星、角型三相互补平衡串联式光伏电站系统研究（下）

■ 王哲杨子龙林燕梅王胜利刘莉敏定世攀（.北京科诺伟业科技股份有限公司；.中国科学院电工研究所）

星、角型三相互补平衡串联式光伏电站系统研究（下）

■ 王哲1*杨子龙2林燕梅1王胜利1刘莉敏1定世攀1
（1.北京科诺伟业科技股份有限公司；2.中国科学院电工研究所）

2.3工作模式

2.3.1默认工作模式

在有光照条件下但光伏方阵输出功率不能满足星型三相互补串联式高压光伏电站工作，为保证光伏能量充分利用，星、角型并网平衡控制器控制每相交流串联式光伏发电单元进行蓄能控制，使每相交流串联式光伏发电单元输出功率，通过第m台DC/AC功率转换装置，对公共储能电池充电，详见图5。

图5　星型三相互补平衡串联式高压光伏电站非并网状态储能原理框图

星、角型并网平衡控制器与每相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置建立同步及通讯，并实时发送同步信号及交互数据，同时确认每相交流串联式光伏发电单元中工作的DC/AC功率转换装置的数量。当星、角型并网平衡控制器监测到已进入工作的DC/AC功率转换装置的数量满足式（3）时，控制DC/AC功率转换装置输出高阻状态，星、角型并网平衡控制器中的协调控制器控制并网交流接触器吸合，使星型A、B、C三相互补串联式高压光伏电站并网。

式中，Ummax为DC/AC功率转换装置最大输出电压；Mmin为DC/AC功率转换装置最小数量。

由于此时每相交流串联式光伏发电单元中DC/AC功率转换装置无功率输出，所有DC/ AC功率转换装置输出阻抗为R1=R2=R3=…=Rm。则有每个DC/AC功率转换装置输出端分压为：Uam=Uas/m，Ua1=Ua2=Ua3=…=Uam，同理，Ubm=Ubs/m、Ub1=Ub2=Ub3=…=Ubm，Ucm=Ucs/m，Uc1=Uc2=Uc3=…=Ucm。该分压经高压隔离变压器反向将对应星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率、电压耦合到DC/AC功率转换装置中，控制器模块通过相位监测电压传感器读取此相交流串联式光伏发电单元的相位、频率及电压信息，并将信息上传到星、角型并网平衡控制器。

此时，星、角型并网平衡控制器依据此星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率、电压数据及同步信息，向对应的DC/AC功率转换装置发送控制数据及同步脉冲信号，DC/AC功率转换装置的控制器模块依据此数据及同步脉冲信号，控制功率驱动电路经交流隔离输出模块交流输出，进入正常工作模式。

2.3.2正常工作模式

当DC/AC功率转换装置的控制器模块依据此星型三相交流串联式光伏发电单元的相位、频率、电压数据及同步脉冲信号输出交流电压时，控制器模块中，CPU通过A/D采样电路分别采集每个最大功率跟踪模块的电流及汇流母排电压，并依据MPPT策略，通过控制光电隔离电路输出脉冲信号，控制最大功率跟踪模块的功率开关的开闭，实现MPPT最大功率跟踪。

此时每个DC/AC功率转换装置中的控制器通过A/D采样电路分别检测n个最大功率跟踪模块、汇流母排和储能DC/AC转换模块的电流、电压；同样，星型连接的每相交流串联式光伏发电单元的第m个DC/AC功率转换装置中的控制器通过A/D采样电路分别检测储能电池组的电流、电压。

通过双向通讯电路经光纤或无线将数据上传到星、角型并网平衡控制器中。星、角型并网平衡控制器依据此数据及星、角型并网平衡控制器监测的并网点相位、频率、电压信息进行三相平衡、相位、同步控制分析计算和功率优化策略分析计算，向对应的三相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置回传控制数据。每个DC/AC功率转换装置中的控制器依据接收数据及控制策略对应输出星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率、电流及电压。

2.3.3短路开关工作模式

短路开关正常时处于开路状态，当某一DC/ AC功率转换装置维护或更换退出星型三相交流串联式光伏发电单元时，为不影响星型三相互补串联式高压光伏电站正常工作，将短路开关快速闭合。

3　控制策略

3.1同步策略

在默认工作模式下，星、角型并网平衡控制器监测到每相交流串联式光伏发电单元中的DC/ AC功率转换装置最小数量Mmin=Uacs/Ummax满足工作条件时，星、角型并网平衡控制器中的协调控制器控制并网互补接触器吸合，使星型三相互补串联式高压光伏电站并网。

