷中心的经济发达地区则集中在东部沿海；同时，太阳能发电需要电网提供额外的调峰容量，但西北偏远地区的调峰能力不足，导致太阳能发电面临着规模化发展的外送消纳问题。在这场“能源革命”的影响下，现行光伏发电的概念、光伏电站的结构、并网发电装置以及相应的运行技术在应对超大规模可再生新能源的消纳方面越来越力不从心。
[0003]如图1所示，目前主流的光伏电站的结构，也即传统的光伏并网发电系统包括:以并联的连接方式与中高压交流电网连接并向其输送电能的η个集中式光伏并网发电单元100，每个集中式光伏并网发电单元100均包括m个子单元101和工频升压变压器102，该m个子单元101均与工频升压变压器102的原边侧连接，每个子单元101均包括N个光伏阵列(N个光伏阵列即一组光伏阵列)1011、汇流箱1012、直流配电柜1013和光伏并网逆变器1014，每个光伏阵列1011均根据其所需的输出直流电压和额定功率等级由多个太阳能电池板通过串联和/或并联的方式组成，N个光伏阵列1011并联后接入汇流箱1012的输入端，该汇流箱1012用于将N个光伏阵列1011分别输出的直流电能汇流成一路，其输出端与直流配电柜1013的输入端连接，直流配电柜1013的输出端与光伏并网逆变器1014的直流侧(也称为输入端)连接，由于光伏并网逆变器1014的直流侧电压一般不超过lkV，故光伏并网逆变器1014也可称为低压光伏并网逆变器，为了提高光伏并网发电系统的整体效率，光伏并网逆变器1014—般具有最大功率跟踪(MPPT, Maximum Power Point Tracking)功能，即通过其内置的最大功率跟踪算法对其输入功率进行最大功率跟踪，以使得与其连接的N个光伏阵列输出最大功率，每个子单元101的光伏并网逆变器1014的交流侧(也称为输出端)均以并联的连接方式连接至工频升压变压器102的原边侧，以通过同步控制将能量以电流源形式向中高压交流电网馈送，可见，现有技术采用的是低压大电流并联的连接方式，每个集中式光伏并网发电单元100的工频升压变压器102的副边侧均连接至中高压交流电网，以使得光伏并网逆变器1014输出的电能通过工频升压变压器102逐级升压至中高压后输送至中高压交流电网，从而实现能源的长距离输送。这里，m、n、N均为大于I的整数，其具体取值可由本领域技术人员根据实际情况设定。
[0004]但是，随着新能源发电容量的不断增加，以及输电、配电技术的日益进步，现有的光伏发电、输电运行模式存在如下限制:
[0005](I)在每个集中式光伏并网发电单元100中，从各组光伏阵列1011的输出端到工频升压变压器102的原边侧之间都采用低压传输线路(该线路上的电压小于lkV)进行布线，且采用的是低压大电流并联的连接方式，导致低压大电流传输线路过长、线路损耗过大(线路损耗通常为总系统的2% -3% )的问题出现，并且该问题会随着发电规模、容量的增加而进一步恶化。
[0006](2)目前，由于受到直流损耗和低压光伏并网逆变器容量的限制，大型光伏电站通常需要配置几十甚至上百个低压光伏并网逆变器及相应的逆变机房和配电、监控设备。工业界的低压光伏并网逆变器产品的最大功率一般为500kW，若一个集中式光伏并网发电单元100包括1丽的光伏阵列，对于一个20丽的光伏电站来说，就需要配置20个逆变器机房，每个逆变器机房均需配备汇流箱1012、直流配电柜1013、低压光伏并网逆变器1014各两套，以及一套工频升压变压器102，从而导致新能源发电的初期投入成本高，资金运转周期长，整体投资回报率低。
[0007](3)经实验验证，通过低压光伏并网逆变器对光伏阵列的输出功率进行最大功率跟踪，其MPPT的渗透率较低，而且，针对光照不均问题(其可由云朵的遮挡、周围障碍物阴影、各光伏阵列本身特性的不一致性引起)的抗扰性也相对较弱。
[0008](4)目前主流的低压光伏并网逆变器产品的峰值效率标称98.7 %，其在实际运行过程中的实际效率为97%左右，如果继续将研究、分析和优化的重点和精力集中在单个的光伏并网电力电子装置(即单个集中式光伏并网发电单元)上，无论从效率角度，还是从成本角度来看，都已经没有太多可以提升的空间，只有转变看问题的角度和解决问题的策略，才有可能使整个系统得到进一步、深层次的优化。
实用新型内容
[0009]本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种既能够减小线路损耗，又能降低成本，且可靠性高的基于中高压直流接入的光伏并网发电系统。
[0010]解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是:
[0011]所述基于中高压直流接入的光伏并网发电系统包括:中高压直流发电单元和集中式中高压光伏并网逆变器，所述中高压直流发电单元采用至少一个，每个中高压直流发电单元的输出端均接入一路中高压直流母线，用于向该路中高压直流母线输出中高压直流电压，分别与各个中高压直流发电单元的输出端连接的各路中高压直流母线并联后形成一路中高压直流母线再接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧，所述集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧接入中高压交流电网；所述集中式中高压光伏并网逆变器采用模块化多电平拓扑结构。
