串聯(lián)式中高壓光伏方陣及系統(tǒng)探索

北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司、北京鑒衡認(rèn)證中心的研究人員王哲、劉莉敏等，在2015年第2期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，探索一種串聯(lián)式中高壓光伏方陣及系統(tǒng)實現(xiàn)方法，目的是解決組件串聯(lián)數(shù)量受光伏組件的耐壓≤1000V所限的問題。為提高發(fā)電功率，目前采用若干臺的匯流設(shè)備將大量的光伏組串進(jìn)行并聯(lián)的方法，具有電纜應(yīng)用數(shù)量多、傳輸電流大、配套設(shè)備多及損耗嚴(yán)重等缺點。 　　本方案提出一種光伏發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)式中高壓方陣解決方案，利用光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊具有的最大功率點跟蹤MPPT、DC/DC、安全監(jiān)控、高壓隔離（隔離電壓＞Uxmax）等特點，將若干光伏組串進(jìn)行高壓隔離，再通過組串之間再串聯(lián)實現(xiàn)串聯(lián)式高壓光伏方陣，該方案去除了匯流設(shè)備及升壓變壓器，可提高逆變、直流設(shè)備輸入電壓，減小傳輸電流，增大發(fā)電功率，降低傳輸損耗及設(shè)備故障率，同時滿足不同功率光伏組串功率的再串聯(lián)，實現(xiàn)光伏直流高壓傳輸?shù)哪康摹? 　　太陽能光伏電站在國家的政策激勵下飛速發(fā)展，裝機(jī)容量已達(dá)到20GW。光伏發(fā)電站的容量取決于光伏電池板的數(shù)量，光伏組件通過光伏組串/陣列組成光伏發(fā)電系統(tǒng)的模塊單元，典型應(yīng)用串聯(lián)數(shù)量最多20~22塊，這取決于組件承受的耐壓，目前國內(nèi)、外組件串聯(lián)后的組串電壓≤1000V。 　　為提高發(fā)電功量，目前國內(nèi)、外都采兩種方式： 　　一是用大量光伏組串/陣列經(jīng)直流匯流設(shè)備并聯(lián)增大電流提高功率輸出，在經(jīng)逆變器逆變交流輸出，此方法也被稱為集中式詳見圖1。該方式要求組串性能參數(shù)相近，但無法實現(xiàn)組串獨立MPPT最大功率點自動跟蹤，造成部分功率損失。對電站建設(shè)條件復(fù)雜、面積有限的光伏發(fā)電站，如屋頂、荒山坡嶺等，為滿足各組串電壓相等，組串設(shè)計時必須考慮取舍，造成資源浪費。 　　二是采用一種組串型逆變器，將2~3組組串直接輸入組串型逆變器中，實現(xiàn)每組組串的獨立MPPT最大功率點跟蹤，再并聯(lián)由組串式逆變器逆變交流輸出，此類型功率較?。ǎ?0kW），為增加功率需由多臺組串型逆變器經(jīng)交流匯流設(shè)備并聯(lián)輸出詳見圖2。兩種類型其實質(zhì)都是組串之間的并聯(lián)，存在大電流傳輸線路及匯流設(shè)備損耗大，電纜數(shù)量、故障多等諸多問題。同時兩種逆變設(shè)備均為電流型器件，也存在損耗大的問題。 　　而且，受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入直流電壓＜1000v所限，目前集中型逆變器輸出多為270V和330V電壓等級，經(jīng)變壓器升壓輸出到電網(wǎng)。而組串式逆變器將多臺逆變器并聯(lián)在經(jīng)變壓器輸出到電網(wǎng)，還存在增加損耗及成本的問題。 　　目前光伏系統(tǒng)升壓輸出基本有二種方式，一為光伏組串并聯(lián)（并聯(lián)方陣）經(jīng)匯流、逆變器交流變壓器升壓輸出，多為集中式；二為光伏組串并聯(lián)經(jīng)逆變器交流匯流再經(jīng)變壓器升壓輸出，多為組串式。其實質(zhì)還是利用大量組串之間并聯(lián)（并聯(lián)式方陣）提高光伏方陣輸出功率。 　　針對以上問題，本文提出串聯(lián)式高壓光伏方陣的解決方案（相對目前集中式、組串式應(yīng)用光伏方陣），通過增加光伏組串?dāng)?shù)量、提高方陣輸出電壓、降低輸出電流，滿足更高等級無變壓器并網(wǎng)，提高光伏組串弱光條件下能量輸出，減少電纜及匯流設(shè)備數(shù)量，采用高壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器或直流設(shè)備，實現(xiàn)線路、逆變器或直流設(shè)備損耗減少，降低電纜、匯流設(shè)備、變壓器成本，提高光伏組串發(fā)電效率，適應(yīng)分布式、大型光伏電站及未來中、高電壓直流輸電的需求。 　　結(jié)論 　　對國家新能源發(fā)展解讀，發(fā)展安全、穩(wěn)定、可調(diào)度、多能互補(bǔ)的中高壓交、直流電站是未來的方向。在本方案中采用串聯(lián)式高壓光伏方陣，其拓?fù)滢饤壌罅康膮R流設(shè)備及并網(wǎng)變壓器，提高逆變、直流設(shè)備輸入電壓，減少傳輸電流，并優(yōu)化、增大發(fā)電功率，降低傳輸線路、設(shè)備損耗及故障，同時滿足不同功率光伏組串功率的再串聯(lián)，實現(xiàn)光伏直流中、高壓傳輸?shù)哪康摹? 　　隨著國家政策推進(jìn)國內(nèi)光伏市場快速增長，電站規(guī)模朝大型化、智能化方向發(fā)展，加速了光伏電站技術(shù)創(chuàng)新的需求，結(jié)合新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新方案及多技術(shù)融合，將光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊技術(shù)延伸及未來電站的思考：在光伏組串式高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊增加儲能功能，實現(xiàn)具有儲能功能串聯(lián)式光伏方陣參見圖14 　　利用“模塊化多電平技術(shù)”以光伏組串功率單元（光伏組串+模塊）為控制對象，實現(xiàn)儲能、無匯流、無變壓器、無大型設(shè)備房及化整為零的逆變器裝置，實現(xiàn)單元化多電平星型或角形串聯(lián)式中高壓光伏電站系統(tǒng)，參見圖15、16。 　　同樣技術(shù)延伸，實現(xiàn)多能互補(bǔ)（風(fēng)、光、水、生物、儲能等）等不同特性電源之間補(bǔ)償調(diào)節(jié)，將多種能源與多模塊連接組成若干不同能源功率單元，將各個功率單元串聯(lián)連接，利用系統(tǒng)功率單元可冗余、輸出功率可不同等模塊化的特點，將儲能、多能互補(bǔ)、逆變?nèi)跒橐惑w，組成一個單元化多能互補(bǔ)串聯(lián)高壓微電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電、水電、煤電等不同特性電源之間補(bǔ)償調(diào)節(jié)，解決新能源出力隨機(jī)性和波動性等問題。 　　未來智能光伏電站日新月異，今天的想法則是明天的現(xiàn)實。