当星型三相互补串联式高压光伏电站正常工作时，星、角型并网平衡控制器中的输入模块分别检测到并网点三相交流电源的相位、频率、电流及电压数据，分别依据每相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置回传数据、各种工作策略及计算出过零点时间，分别通过协调控制器中的多机通信模块、时序控制模块对应向每相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置发送控制数据及同步脉冲信号。DC/AC功率转换装置的控制器模块依据此数据及同步脉冲信号，控制H桥功率驱动电路经交流隔离输出模块交流输出。

3.2正常工作模式下的三相平衡控制策略

3.2.1储能能量三相平衡控制策略

由于云的影响，部分光伏组件输出功率出现波动，与此部分光伏组件对应的DC/AC功率转换装置输入功率升高或下降，造成星型三相互补串联式高压光伏电站失去平衡。由于每相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置实时检测汇流母排电压、每个最大功率跟踪模块电流及第m个DC/AC功率转换装置中的公共储能电池组的电流、电压，并通过双向通讯电路向星、角型并网平衡控制器交互数据。星、角型并网平衡控制器将获取的每个DC/AC功率转换装置的数据分析计算，为保证星型三相互补串联式高压光伏电站输出平衡，对每相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置输出功率大小调整。

1）首先确保每相交流串联式光伏发电单元的第1～m-1个DC/AC功率转换装置最大功率输出。

2）不足功率通过第m个DC/AC功率转换装置补充，补充后的多余功率通过第m个DC/AC功率转换装置保存到公共储能电池组中。

3）公共储能电池储能。由于星型三相互补串联式高压光伏电站的公共储能电池组容量为每相交流串联式光伏发电单元共享公共储能电池组容量，则星型三相交流串联式高压光伏电站平衡输出，是在星、角型并网平衡控制器通过每相交流串联式光伏发电单元的第m个DC/AC功率转换装置对公共储能电池组进行充放电控制。

4）平衡输出调整。如星型三相交流串联式光伏发电单元PA相中的第2个DC/AC功率转换装置输出功率Pa2下降，则PA＜PB=PC，PBPA=ΔPA，星、角型并网平衡控制器依据已存前一次公共储能电池组容量数据及功率优化原理，保证PA+ΔPA=PB=PC。通过每相交流串联光伏发电单元最大功率输出及系统电压求出交流串联光伏发电单元最大电流Iacs=（PA+ΔPA）/Vacs，并利用此电流Iacs计算出每相串联光伏发电单元中每个DC/AC功率转换装置的输出电压，与此同时，A相交流串联式光伏发电单元通过第m个DC/AC功率转换装置由公共储能电池补充ΔPA功率输出。其中ΔPA为A相交流串联光伏发电单元与B相或C相的差值。

如星型三相交流串联式光伏发电单元中第m个输出功率值为Pam=ΔPA，则A相：Va1=Pa1/Iacs，Va2= Pa2/Iacs，…，Vam=Pam/Iacs；B相：Vb1=Pb1/Iacs，Vb2=Pb2/Iacs，…，Vb（m-1）= Pb（m-1）/ Iacs；

C相：Vc1=Pc1/Iacs，Vc2=Pc2/Iacs，…，Vc（m-1）= Pc（m-1）/ Iacs。

3.2.2储能能量为零的三相平衡控制策略

当星、角型并网平衡控制器检测到公共储能电池组容量不能支持星型三相互补串联式高压光伏电站输出平衡时，如星型三相交流串联式光伏发电单元PA相中的第2个DC/AC功率转换装置输出功率Pa2下降，则PA＜PB=PC，星、角型并网平衡控制器依据功率优化原理，求出A相串联光伏发电单元最大输出电流Iacs=PA/Vacs，并利用A相串联光伏发电单元最大输出电流Iacs计算出A相串联光伏发电单元中的每个DC/AC功率转换装置的输出电压，如Va1=Pa1/Iacs，Va2=Pa2/Iacs，…，Vam=Pam/Iacs；为保障三相交流输出平衡，则利用星型三相互补串联式高压光伏电站中发电功率最?小的一相交流串联式光伏发电单元与另两个相交流串联式光伏发电单元进行比例系数计算，则有B相、C相串联光伏发电单元PA/PB=xb、PA/ PC=xc，由此计算出比例系数xb、xc，利用此比例系数分别计算出：

由此可分别计算出B相、C相串联光伏发电单元中每个DC/AC功率转换装置的输出电压值。

B相：Vb1=Pb1xb/Iacs，Vb2=Pb2xb/Iacs，…，Vbm= Pbmxb/ Iacs；

C相：Vc1=Pc1xc/Iacs，Vc2=Pc2xc/Iacs，…，Vcm= Pcmxc/ Iacs。

由此B相、C相串联光伏发电单元中的每个DC/AC功率转换装置的输出功率Pbmxb＜Pbm、Pcmxc＜Pcm，则有ΔPbm= Pbm-Pbmxb，ΔPcm= Pcm-Pcmxc。