[0012]优选地，所述集中式中高压光伏并网逆变器包括并联的三个相单元，这三个相单元的并联节点作为所述逆变器的直流输入节点，每个相单元均包括串联的上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的串联节点作为该相单元的交流输出节点，每个相单元的上桥臂、下桥臂均包括与其交流输出节点连接的电感，以及连接在所述电感与直流输入节点之间且依次串联多个子单元。
[0013]优选地，所述多个子单元均采用一种类型结构的子单元，所述一种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任一种，
[0014]或者，所述多个子单元采用两种类型结构的子单元，且所述两种类型结构的子单元的数量之和等于所述多个子单元的数量，所述两种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任意两种。
[0015]优选地，所述多个子单元均为半桥型子单元时，每个半桥型子单元的输入端与输出端之间均并联一个晶闸管。
[0016]优选地，每个所述中高压直流发电单元均包括光伏阵列和级联直流升压单元，所述光伏阵列采用多组，每组光伏阵列均包括并联的多个光伏阵列，各组光伏阵列的输出端与所述级联直流升压单元的输入端相连，所述级联直流升压单元的输出端接入一路中高压直流母线，用于将各组光伏阵列输出的直流电压升压后再以串联的方式汇流输出至该路中高压直流母线。
[0017]优选地，所述级联直流升压单元包括输出端依次串联的多个中高压汇流箱，串联的级数不少于2级，且这些输出端依次串联的中高压汇流箱具有两个端头，其中位于一个端头处的中高压汇流箱的正极输出端与位于另一个端头处的中高压汇流箱的负极输出端接入一路中高压直流母线，其余每个中高压汇流箱的正极输出端均与其串联的前一个中高压汇流箱的负极输出端相连，其余每个中高压汇流箱的负极输出端均与其串联的后一个中高压汇流箱的正极输出端相连；
[0018]在每个中高压直流发电单元中，每组光伏阵列均对应一个中高压汇流箱，且每组光伏阵列中的多个光伏阵列并联后接入对应中高压汇流箱的输入端，所述中高压汇流箱用于将其对应的一组光伏阵列输出的直流电压汇流成一路直流电压，并对该路直流电压进行升压处理后输出。
[0019]优选地，在每个中高压直流发电单元中，每个中高压汇流箱均包括汇流排和高绝缘等级的高频升压变压器，所述汇流排用于将其对应的一组光伏阵列包括的多个光伏阵列输出的直流电压汇流成一路直流电压，所述高绝缘等级的高频升压变压器用于对该路直流电压进行升压处理，以及实现其对应的一组光伏阵列和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线之间的电气隔离；所述高绝缘等级的高频升压变压器的隔离电压等级远高于其对应的一组光伏阵列的工作电压。
[0020]优选地，在每个中高压直流发电单元中，每个中高压汇流箱还包括隔离型DC/DC变换器，用于跟踪其对应的一组光伏阵列的最大功率点，以使其对应的一组光伏阵列的输出功率达到最大。
[0021]优选地，所述集中式中高压光伏并网逆变器工作于电流源模式。
[0022]优选地，所述发电系统还包括隔离开关，其数量与中高压直流发电单元的数量相同且对应，各个隔离开关的输入端与其对应的中高压直流发电单兀的输出端接入的一路中高压直流母线连接，各个隔离开关的输出端并联后再通过一路中高压直流母线接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧。
[0023]优选地，所述发电系统还包括充电电路，其输入端与集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧连接，其输出端连接至中高压交流电网，用于缓冲所述光伏并网发电系统上电瞬间中高压交流电网对集中式中高压光伏并网逆变器的冲击。
[0024]优选地，所述充电电路包括充电电阻、开关和断路器，所述充电电阻与开关串联后再与断路器并联。
[0025]有益效果:
[0026]1)本实用新型所述光伏并网发电系统中，每个中高压直流发电单元的各组光伏阵列的输出侧到其对应的中高压汇流箱的输入端之间都采用低压直流电缆，而每个中高压直流发电单元的各个中高压汇流箱的输出端到集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧之间都采用中高压直流电缆，而低压直流电缆相比于中高压直流电缆具有更高的能量损耗，可见，与现有技术的光伏并网发电系统中从各组光伏阵列1011的输出端到工频升压变压器102的原边侧之间都采用低压传输线路相比，本实用新型采用的低压传输线路(即低压电缆)较短，相应减少了线路损耗；
