星、角型三相互补平衡串联式光伏电站系统研究（上）

■ 王哲杨子龙林燕梅王胜利刘莉敏定世攀

（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）

星、角型三相互补平衡串联式光伏电站系统研究（上）

■ 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）

介绍一种全新的光伏电站结构——星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站，目的是提高光伏电站的输出电压，降低电站建设成本，平抑电网波动，保障电网供电质量，实现区域性大规模、高比例、远距离输电。重点研究拓扑结构、控制原理和策略，并给出不同光伏电站应用的性能对比。在该光伏电站中通过DC/AC功率转换装置将输入光伏组串隔离，多装置输出串联，组成单相交流串联式光伏发电单元，通过星型或角型和储能设备连接，在星、角型并网平衡控制器协调管理下，可最大限度获取低辐照度光伏方阵发电量，保证星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站输出相对平衡、稳定，同时提高了系统的故障冗余度。依据电网及负载的需求合理选择储能电池容量，可实现对电网短时支撑及电量削峰填谷的作用。

串联式光伏发电单元；平衡控制器；公共储能；三相互补；平衡功率；优化

0　引言

国家快速推进新能源建设，同步在政策上推出利好措施，在设施上加大高压电网的输送能力建设。然而大型光伏电站的建设目前还停留在集中式和组串式两种方式上。集中式是将大量光伏组串并联组成并联方阵，再经逆变器逆变交流输出，增大输出电流，提高并联方阵功率输出。组串式是将多组组串直接输入组串型逆变器中，首先实现每个光伏组串的独立最大功率点跟踪（MPPT），之后再并联由逆变交流输出。这两种方式的实质是组串间的并联，电压低（≤1000 V）、电流大、电缆设备损耗大、汇流设备多、电缆数量多，且逆变器为电流型拓扑结构，功率损耗大，尤其在弱光条件下功率损失更为严重。集中式应用中，由于光伏组串性能参数不一致及无法实现光伏组串自身自动MPPT，造成发电功率损失；而组串式逆变器由于并网数量多，极易引起系统振荡造成脱网，特别是并网点处于大电网的末端、弱电网和远离负载时，现象尤为严重。

为了满足MPPT及提高输出电压等级，提高光伏组串更低电压输出能量的利用、减少电缆及汇流设备数量、减小DC/AC转换设备体积，同时满足能量管理、SVG功能及能源互联网需求，提出一种星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统。

该系统采用三组单相交流串联式光伏发电单元，通过星、角连接及储能结合，提高星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站的输出电压，减少输出电流，降低输电缆损耗，实现逆变器化整为零、无变压器输出、距离长线传输，减少电缆、汇流设备、逆变器控制室及相关设备的投入，降低成本。通过一种DC/AC功率转换装置解决光伏组串与系统隔离、MPPT，保障最大发电量的输出，减少汇流设备和直流电缆，大幅降低因直流拉电弧的几率，提高系统安全性。

通过储能最大限度地获得光伏发电，保障系统三相平衡输出，对电网有功、无功支撑闪变及波动的抑制作用，使光伏发电高比例接入电网成为可能。同时满足未来区域性、高压大型光伏电站远距离发电发展的需求。

1　拓扑结构设计

1.1星、角型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统拓扑

星、角型三相交流串联式光伏方阵由3个单相交流串联式光伏方阵、公共储能电池组和星、角型并网平衡控制器组成，见图1和图2。其中，3个单相交流串联式光伏发电单元通过星型和角型连接，组成星型和角型三相互补平衡串联式高压光伏电站；星型三相互补平衡串联式高压光伏电站的公共连接点与公共储能电池组连接；角型三相互补平衡串联式高压光伏电站的3个连接点处分别对应与3组储能电池组连接。

图1　星型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统框图

1.2单相交流串联式光伏发电单元拓扑

所述的单相交流串联式光伏发电单元由m台高压隔离DC/AC功率转换装置串联组成，m为≥1的整数，详见图3。

所述的单相交流串联式光伏发电单元中，第1台高压隔离DC/AC功率转换装置输出尾端与第2台高压隔离DC/AC功率转换装置输出首端连接，第2台高压隔离DC/AC功率转换装置输出尾端与第3台高压隔离DC/AC功率转换装置输出首端连接，依此类推，第m-1台高压隔离DC/AC功率转换装置输出尾端与第m台高压隔离DC/AC功率转换装置输出首端连接，组成单相交流串联式光伏发电单元。

图2　角型三相互补平衡串联式高压光伏电站系统框图

图3　单相交流串联式光伏发电单元框图

第1台高压隔离DC/AC功率转换装置输出的首端为单相交流串联式光伏发电单元的首输出端，第m台高压隔离DC/AC功率转换装置输出尾端为单相交流串联式光伏发电单元的尾输出端。每台串联式光伏发电单元高压隔离DC/AC功率转换装置输入端连接光伏组串的输出端［1］。