由此，星型三相交流串联式光伏发电单元中的每个DC/AC功率转换装置执行星、角型并网平衡控制器发送的数据后，将分别按每相的每个DC/AC功率转换装置的输出电压值Vam、Vbm、Vcm输出电压，而ΔPbm、ΔPcm存储到每相交流串联式光伏发电单元的第m个DC/AC功率转换装置中的公共储能电池组中。

3.3DC/AC功率转换装置启动、退出控制策略

当DC/AC功率转换装置中的输入光伏组串功率满足电源模块中DC/DC启动功率时，DC/ DC输出直流电压使控制器工作。控制器模块初始化，分别使保护继电器工作，DC/AC功率转换装置输出阻抗R=B2r Ω，DC/AC功率转换装置工作；当DC/AC功率转换装置输入光伏组串功率低于DC/AC功率转换装置启动时的启动功率，或DC/AC功率转换装置出现故障没有输出时，由于无供电，模块保护继电器开关接点闭合，变压器输入内阻r=0 Ω，不影响星型三相互补串联式高压光伏电站正常工作。此时星、角型并网平衡控制器无法接收到该DC/AC功率转换装置的数据。

3.4星型三相互补串联式高压光伏电站停机控制策略

当星型三相互补串联式高压光伏电站的其中一相发电单元低于星型三相互补串联式高压光伏电站的下限功率时，且储能电池组无法支持星型三相互补串联式高压光伏电站平衡调节时，星、角型并网平衡控制器中协调控制器通过多机通讯模块下传数据，控制所有DC/AC功率转换装置停止输出，同时协调控制器控制并网交流接触器断开，使星型三相互补串联式高压光伏电站与电网脱离。

3.5功率优化控制策略

当DC/AC功率转换装置进入正常工作模式时，由于云的无规律遮挡造成逆变器输出功率不同，使星型三相互补串联式高压光伏电站中的DC/AC功率转换装置的输出功率也不同。为保证星型三相互补串联式高压光伏电站输出功率最大，星、角型并网平衡控制器分别将星型三相交流串联式光伏发电单元中每相交流串联式光伏发电单元的所有DC/AC功率转换装置的输出功率求和，计算出每相交流串联式光伏发电单元功率；并依据收到的公共储能电池组容量数据计算出星型三相交流串联式光伏发电单元平衡状态时输出电流；再将每相交流串联式光伏发电单元中的每一个DC/AC功率转换装置的输出功率除以该相交流串联式光伏发电单元电流，计算出每一个串联式光伏发电单元高压隔离模块的输出电压，该输出电压为该相交流串联式光伏发电单元优化功率输出的一组电压。星、角型并网平衡控制器将优化电压对应传输到每相交流串联式光伏发电单元的每个DC/AC功率转换装置中，使所有串联式光伏发电单元的高压隔离交流DC/AC功率转换装置输出电压之和等于并网点交流电压。如在无云遮挡时，每相交流串联式光伏发电单元中DC/AC功率转换装置输出功率相同，同时星、角型并网平衡控制器依据优化控制策略，分配到每相交流串联式光伏发电单元中每个DC/AC功率转换装置的输出电压也相等，输出的优化电压=并网点交流电压/DC/ AC功率转换装置串联个数。

当DC/AC功率转换装置中的控制器模块接收到星、角型并网平衡控制器下发数据后，控制器模块CPU依据此数据通过功率驱动电路输出对应星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率及功率，再经交流隔离输出模块输出交流功率。

而星型连接的每相交流串联式光伏发电单元中的第m个DC/AC功率转换装置在完成上述功能以外，控制器模块通过光电隔离电路，控制储能控制电路对公共储能电池组进行充放电控制。

3.6意外故障控制策略

正常工作模式时，星型三相互补串联式高压光伏电站中的每个DC/AC功率转换装置实时监测星、角型并网平衡控制器的同步脉冲信号和通讯数据，保持与电网相位、频率同步及DC/AC功率转换装置的输出电流Iacs，同时向星、角型并网平衡控制器回传DC/AC功率转换装置数据及确认同步响应信息。当电网突发断电，或星、角型并网平衡控制器意外停止工作，或通讯数据、同步脉冲中断，或输出电流Iacs减小到星型三相互补串联式高压光伏电站工作电流下限值时，DC/AC功率转换装置快速响应，在短时间内，进入默认工作状态，并实时监测对应星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率、电压信息及同步脉冲。