[0027]此外，本实用新型所述光伏并网发电系统能够将每个中高压直流发电单元中的各组光伏阵列输出的直流电压升压后再以串联的方式汇流输出至一路中高压直流母线，分别与各个中高压直流发电单元的输出端连接的各路中高压直流母线并联后形成一路中高压直流母线再接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧，其交流侧接入中高压交流电网，故采用的是中高压小电流串联的连接方式，而如【背景技术】所述，现有技术的光伏并网发电系统采用的是低压大电流并联的连接方式，同时，由于系统拓扑的改变，省去了工频升压变压器和减少了低压光伏并网逆变器的数量，因此本实用新型与现有技术相比能够将光伏并网发电系统的线路损耗降至最低，也相应提高了系统效率，经实验验证，本实用新型与现有技术相比可提高光伏并网发电系统的整体效率约2%。
[0028]2)本实用新型所述光伏并网发电系统与现有技术相比，省掉了效率低、损耗大的工频升压变压器；而且，本实用新型所述光伏并网发电系统只需要采用一套大功率的逆变装置(即集中式中高压光伏并网逆变器，其量级一般为几十兆瓦)及相应的逆变机房和配电、监控设备，与现有技术的光伏并网发电系统中需采用多个逆变机房，每个逆变机房需配置一套工频升压变压器、多套低压光伏并网逆变器和相关设备相比，极大地降低了新能源发电的初期投入成本，缩短了资金运转周期，提高了整体投资回报率，这对于居住人口密度较小、传输损耗较高的中西部地区具有可预期的优势；
[0029]此外，在需要系统扩容、减容的情况下，本实用新型所述光伏并网发电系统也仅需一路逆变环节，即采用一级DC/AC变换电路(直流转交流变换电路，由集中式中高压光伏并网逆变器实现)，就可实现并网发电和能量管理，与现有技术的光伏并网发电系统相比，省去了多路逆变环节(由现有光伏并网发电系统中的各个集中式光伏并网发电单元100包括的多个低压光伏并网逆变器1014实现)，也就是说，采用一个集中式中高压光伏并网逆变器取代了现有技术中采用的众多低压光伏并网逆变器，不但提高了系统效率，还有助于系统功率控制、故障支撑与缓冲，以及系统效率优化。
[0030]3)本实用新型所述光伏并网发电系统通过每个中高压直流发电单元的中高压汇流箱对其对应的一组光伏阵列的输出功率进行最大功率跟踪，与现有技术的光伏并网发电系统通过每个集中式光伏并网发电单元的光伏并网逆变器对其对应的一组光伏阵列的输出功率进行最大功率跟踪相比，MPPT的渗透率更高，而且，针对光照不均问题(其可由云朵的遮挡、周围障碍物阴影、各光伏阵列本身特性的不一致性引起)造成的光伏并网发电系统失配问题具有更好的适应性，即抗扰性较强。
[0031]4)本实用新型所述光伏并网发电系统从光伏阵列的输出端至中高压交流电网之间所采用的设备与现有技术相比，简化了系统的电气结构，减少了设备种类和数量，降低了系统成本，使系统的设计、施工和后期电站运维效率都得到了大幅提升，使整个系统得到进一步、深层次的优化，具有重要的工程应用价值。
[0032]5)本实用新型所述光伏并网发电系统的集中式中高压光伏并网逆变器采用模块化多电平(MMC, Modular Multilevel Converter)拓扑结构，易于生产、安装和维护；同时，可采用不同类型结构的子单元混合串联的方案，以使得集中式中高压光伏并网逆变器具有直流侧短路故障抑制能力，提高了系统的可靠性，而且相比于传统的光伏并网逆变器更具成本优势。
[0033]6)本实用新型所述光伏并网发电系统的集中式中高压光伏并网逆变器工作于电流源模式，即工作在恒直流电压模式，通过采用直接电流控制的方式来产生所需要的电流，而无需对其直流侧的电压进行控制。
[0034]7)本实用新型所述光伏并网发电系统的每个中高压汇流箱只需承受所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线电压的1/m (m为该中高压直流发电单元中中高压汇流箱的数量)，因此所述中高压汇流箱可以采用低耐压的器件来实现中高压大功率输出，例如高绝缘等级的高频升压变压器，从而通过高频化的方法降低中高压汇流箱的成本，提高其功率密度。
[0035]8)本实用新型所述光伏并网发电系统的中高压直流发电单元和集中式中高压光伏并网逆变器均可采用高度模块化的结构，这种模块化结构便于系统扩容，有利于缩短工程设计和加工周期，降低成本；而且，对于各个中高压直流发电单元来说，可采用相同容量的功率开关和无源器件，使得这种模块化结构具有很强的可替代性，便于系统维护和冗余设计。
[0036]9)本实用新型所述光伏并网发电系统可以看作是一种基于大规模光伏电站的中高压直流母线结构的柔性发电系统。目前国内“新能源+柔性输电”领域的示范项目仅仅体现在风能发电上，而针对光伏发电的中高压系统并无相关的实践探索。本实用新型所述光伏并网发电系统通过采用多端直流接入、高MPPT渗透率和集中逆变并网的中高压方案，向中高压交流电网高效、稳定地馈送电能，可以为未来大规模“光伏发电+柔性输电”领域的应用开发奠定一定的基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为现有技术中光伏并网发电系统的示意图；
[0038]图2为本实用新型实施例所述基于中高压直流接入的光伏并网发电系统的示意图；
[0039]图3为图2中的集中式中高压光伏并网逆变器的三相拓扑结构示意图；
[0040]图4为本实用新型实施例所述半桥型子单元的拓扑结构示意图；
[0041]图5为本实用新型实施例所述全桥型子单元的拓扑结构示意图；
