一種光伏高壓直流輸電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電設(shè)備接入高壓直流輸電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源在現(xiàn)代社會中起著極其重要的作用，是現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基石之 一，也是目前國際政治、經(jīng)濟的焦點問題。能源問題關(guān)系到國際政治風(fēng)云，關(guān)系到國家的經(jīng) 濟社會發(fā)展。利用可再生能源發(fā)電替代化石能源，是目前各國的普遍選擇。光伏發(fā)電作為可 再生能源發(fā)電的重要形式，由于其潔凈、環(huán)保、利用方式靈活的特點，受到越來越多的重視， 其裝機容量在國內(nèi)迅速發(fā)展。
[0003] 常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)形式以并入交流電網(wǎng)為主。而目前國內(nèi)柔性直流和傳統(tǒng) 直流輸電快速發(fā)展，示范項目越來越多，光伏發(fā)電必須具備接入高壓直流輸電網(wǎng)的能力。
[0004] 常見光伏直流變換器存在輸出電壓較低，且難以一次性升壓到很高電壓的問題， 為了實現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出并入高壓直流電網(wǎng)，目前普遍采取多個光伏直流變換器輸入接獨立 光伏組件，輸出串聯(lián)的方式提高系統(tǒng)的輸出電壓，從而達到輸出更高直流電壓從而接入高 壓直流電網(wǎng)的目的。目前國內(nèi)有較多的文獻和專利對該方案進行闡述。
[0005] CN204103503U提出了一種通過光伏發(fā)電單元輸出串聯(lián)接入中高壓直流系統(tǒng)的 方案，但是方案中各個輸出串聯(lián)光伏發(fā)電單元的輸入端各自獨立，難以實現(xiàn)功率協(xié)調(diào)輸出， 且未給出各個光伏發(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略，同時由于多個光伏發(fā)電單元輸出串聯(lián)如一路 發(fā)電單元出現(xiàn)問題，則整個系統(tǒng)無法必須停機。
[0006] 201310244951. 9提出了一種類似模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)的光伏直流輸電系統(tǒng)， 但其直流變換及功率單元為非隔離拓撲，無法實現(xiàn)高壓輸電與光伏組件之間的安全電氣隔 離，且由于冗余模塊的存在，非故障時冗余模塊對應(yīng)的光伏組件無法實現(xiàn)功率輸出，故障時 單個光伏發(fā)電單元被隔離，光伏組件無法實現(xiàn)功率輸出，降低了光伏組件的利用率。
[0007] CN204068816U，提出了一種利用模塊串聯(lián)提高輸出電壓的方法，具體為多個電 壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端依次相串聯(lián)組成光伏電站，多個光伏電站的輸出端并聯(lián)后作為高壓直 流輸電的輸入端。并且其提出了一種電壓轉(zhuǎn)換模塊的拓撲方案。但該發(fā)明仍然存在單模塊 出現(xiàn)問題時系統(tǒng)將無法運行的問題，且未闡明采用該方案時所采用的控制方法。
[0008] 目前提出的此類方案和專利中，對于光伏直流變換器輸出串聯(lián)拓撲的詳細實施方 案進行了闡述。但該方案中存在一些問題：
[0009] 1.輸入獨立、輸出串聯(lián)的光伏直流變換器連接拓撲中，由于光伏直流變換器連接 的光伏組件不同，其輸入功率波動較大導(dǎo)致其輸出電壓變化大，必須嚴格控制多個光伏直 流變換器輸出電壓均壓，此類控制算法復(fù)雜，可靠性較低。
[0010] 2.光伏直流變換器輸出為串聯(lián)連接，各個模塊的流過相同的并網(wǎng)電流，當(dāng)某個模 塊出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)將無法運行，降低了該系統(tǒng)的可靠性。故障模塊切除時，同時該模 塊連接的光伏組件也被切除，降低了光伏組件的利用率，減小了該電站的光伏發(fā)電量。
[0011] 3.該系統(tǒng)接入高壓直流電網(wǎng)，其電壓一般為10kV以上，而光伏組件的對地耐壓一 般為lkv或1. 5kV，為了保證光伏組件的設(shè)備安全及組件維護人員的人身安全，必須將直流 變換器兩側(cè)的高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)進行隔離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)輸出串聯(lián)拓撲的光伏高壓直流輸電系統(tǒng)控制復(fù)雜、可 靠性低、容易對低壓系統(tǒng)引入高壓的問題，提出一種光伏高壓直流輸電系統(tǒng)。
[0013] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0014] 本發(fā)明光伏高壓直流輸電系統(tǒng)包含光伏發(fā)電單元、光伏熱備發(fā)電單元、光伏輸入 側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線、系統(tǒng)控制器、高壓直流輸電線路，以及高壓逆變器。所述光伏發(fā)電單元與光 伏熱備發(fā)電單元輸出側(cè)并聯(lián)連接，隨后連接高壓直流輸電線路，在高壓輸電線路另一側(cè)通 過高壓逆變器將直流電變換為交流電接入交流高壓電網(wǎng)。所述光伏發(fā)電單元至少采用2 個，光伏熱備發(fā)電單元至少采用1個。多個所述光伏發(fā)電單元之間串聯(lián)，并與光伏熱備發(fā)電 單元輸出側(cè)串聯(lián)連接；所述系統(tǒng)控制器用于對所有光伏發(fā)電單元和光伏熱備發(fā)電單元進行 統(tǒng)一控制；所述高壓逆變器為集中式高壓逆變器，采用模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)。