当星型三相互补串联式高压光伏电站中的某个DC/AC功率转换装置出现故障时：

1）当DC/AC功率转换装置储能DC/AC转换模块损坏，在＜5 ms的时间内无功率输出，此时DC/AC功率转换装置中控制器模块仍正常工作，控制器模块监测输出功率与星、角型并网平衡控制器下发的功率数据不同时，控制器模块快速控制保护继电器开关接点闭合，变压器输入内阻r=0 Ω，不影响星型三相互补串联式高压光伏电站正常工作；同时，控制器模块上传故障数据到星、角型并网平衡控制器。当更换维护时，进行短路开关工作模式。

2）DC/AC功率转换装置监测输入光伏组串的输入功率。当某路光伏组串出现短路、断路时，控制器模块控制该最大功率跟踪模块停止工作，并将故障信息上传到星、角型并网平衡控制器。

3）DC/AC功率转换装置故障恢复后启动策略。当星型三相互补串联式高压光伏电站正常工作模式时，星、角型并网平衡控制器获得某相交流串联式光伏发电单元需启动故障恢复后的DC/ AC功率转换装置时，星、角型并网平衡控制器依据启动故障恢复后的DC/AC功率转换装置数据结合三相平衡控制策略向星型三相互补串联式高压光伏电站中所有DC/AC功率转换装置下传对应的星型三相互补串联式高压光伏电站的相位、频率和电压信息，DC/AC功率转换装置中控制器模块依据收到的相位、频率、电压数据及同步脉冲，控制功率驱动电路经交流隔离输出模块输出交流功率。

4　性能比较

表1　3种类型光伏应用电站比较

结合表1以10 MW容量、10 kV并网光伏电站为例，进行3种光伏电站形式比较。由表1可知串联式光伏电站具有以下优点：

1）摒弃了大量汇流设备，避免由大量熔丝、断路器引起故障及误动作，提高了可靠性。

2）串联式光伏电站提高交流输出电压，减少传输电流，减少电缆及设备的功率损耗，同时降低由于直流拉电弧引起的故障。

3）弱光条件下功率最大化。

4）电站装机容量大。

5）降低成本：逆变器化整为零、减少或取消导线、汇流箱、汇流柜、逆变器房及升压变等。

6） IP65固化密封、自然冷却设计结构简单。

7）实现不同功率组串的串联，解决荒山坡岭等大型光伏电站由于面积、形状不同，安装组件功率不一致等给组串并联带来的困难。

8）加入储能电池可改善电网质量，同时有效利用光伏能源保障三相交流平衡输出。

9）实现SVG基本功能。

5　结论

针对集中式、组串式在大型光伏电站应用中存在的问题，本文采用一种DC/AC功率转换装置串联实现串联式光伏发电单元，通过三组交流串联式光伏发电单元星、角型连接，组成星、角型三相互补串联式高压光伏电站。通过在星、角型三相互补串联式高压光伏电站的连接点与公共储能电池组连接，形成星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站结构。

尤其在星、角型三相互补串联式高压光伏电站中引入一定的储能设备，可最大限度获取低辐照度光伏发电单元发电量，在星、角型并网平衡控制器协调管理，实现三相互补、平衡、稳定最佳功率输出，抑制电网三相不平衡及波动等大大提高电网供电质量。结合互联网实现有功、无功功率能量调度管理，有利于高比例接入电网，大大减少光伏弃光现象。

研制应用中还应重点关注：安装、维护、运行安全可靠；故障冗余最佳数量；依据需求如何合理配置储能电池容量；安全、快速更换故障DC/AC功率转换装置结构；应急故障处理措施；光伏电站安全护栏等级。

随着光伏市场快速增长，电站规模朝大型化、智能化方向发展，加速了光伏电站技术创新的需求，结合新技术、新材料、新设备、新方案及多技术融合，将星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统技术延伸至未来电站的思考：通过改变DC/AC功率转换装置输入发电源性质，如风电，同样可实现以上论述的效果；也可采用多种能源（风、光、水、生物质、储能等）输入等不同特性电源之间补偿调节，将多种能源与多DC/AC功率转换装置连接组成若干不同能源功率单元，将各个功率单元串联连接，利用星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统可冗余、输出功率可不同等特点，组成单元化多能互补串联高压微电网系统，实现风电、太阳能发电、水电、煤电等不同特性电源之间补偿调节，解决新能源出力随机性和波动性等问题［2］。

［2］王哲， 林燕梅， 刘璇璇， 等. 未来智能光伏电站几点思考［J］.太阳能， 2014， （9）: 26-29.