[0042]图6为本实用新型实施例所述箝位双子型子单元的拓扑结构示意图。
[0043]图中:100-集中式光伏并网发电单元；101-子单元；1011-光伏阵列；1012_汇流箱；1013_直流配电柜；1014_光伏并网逆变器；102_工频升压变压器；200_中高压直流发电单元；201-光伏阵列；202_级联直流升压单元；203-中高压汇流箱；300、500-中高压直流母线；400_隔离开关；600_集中式中高压光伏并网逆变器；700_充电电路；800_升压变压器。
【具体实施方式】
[0044]为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0045]需要说明的是，本实用新型中所有出现的“中高压”(无论是直流还是交流)均涵盖了 3kV?800kV之间的所有电压等级，例如，其电压等级可以是但不限于:6kV、10kV、20kV,35kV,66kV,110kV、220kV、330kV、500kV、750kV 等。
[0046]实施例:
[0047]如图2所示，本实施例提供一种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统，其包括:n个中高压直流发电单元200、n个隔离开关400、1个集中式中高压光伏并网逆变器600和1个充电电路700，所述中高压直流发电单元200与隔离开关400的数量相同且一一对应，其中，η为大于0的整数。
[0048]各个中高压直流发电单元200通过其对应的隔离开关400并联在一起，通过增加中高压直流发电单元200及其对应的隔离开关400的数量，可以方便地提升和扩展系统的容量；而且，各个中高压直流发电单元200、各个隔离开关400、集中式中高压光伏并网逆变器600和充电电路700均采用高度模块化的结构，便于系统维护和冗余设计。
[0049]此外，如图2所示，所述光伏并网发电系统还可包括连接在充电电路700的输出端与中高压交流电网之间的升压变压器800，其用于在集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧输出的交流电压低于待接入的中高压交流电网的电压等级时，对集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧输出的交流电压进行升压处理，以使其满足待接入的中高压交流电网的电压等级，当然，如果集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧输出的交流电压满足待接入的中高压交流电网的电压等级，则不需要设置升压变压器800，即充电电路700的输出端直接接入中高压交流电网。
[0050]具体地，每个中高压直流发电单元200的输出端均接入一路中高压直流母线300，用于向该路中高压直流母线300输出中高压直流电压，与各个中高压直流发电单元200的输出端连接的各路中高压直流母线300分别与对应的各个隔离开关400的输入端连接，各个隔离开关400的输出端并联后再通过一路中高压直流母线500接入集中式中高压光伏并网逆变器600的直流侧(也称为输入端)，以实现中高压直流母线300与中高压直流母线500之间的电气隔离，所述集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧(也称为输出端)与充电电路700的输入端连接，充电电路700的输出端连接至中高压交流电网(此时，集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧输出的交流电压满足待接入的中高压交流电网的电压等级)，用于缓冲所述光伏并网发电系统上电瞬间中高压交流电网对集中式中高压光伏并网逆变器600的冲击，从而实现能源的长距离输送。可以看出，本实施例所述光伏并网发电系统中绝大部分是直流发电和输电线路，只有极少部分是交流电路(即集中式中高压光伏并网逆变器600的交流侧与中高压交流电网之间的充电电路700)。
[0051]本实施例中，所述隔离开关400可采用现有的具有隔离功能的开关电路；所述集中式中高压光伏并网逆变器600可采用现有的兆瓦量级的逆变装置，而且这种集中式的光伏并网逆变装置相比于现有技术中采用的多路逆变装置，其单瓦成本降低，故其冷却系统可以采用水冷设计，与现有技术的光伏并网发电系统的光伏并网逆变器的冷却系统一般采用风冷设计相比，极大地提高了系统的可靠性，因此本实用新型所述光伏并网发电系统尤其适用于中国西北地区风沙大、酷热及严寒的恶劣气象环境；所述充电电路700包括充电电阻、开关和断路器，所述充电电阻与开关串联后再与断路器并联，当然，所述充电电路700还可采用现有其他的具有缓冲上电冲击功能的电路模块。
