串联式中高压光伏方阵及系统探索

北京科诺伟业科技股份有限公司、北京鉴衡认证中心的研究人员王哲、刘莉敏等，在2015年第2期《电气技术》杂志上撰文，探索一种串联式中高压光伏方阵及系统实现方法，目的是解决组件串联数量受光伏组件的耐压≤1000V所限的问题。为提高发电功率，目前采用若干台的汇流设备将大量的光伏组串进行并联的方法，具有电缆应用数量多、传输电流大、配套设备多及损耗严重等缺点。 　　本方案提出一种光伏发电系统串联式中高压方阵解决方案，利用光伏组串高压隔离功率调节模块具有的最大功率点跟踪MPPT、DC/DC、安全监控、高压隔离（隔离电压＞Uxmax）等特点，将若干光伏组串进行高压隔离，再通过组串之间再串联实现串联式高压光伏方阵，该方案去除了汇流设备及升压变压器，可提高逆变、直流设备输入电压，减小传输电流，增大发电功率，降低传输损耗及设备故障率，同时满足不同功率光伏组串功率的再串联，实现光伏直流高压传输的目的。 　　太阳能光伏电站在国家的政策激励下飞速发展，装机容量已达到20GW。光伏发电站的容量取决于光伏电池板的数量，光伏组件通过光伏组串/阵列组成光伏发电系统的模块单元，典型应用串联数量最多20~22块，这取决于组件承受的耐压，目前国内、外组件串联后的组串电压≤1000V。 　　为提高发电功量，目前国内、外都采两种方式： 　　一是用大量光伏组串/阵列经直流汇流设备并联增大电流提高功率输出，在经逆变器逆变交流输出，此方法也被称为集中式详见图1。该方式要求组串性能参数相近，但无法实现组串独立MPPT最大功率点自动跟踪，造成部分功率损失。对电站建设条件复杂、面积有限的光伏发电站，如屋顶、荒山坡岭等，为满足各组串电压相等，组串设计时必须考虑取舍，造成资源浪费。 　　二是采用一种组串型逆变器，将2~3组组串直接输入组串型逆变器中，实现每组组串的独立MPPT最大功率点跟踪，再并联由组串式逆变器逆变交流输出，此类型功率较小（＜30kW），为增加功率需由多台组串型逆变器经交流汇流设备并联输出详见图2。两种类型其实质都是组串之间的并联，存在大电流传输线路及汇流设备损耗大，电缆数量、故障多等诸多问题。同时两种逆变设备均为电流型器件，也存在损耗大的问题。 　　而且，受光伏组串的并联结构输入直流电压＜1000v所限，目前集中型逆变器输出多为270V和330V电压等级，经变压器升压输出到电网。而组串式逆变器将多台逆变器并联在经变压器输出到电网，还存在增加损耗及成本的问题。 　　目前光伏系统升压输出基本有二种方式，一为光伏组串并联（并联方阵）经汇流、逆变器交流变压器升压输出，多为集中式；二为光伏组串并联经逆变器交流汇流再经变压器升压输出，多为组串式。其实质还是利用大量组串之间并联（并联式方阵）提高光伏方阵输出功率。 　　针对以上问题，本文提出串联式高压光伏方阵的解决方案（相对目前集中式、组串式应用光伏方阵），通过增加光伏组串数量、提高方阵输出电压、降低输出电流，满足更高等级无变压器并网，提高光伏组串弱光条件下能量输出，减少电缆及汇流设备数量，采用高压拓扑结构逆变器或直流设备，实现线路、逆变器或直流设备损耗减少，降低电缆、汇流设备、变压器成本，提高光伏组串发电效率，适应分布式、大型光伏电站及未来中、高电压直流输电的需求。 　　结论 　　对国家新能源发展解读，发展安全、稳定、可调度、多能互补的中高压交、直流电站是未来的方向。在本方案中采用串联式高压光伏方阵，其拓扑摒弃大量的汇流设备及并网变压器，提高逆变、直流设备输入电压，减少传输电流，并优化、增大发电功率，降低传输线路、设备损耗及故障，同时满足不同功率光伏组串功率的再串联，实现光伏直流中、高压传输的目的。 　　随着国家政策推进国内光伏市场快速增长，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，将光伏组串高压隔离功率调节模块技术延伸及未来电站的思考：在光伏组串式高压隔离功率调节模块增加储能功能，实现具有储能功能串联式光伏方阵参见图14 　　利用“模块化多电平技术”以光伏组串功率单元（光伏组串+模块）为控制对象，实现储能、无汇流、无变压器、无大型设备房及化整为零的逆变器装置，实现单元化多电平星型或角形串联式中高压光伏电站系统，参见图15、16。 　　同样技术延伸，实现多能互补（风、光、水、生物、储能等）等不同特性电源之间补偿调节，将多种能源与多模块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，利用系统功率单元可冗余、输出功率可不同等模块化的特点，将储能、多能互补、逆变融为一体，组成一个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。 　　未来智能光伏电站日新月异，今天的想法则是明天的现实。