[0015] 光伏發(fā)電單元包含光伏組件、光伏MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功 率點跟蹤）用DC/DC變換器、低壓隔離開關(guān)、光伏升壓變流器和高壓隔離旁路開關(guān)。光伏組 件、光伏MPPT用DC/DC變換器、低壓隔離開關(guān)、光伏升壓變流器和高壓隔離旁路開關(guān)之間順 序串聯(lián)連接。光伏發(fā)電單元用于正常工作時將光伏組件發(fā)出能量輸送至輸出側(cè)。
[0016] 光伏熱備發(fā)電單元包含低壓隔離開關(guān)、光伏升壓變流器和高壓隔離旁路開關(guān)。低 壓隔離開關(guān)、光伏升壓變流器、高壓隔離旁路開關(guān)之間順序串聯(lián)連接；光伏熱備發(fā)電單元用 于在本發(fā)明光伏高壓直流輸電系統(tǒng)某個光伏發(fā)電單元故障切除后，在系統(tǒng)不停機的狀態(tài)下 投入運行，從而提高本發(fā)明光伏高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性。光伏發(fā)電單元和光伏熱備發(fā) 電單元的低壓隔離開關(guān)輸入側(cè)通過光伏輸入側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)并聯(lián)；
[0017] 低壓隔離開關(guān)包含一個隔離開關(guān)。所述隔離開關(guān)可以為機械式接觸器、斷路器，也 可以是電力電子開關(guān)器件，如IGBT;所述低壓隔離開關(guān)用于光伏升壓變流器故障時將變流 器輸入側(cè)斷開，便于更換變流器。
[0018] 高壓隔離旁路開關(guān)包含一個故障隔離開關(guān)和一個故障旁路開關(guān)，故障旁路開關(guān)并 聯(lián)在故障隔離開關(guān)的輸出側(cè)；所述故障隔離開關(guān)和故障旁路開關(guān)可以為機械式接觸器、斷 路器，也可以是電力電子開關(guān)器件，如IGBT;所述高壓隔離旁路開關(guān)用于光伏升壓變流器 故障時將變流器旁路，并與高壓輸電系統(tǒng)形成隔離點，便于更換變流器。
[0019] 光伏MPPT用DC/DC變換器實現(xiàn)對光伏組件的最大功率跟蹤功能，其具體拓撲可以 為隔離拓撲也可以為非隔離拓撲。所述變換器對于大容量系統(tǒng)，可以為升壓拓撲，從而可以 提高輸出直流電壓降低系統(tǒng)損耗；所述變換器前端至少接一路光伏組件，當(dāng)連接多路光伏 組件時變換器包含光伏匯流模塊。
[0020] 光伏升壓變流器拓撲必須為隔離拓撲且具備一定升壓能力，所述光伏升壓變流器 的隔離變壓器耐壓應(yīng)為直流輸電系統(tǒng)最大電壓；所述光伏升壓變流器還包括一個變流器控 制器，用于在變流器故障停機、在線投入時的過渡過程控制變流器工作狀態(tài)；所述光伏升壓 變流器為高度模塊化設(shè)計，當(dāng)出現(xiàn)故障時采用整體更換的方式進行維護，大大減少系統(tǒng)維 護時間，提高系統(tǒng)可靠性。
[0021] 光伏發(fā)電單元和光伏熱備發(fā)電單元的低壓隔離開關(guān)輸入側(cè)利用光伏輸入側(cè)并聯(lián) 聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)并聯(lián)，從而實現(xiàn)光伏升壓變流器輸入側(cè)并聯(lián)輸出側(cè)串聯(lián)，從而簡化系統(tǒng)控制方 案。
[0022] 系統(tǒng)控制器對所有光伏發(fā)電單元和光伏熱備發(fā)電單元采用統(tǒng)一占空比控制；系統(tǒng) 控制器至少采集高壓直流電網(wǎng)并網(wǎng)電流，在正常運行時根據(jù)統(tǒng)一占空比產(chǎn)生算法運算后， 將占空比信號輸出至變流器控制器，光伏發(fā)電單元的變流器按照占空比信號運行，光伏發(fā) 電單元的變流器只接收占空比信號而不運行，處于熱備狀態(tài)。
[0023] 當(dāng)某一光伏發(fā)電單元的光伏升壓變流器故障時，系統(tǒng)控制器發(fā)出控制信號，旁路 發(fā)生故障的光伏發(fā)電單元，并啟動光伏熱備發(fā)電單元，使其輸出電壓達到均壓水平，實現(xiàn)對 故障光伏發(fā)電單元前端光伏組件的能量輸出，充分利用光伏組件發(fā)電量；隨后系統(tǒng)控制器 對故障光伏發(fā)電單元的低壓隔離開關(guān)和高壓隔離開關(guān)發(fā)出信號，將故障光伏升壓變流器隔 離，可進行維護或維修。
[0024] 光伏熱備發(fā)電單元的數(shù)量根據(jù)光伏發(fā)電單元的數(shù)量和故障頻率來綜合確定，故障 頻率高則光伏后熱備發(fā)電單元數(shù)量多；光伏輸入側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線線纜截面的選擇與光伏熱備 發(fā)電單元數(shù)量有關(guān)，光伏輸入側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線線纜的截面面積可根據(jù)其流過的最大電流和聯(lián) 絡(luò)線線纜類型共同確定，故障時流過光伏輸入側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線的最大電流滿足如下公式： xF
[0025] l=mx- U
[0026] 其中Ρ為光伏發(fā)電單元的功率，U為光伏輸入側(cè)并聯(lián)聯(lián)絡(luò)線的電壓，m為光伏熱備 發(fā)電單元的數(shù)量，I為故障時流過光伏熱備發(fā)電單元的最大電流。
[0027] 光伏發(fā)電