[0052]其中，所述集中式中高压光伏并网逆变器采用模块化多电平拓扑结构，易于生产、安装和维护；而且，所述集中式中高压光伏并网逆变器工作于电流源模式，即工作在恒直流电压模式，通过采用直接电流控制的方式来产生所需要的电流，而无需对其直流侧的电压进行控制。优选地，如图3所示，所述集中式中高压光伏并网逆变器600包括并联的三个相单元，分别为A相单元、B相单元和C相单元，这三个相单元的并联节点O1和并联节点O2作为所述逆变器的直流输入节点接入中高压直流母线500，每个相单元均包括串联的上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的串联节点(即图3中的串联节点A、串联节点B或串联节点C)作为该相单元的交流输出节点连接至充电电路700的输入端，每个相单元的上桥臂、下桥臂均包括与其交流输出节点连接的电感L,以及连接在所述电感L与直流输入节点(即并联节点O1或并联节点O2)之间且依次串联多个子单元，每个子单元的输入端为图3中的端子1，输出端为图3中的端子2，且每个相单元的上桥臂的多个子单元连接在电感L与并联节点O1之间，每个相单元的下桥臂的多个子单元连接在电感L与并联节点O2之间，从而将中高压直流母线500上的直流电压转化为交流电压并输出至充电电路700。考虑到对称结构的优势，优选每个相单元的结构、组成及连接关系均相同，且每个相单元的上桥臂和下桥臂的组成相同、结构对称，也即，每个相单元的上桥臂和下桥臂包括的多个子单元的数量相同，采用的类型结构及连接关系也相同。
[0053]在每个相单元的上桥臂和下桥臂中，电感L可采用耦合缓冲电感，也可采用非耦合缓冲电感；多个子单元可均采用一种类型结构的子单元，所述一种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任一种，当然，所述一种类型结构的子单元也可为其它现有结构的子单元；或者，多个子单元可采用两种类型结构的子单元，所述两种类型结构的子单元的数量之和等于所述多个子单元的数量，且这两种类型结构的子单元按照一定的数量比例混合串联，优选同种类型结构的子单元依次串联，所述两种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任意两种，以A相单元的上桥臂包括的多个子单元采用半桥型子单元和箝位双子型子单元为例，假设该多个子单元的数量为P，其中半桥型子单元的数量为X，箝位双子型子单元的数量为y，且P、X、y均为正整数，则χ+y = P，X个半桥型子单元依次串联，y个箝位双子型子单元依次串联，在所述上桥臂中，电感L、x个半桥型子单元、y个箝位双子型子单元依次串联在交流输出节点A和直流输入节点O1之间，或者，电感L、y个箝位双子型子单元、X个半桥型子单元依次串联在交流输出节点A和直流输入节点O1之间，这种混合串联的结构既兼顾了半桥型子单元的低成本和高效率的优势，又可以依靠箝位双子型子单元的抑制直流侧短路故障，确保高系统可靠性的优势，当然，所述两种类型结构的子单元也可以为其它两种现有结构的子单元；或者，多个子单元可采用三种(或以上)类型结构的子单元，所述三种(或以上)类型结构的子单元的数量之和等于所述多个子单元的数量，且这三种(或以上)类型结构的子单元按照一定的数量比例混合串联，所述三种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元，当然，所述三种(或以上)类型结构的子单元也可以为其它三种(或以上)现有结构的子单元。
[0054]如图4所示，所述半桥型子单元包括:晶体管Tl及与其反向并联的二极管D1、晶体管T2及与其反向并联的二极管D2，和电容CO，晶体管Tl的集电极与电容CO的一端(正极端)相连，晶体管Tl的发射极与晶体管T2的集电极相连，晶体管T2的发射极与电容CO的另一端(负极端)相连，其中，晶体管Tl的发射极与晶体管T2的集电极的串联节点为所述半桥型子单元的输入端(即图4中的端子1)，晶体管T2的发射极与电容CO的另一端的串联节点为所述半桥型子单元的输出端(即图4中的端子2)。
[0055]如图5所示，所述全桥型子单元包括:晶体管Tll及与其反向并联的二极管D11、晶体管T21及与其反向并联的二极管D21、晶体管T12及与其反向并联的二极管D12、晶体管T22及与其反向并联的二极管D22，和电容Cl，晶体管Tll的发射极与晶体管T21的集电极相连，晶体管Tll的集电极、晶体管T12的集电极均与电容Cl的一端(正极端)相连，晶体管T21的发射极、晶体管T22的发射极均与电容Cl的另一端(负极端)相连，晶体管T12的发射极与晶体管T22的集电极相连，其中，晶体管Tll的发射极与晶体管T21的集电极的串联节点为所述全桥型子单元的输入端(即图5中的端子I)，晶体管T12的发射极与晶体管T22的集电极的串联节点为所述全桥型子单元的输出端(即图5中的端子2)。
[0056]如图6所示，所述箝位双子型子单元包括:晶体管Tll'及与其反向并联的二极管Dir、晶体管Τ2Γ及与其反向并联的二极管D2r、晶体管T12,及与其反向并联的二极管D12'、晶体管T22'及与其反向并联的二极管D22'、晶体管TO及与其反向并联的二极管D0、二极管D3、二极管D4、电容C2和电容C3，晶体管Tll'的发射极与晶体管T21'的集电极相连，晶体管Tll'的集电极、二极管D3的阴极均与电容C2的一端(正极端)相连，晶体管T21'的发射极、二极管D4的阴极均与电容C2的另一端(负极端)相连，晶体管TO的集电极与二极管D3的阳极相连，晶体管TO的发射极与二极管D4的阴极相连，晶体管T12'的集电极、二极管D3的阳极均与电容C3的一端(正极端)相连，晶体管T22'的发射极、二极管D4的阳极均与电容C3的另一端(负极端)相连，晶体管T12'的发射极与晶体管T22,的集电极相连，其中，晶体管Tll,的发射极与晶体管T21,的集电极的串联节点为所述箝位双子型子单元的输入端(即图6中的端子I)，晶体管T12'的发射极与晶体管T22'的集电极的串联节点为所述箝位双子型子单元的输出端(即图6中的端子2)。