1.3高压隔离DC/AC功率转换装置拓扑

组成单相交流串联式光伏发电单元的高压隔离DC/AC功率转换装置由n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，n为≥1的整数。

以下将高压隔离DC/AC功率转换装置简称为“DC/AC功率转换装置”，详见图4。

图4　星型DC/AC功率转换装置示意图

所述光伏组串的输出端与DC/AC功率转换装置中最大功率跟踪模块的输入端连接，经该最大功率跟踪模块对光伏组串MPPT输出功率；n个最大功率跟踪模块的输出端并联，并联后再分别与DC/AC转换模块、电源模块输入端并联；n个最大功率跟踪模块提供DC/AC转换模块、电源模块电源；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n个最大功率跟踪模块及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DC/AC功率转换装置输出串联；DC/AC转换模块与储能电池组连接。

以星型三相互补串联式高压光伏电站为例。该电站由A相、B相、C相3个单相交流串联式光伏发电单元、公共储能电池组EABC，以及星、角型并网平衡控制器组成。A相、B相、C相3个单相交流串联式光伏发电单元星型连接，组成星型三相交流串联式光伏发电单元，并在A相、B相、C相3个单相交流串联式光伏发电单元的公共连接点与公共储能电池组EABC连接；星型三相互补平衡串联式高压光伏电站输出端与星、角型并网平衡控制器输入端连接，星、角型并网平衡控制器输出端与并网点电网三相电源连接，在星、角型并网平衡控制器控制下，协调三相交串联式光伏发电单元平衡输出。

2　控制原理

2.1三相平衡原则

由于光伏组串最高承受电压＜1000 V，若将光伏组串之间串联，势必造成光伏组件电压击穿损坏。为此，在每个光伏组串之间增加一个高压隔离环节，提高光伏组串的隔离电压能力。在每个光伏组串通过DC/AC功率转换装置进行高压电气隔离后输出，使每个功率DC/AC转换装置的耐电压＞交流系统电压Uacsmax，由此实现m个功率DC/AC功率转换装置的串联。

由于DC/AC功率转换装置的隔离电压提高，m个DC/AC功率转换装置串联的输出电压分别为星型三相交流串联式光伏发电单元输出的相电压Uas、Ubs、Ucs。

式中，Ua1、Ua2、Uam分别为A相交流串联式光伏发电单元中的DC/AC功率转换装置1、装置2、装置m的输出电压。同理，Ub1、Ub2、 Ubm，Uc1、Uc2、Ucm分别为B相、C相交流串联式光伏发电单元中对应的DC/AC功率转换装置输出电压。

由于每个DC/AC功率转换装置中的光伏组件参数有偏差，或某一时刻辐照量不同，或组成的光组串数量不同，使每个DC/AC功率转换装置的输出电压Uam、Ubm、Ucm有可能不同。为保证星型三相交流串联式光伏发电单元输出平衡，即Uas=Ubs=Ucs=Uacs（Uacs为并网点交流电压）及Pa=Pb=Pc，则Ias=Ibs=Ics。星、角型并网平衡控制器对星型三相交流串联式光伏发电单元中每个DC/AC功率转换装置输出电压进行协调控制，使：

式中，Ias、Ibs、Ics分别为星型三相交流串联式光伏发电单元输出电流；Pa、Pb、Pc分别为星型三相交流串联式光伏发电单元每相输出功率。

2.2DC/AC功率转换装置工作状态

2.2.1低辐照度

在无辐照度或辐照度很低时，DC/AC功率转换装置没有电源供给，此时由于保护继电器开关接点闭合，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为交流隔离输出模块的功率输入内阻，由此输出阻抗R=0 Ω，没有功率输出。

2.2.2有辐照度

在辐照度逐渐增加时，每相交流串联式光伏发电单元中DC/AC功率转换装置输入功率同步增加，DC/AC功率转换装置中的输入电压满足电源模块中DC/DC启动电压时，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；使第m个DC/AC功率转换装置中的控制器模块，实时检测储能

电池组数据，分析电压值是否小于汇流母排传感器电压值。当公共储能电池组电压小于汇流母排电压传感器时，控制器模块控制储能控制电路对公共储能电池组充电，同时控制器模块实时监测DC/AC转换模块充放电电流检测电流传感器电流值；当该电流为零时控制器模块控制储能控制电路对储能电池组停止充电。同时，控制器模块分别通过同步电路和双向通讯电路与星、角型并网平衡控制器建立同步及通讯联系，功率调节模块进入默认工作状态。

［1］王哲， 刘丽敏， 王胜利， 等. 串联式中高压串联式光伏方阵及系统探索［J］. 电气技术， 2015， （2）: 1673-3800.

（待续）

2016-01-07

国家高技术研究发展（863）计划（2011AA05A303）

王哲（1957—），男，高级工程师，主要从事光伏系统测控技术方面的研究。wangzhe@bjcorona.com