[0057]上述半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的晶体管可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)、注入增强栅晶体管(IEGT,Inject1n Enhanced Gate Transistor)或其它类型的晶体管。
[0058]优选地，当每个相单元的上桥臂和下桥臂包括的多个子单元均为半桥型子单元时，也即半桥型子单元单独应用时，每个半桥型子单元的输入端(端子I)与输出端(端子2)之间均并联一个晶闸管，所述晶闸管用于在晶体管T2发生短路故障情况下旁路流经与晶体管T2反向并联的二极管D2的电流，保护与晶体管T2反向并联的二极管D2不至于损坏。但是，当每个相单元的上桥臂和下桥臂包括的多个子单元采用两种或以上类型结构的子单元，且该两种或以上类型结构的子单元中包括半桥型子单元时，也即半桥子单元与其它类型结构的子单元混合串联时，则半桥型子单元不需要并联晶闸管。
[0059]本实施例中，每个中高压直流发电单元200均包括m组光伏阵列201和级联直流升压单元202 ;每组光伏阵列201均包括并联的N个光伏阵列201，每个光伏阵列201均根据其所需的输出直流电压和额定功率等级由多个太阳能电池板通过串联和/或并联的方式组成，这里，多个太阳能电池板串联和/或并联指的是，该多个太阳能电池板依次串联，或者该多个太阳能电池板之间均并联，或者某些太阳能电池板并联后再与其余太阳能电池板串联；各组光伏阵列201的输出端与所述级联直流升压单元202的输入端相连，所述级联直流升压单元202的输出端接入一路中高压直流母线300，用于将各组光伏阵列201输出的直流电压升压后再以串联的方式汇流输出至该路中高压直流母线300，且输出至该路中高压直流母线300的输出电压应满足中高压交流电网所需电压等级，例如，中高压直流母线300的电压等级可以为所在交流电站的交流线电压的2倍左右，至于输出电压的具体数值可由本领域技术人员根据每个中高压直流发电单元中中高压汇流箱的数量和光伏阵列的组数，以及每组光伏阵列中包括的光伏阵列的数量来确定；与各个中高压直流发电单元200的级联直流升压单元202的输出端连接的各路中高压直流母线300分别与对应的各个隔离开关400的输入端连接。本实施例中，m、N均为大于1的整数，一般地，N取8-20，至于n、m、N具体取值可由本领域技术人员根据实际情况设定。
[0060]所述级联直流升压单元202可采用现有的任意一种能够将各组光伏阵列201输出的直流电压升压后再以串联的方式汇流输出的电路模块实现；而且，为了使各组光伏阵列201的输出功率达到最大，所述级联直流升压单元202还可具有分别跟踪各组光伏阵列的最大功率点的功能，可通过在所述级联直流升压单元202内集成DC/DC变换器来实现，当然也可以采用其他的能够实现最大功率跟踪功能的电路模块来实现；此外，所述级联直流升压单元202还可具有将各组光伏阵列201和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线300进行电气隔离的功能。
[0061]优选地，所述级联直流升压单元202包括输出端依次串联的m个中高压汇流箱203，串联的级数不少于2级，且这些输出端依次串联的中高压汇流箱203具有两个端头，其中位于一个端头处的中高压汇流箱203的正极输出端与位于另一个端头处的中高压汇流箱203的负极输出端接入一路中高压直流母线300，其余每个中高压汇流箱203的正极输出端均与其串联的前一个中高压汇流箱203的负极输出端相连，其余每个中高压汇流箱203的负极输出端均与其串联的后一个中高压汇流箱203的正极输出端相连，这里，“前”方向指的是图2中的从下至上的方向，“后”方向指的是图2中的从上至下的方向(反之亦可)，对于“中高压汇流箱”及与其“串联的前一个中高压汇流箱”来说，该“串联的前一个中高压汇流箱”可以为图2中的中高压汇流箱1，该“中高压汇流箱”可以为图2中的中高压汇流箱2 ;对于“中高压汇流箱”及与其“串联的后一个中高压汇流箱”来说，该“串联的后一个中高压汇流箱”可以为图2中的中高压汇流箱2，该“中高压汇流箱”可以为图2中的中高压汇流箱1 ;在每个中高压直流发电单元200中，每组光伏阵列201均对应一个中高压汇流箱203，且每组光伏阵列201中的N个光伏阵列201并联后接入对应中高压汇流箱203的输入端，故所述级联直流升压单元202的输入端包括m个中高压汇流箱203的输入端，各组光伏阵列201的输出端与所述级联直流升压单元202的输入端相连指的是各组光伏阵列201的输出端分别与对应的中高压汇流箱203的输入端相连，所述中高压汇流箱203用于将其对应的一组光伏阵列201输出的直流电压(即N个并联的光伏阵列201输出的直流电压)汇流成一路直流电压，并对该路直流电压进行升压处理后从其输出端输出。
[0062]进一步地，在每个中高压直流发电单元200中，每个中高压汇流箱203均具有独立跟踪其对应的一组光伏阵列201的最大功率点的功能，以使其对应的一组光伏阵列201的输出功率达到最大；同时，每个中高压汇流箱203还可具有将其对应的一组光伏阵列201和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线300进行电气隔离的功能。
[0063]为了使中高压汇流箱具有上述功能，优选地，在每个中高压直流发电单元200中，每个中高压汇流箱203均包括汇流排和高绝缘等级的高频升压变压器(其工作频率超过中频，即超过10kHz)，所述汇流排用于将其对应的一组光伏阵列201输出的直流电压汇流成一路直流电压，该汇流排可采用现有的汇流铜排，所述高绝缘等级的高频升压变压器用于对该路直流电压进行升压处理，以及实现其对应的一组光伏阵列201和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线300之间的电气隔离，至于该高频升压变压器的实际绝缘等级和工作频率范围可由本领域技术人员根据其对应的一组光伏阵列的工作电压自行选取，并需满足该高频升压变压器的隔离电压等级远高于其对应的一组光伏阵列的工作电压，可根据中高压交流电网的电压等级(即所在变电站的电压等级)确定该高频升压变压器的隔离电压等级与其对应的一组光伏阵列的工作电压的倍数，该倍数的范围可以是或者接近每个中高压直流发电单元200中所包含的中高压汇流箱203的数量，该倍数还可以为或接近中高压交流电网的电压等级除以lkV，例如，若中高压交流电网的电压等级为10kV，则所述倍数可以为或接近10kV+lkV = 10倍，若中高压交流电网的电压等级为35kV，则所述倍数可以为或接近35kV+lkV = 35倍。进一步地，在每个中高压直流发电单元200中，每个中高压汇流箱203还包括隔离型DC/DC变换器，其输入端与高绝缘等级的高频升压变压器的输出端相连，其输出端即为所述中高压汇流箱203的输出端，用于跟踪其对应的一组光伏阵列201的最大功率点，以使其对应的一组光伏阵列201的输出功率达到最大。
[0064]为了降低中高压汇流箱对地绝缘电压，优选地，在所述输出端依次串联的m个中高压汇流箱203中，输出电压等于或最接近于其所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线300的中点电压的中高压汇流箱203的正极输出端接地或负极输出端接地。也就是说，在该m个中高压汇流箱203中，如果某个中高压汇流箱的输出电压恰好等于中高压直流母线300的中点电压，则该中高压汇流箱的正极输出端接地或负极输出端接地，如果不存在这样输出电压的中高压汇流箱，则相比于其余(m-Ι)个中高压汇流箱的输出电压，最接近于中高压直流母线300的中点电压的那个中高压汇流箱的正极输出端接地或负极输出端接地。
[0065]为了尽量缩短低压直流电缆的长度，有效降低直流损耗，提高系统效率，优选地，在每个中高压直流发电单元200中，每个中高压汇流箱203均安装在其对应的一组光伏阵列201附近，例如安装在该组光伏阵列包括的太阳能电池板的下方，以使得每个中高压汇流箱203与其对应的一组光伏阵列201之间的低压直流电缆的长度最短。
[0066]本实施例中，由于中高压汇流箱203能够实现其对应的一组光伏阵列201和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线300之间的电气隔离，故所述隔离开关400为可选单元，若本实施例所述光伏并网发电系统不包括隔离开关400，则分别与各个中高压直流发电单元200的级联直流升压单元202的输出端连接的各路中高压直流母线300并联后直接形成一路中高压直流母线500再接入集中式中高压光伏并网逆变器600的直流侧；所述充电电路700也为可选单元，若本实施例所述光伏并网发电系统不包括充电电路700，则集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧直接接入中高压交流电网。
[0067]综上所述，本实施例所述光伏并网发电系统从光伏阵列的输出端至中高压交流电网之间所采用的设备与现有技术相比，减少了低压直流电缆的长度，降低了线路损耗，省掉了效率低、损耗大的工频升压变压器，简化了系统的电气结构，减少了设备种类和数量，降低了系统成本，使系统的设计、施工和后期电站运维效率都得到了大幅提升，使整个系统得到进一步、深层次的优化，具有重要的工程应用价值。
[0068]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于中高压直流接入的光伏并网发电系统，其特征在于，包括:中高压直流发电单元和集中式中高压光伏并网逆变器，所述中高压直流发电单元采用至少一个，每个中高压直流发电单元的输出端均接入一路中高压直流母线，用于向该路中高压直流母线输出中高压直流电压，分别与各个中高压直流发电单元的输出端连接的各路中高压直流母线并联后形成一路中高压直流母线再接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧，所述集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧接入中高压交流电网；所述集中式中高压光伏并网逆变器采用模块化多电平拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述集中式中高压光伏并网逆变器包括并联的三个相单元，这三个相单元的并联节点作为所述逆变器的直流输入节点，每个相单元均包括串联的上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的串联节点作为该相单元的交流输出节点，每个相单元的上桥臂、下桥臂均包括与其交流输出节点连接的电感，以及连接在所述电感与直流输入节点之间且依次串联多个子单元。
3.根据权利要求2所述的光伏并网发电系统，其特征在于， 所述多个子单元均采用一种类型结构的子单元，所述一种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任一种， 或者，所述多个子单元采用两种类型结构的子单元，且所述两种类型结构的子单元的数量之和等于所述多个子单元的数量，所述两种类型结构的子单元为半桥型子单元、全桥型子单元和箝位双子型子单元中的任意两种。
4.根据权利要求3所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述多个子单元均为半桥型子单元时，每个半桥型子单元的输入端与输出端之间均并联一个晶闸管。
5.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，每个所述中高压直流发电单元均包括光伏阵列和级联直流升压单元，所述光伏阵列采用多组，每组光伏阵列均包括并联的多个光伏阵列，各组光伏阵列的输出端与所述级联直流升压单元的输入端相连，所述级联直流升压单元的输出端接入一路中高压直流母线，用于将各组光伏阵列输出的直流电压升压后再以串联的方式汇流输出至该路中高压直流母线。
6.根据权利要求5所述的光伏并网发电系统，其特征在于， 所述级联直流升压单元包括输出端依次串联的多个中高压汇流箱，串联的级数不少于2级，且这些输出端依次串联的中高压汇流箱具有两个端头，其中位于一个端头处的中高压汇流箱的正极输出端与位于另一个端头处的中高压汇流箱的负极输出端接入一路中高压直流母线，其余每个中高压汇流箱的正极输出端均与其串联的前一个中高压汇流箱的负极输出端相连，其余每个中高压汇流箱的负极输出端均与其串联的后一个中高压汇流箱的正极输出端相连； 在每个中高压直流发电单元中，每组光伏阵列均对应一个中高压汇流箱，且每组光伏阵列中的多个光伏阵列并联后接入对应中高压汇流箱的输入端，所述中高压汇流箱用于将其对应的一组光伏阵列输出的直流电压汇流成一路直流电压，并对该路直流电压进行升压处理后输出。
7.根据权利要求6所述的光伏并网发电系统，其特征在于，在每个中高压直流发电单元中，每个中高压汇流箱均包括汇流排和高绝缘等级的高频升压变压器，所述汇流排用于将其对应的一组光伏阵列包括的多个光伏阵列输出的直流电压汇流成一路直流电压，所述高绝缘等级的高频升压变压器用于对该路直流电压进行升压处理，以及实现其对应的一组光伏阵列和所在中高压直流发电单元接入的中高压直流母线之间的电气隔离；所述高绝缘等级的高频升压变压器的隔离电压等级远高于其对应的一组光伏阵列的工作电压。
8.根据权利要求7所述的光伏并网发电系统，其特征在于，在每个中高压直流发电单元中，每个中高压汇流箱还包括隔离型DC/DC变换器，用于跟踪其对应的一组光伏阵列的最大功率点，以使其对应的一组光伏阵列的输出功率达到最大。
9.根据权利要求1?8中任一项所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述集中式中高压光伏并网逆变器工作于电流源模式。
10.根据权利要求1?8中任一项所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括隔离开关，其数量与中高压直流发电单元的数量相同且一一对应，各个隔离开关的输入端与其对应的中高压直流发电单元的输出端接入的一路中高压直流母线连接，各个隔离开关的输出端并联后再通过一路中高压直流母线接入集中式中高压光伏并网逆变器的直流侧。
11.根据权利要求1?8中任一项所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括充电电路，其输入端与集中式中高压光伏并网逆变器的交流侧连接，其输出端连接至中高压交流电网，用于缓冲所述光伏并网发电系统上电瞬间中高压交流电网对集中式中高压光伏并网逆变器的冲击。
12.根据权利要求11所述的光伏并网发电系统，其特征在于， 所述充电电路包括充电电阻、开关和断路器，所述充电电阻与开关串联后再与断路器并联。
【文档编号】H02J3/38GK204103504SQ201420487254
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】刘伟增, 李直, 张洁琼 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