CN105305407A - 一种光伏高压直流输电*** - Google Patents
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Abstract
一种光伏高压直流输电***,至少包含2个光伏发电单元和1个光伏热备发电单元。2个以上的所述光伏发电单元之间串联,并与光伏热备发电单元(15)的输出侧串联连接,随后接入高压直流输电线路(16),高压直流输电线路(16)的输出侧与高压逆变器(17)的输入侧连接,高压逆变器(17)输出高压三相交流电,并入交流高压电网(18),多个光伏发电单元和光伏热备发电单元(15)的低压隔离开关输入侧通过光伏输入侧并联联络线(110)并联连接在一起;所述***控制器(15)通过信号线与光伏发电单元和光伏热备发电单元的变流器控制器连接,用于对光伏发电单元和光伏热备发电单元的控制;所述的高压逆变器(17)采用模块化多电平拓扑结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏发电设备接入高压直流输电***。
背景技术
能源在现代社会中起着极其重要的作用,是现代社会赖以生存和发展的基石之一,也是目前国际政治、经济的焦点问题。能源问题关系到国际政治风云,关系到国家的经济社会发展。利用可再生能源发电替代化石能源,是目前各国的普遍选择。光伏发电作为可再生能源发电的重要形式,由于其洁净、环保、利用方式灵活的特点,受到越来越多的重视,其装机容量在国内迅速发展。
常见的光伏发电***并网形式以并入交流电网为主。而目前国内柔性直流和传统直流输电快速发展,示范项目越来越多,光伏发电必须具备接入高压直流输电网的能力。
常见光伏直流变换器存在输出电压较低,且难以一次性升压到很高电压的问题,为了实现光伏***输出并入高压直流电网,目前普遍采取多个光伏直流变换器输入接独立光伏组件,输出串联的方式提高***的输出电压,从而达到输出更高直流电压从而接入高压直流电网的目的。目前国内有较多的文献和专利对该方案进行阐述。
CN204103503U提出了一种通过光伏发电单元输出串联接入中高压直流***的方案,但是方案中各个输出串联光伏发电单元的输入端各自独立,难以实现功率协调输出,且未给出各个光伏发电单元的协调控制策略,同时由于多个光伏发电单元输出串联如一路发电单元出现问题,则整个***无法必须停机。
201310244951.9提出了一种类似模块化多电平变流器结构的光伏直流输电***,但其直流变换及功率单元为非隔离拓扑,无法实现高压输电与光伏组件之间的安全电气隔离,且由于冗余模块的存在,非故障时冗余模块对应的光伏组件无法实现功率输出,故障时单个光伏发电单元被隔离,光伏组件无法实现功率输出,降低了光伏组件的利用率。
CN204068816U,提出了一种利用模块串联提高输出电压的方法,具体为多个电压转换模块的输出端依次相串联组成光伏电站,多个光伏电站的输出端并联后作为高压直流输电的输入端。并且其提出了一种电压转换模块的拓扑方案。但该发明仍然存在单模块出现问题时***将无法运行的问题,且未阐明采用该方案时所采用的控制方法。
目前提出的此类方案和专利中,对于光伏直流变换器输出串联拓扑的详细实施方案进行了阐述。但该方案中存在一些问题:
1.输入独立、输出串联的光伏直流变换器连接拓扑中,由于光伏直流变换器连接的光伏组件不同,其输入功率波动较大导致其输出电压变化大,必须严格控制多个光伏直流变换器输出电压均压,此类控制算法复杂,可靠性较低。
2.光伏直流变换器输出为串联连接,各个模块的流过相同的并网电流,当某个模块出现故障时,整个***将无法运行,降低了该***的可靠性。故障模块切除时,同时该模块连接的光伏组件也被切除,降低了光伏组件的利用率,减小了该电站的光伏发电量。
3.该***接入高压直流电网,其电压一般为10kV以上,而光伏组件的对地耐压一般为1kV或1.5kV,为了保证光伏组件的设备安全及组件维护人员的人身安全,必须将直流变换器两侧的高压***和低压***进行隔离。
发明内容
本发明目的是克服现有技术输出串联拓扑的光伏高压直流输电***控制复杂、可靠性低、容易对低压***引入高压的问题,提出一种光伏高压直流输电***。
本发明所采用的技术方案如下:
本发明光伏高压直流输电***包含光伏发电单元、光伏热备发电单元、光伏输入侧并联联络线、***控制器、高压直流输电线路,以及高压逆变器。所述光伏发电单元与光伏热备发电单元输出侧并联连接,随后连接高压直流输电线路,在高压输电线路另一侧通过高压逆变器将直流电变换为交流电接入交流高压电网。所述光伏发电单元至少采用2个,光伏热备发电单元至少采用1个。多个所述光伏发电单元之间串联,并与光伏热备发电单元输出侧串联连接;所述***控制器用于对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元进行统一控制;所述高压逆变器为集中式高压逆变器,采用模块化多电平拓扑结构。
光伏发电单元包含光伏组件、光伏MPPT(MaximumPowerPointTracking,最大功率点跟踪)用DC/DC变换器、低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关。光伏组件、光伏MPPT用DC/DC变换器、低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关之间顺序串联连接。光伏发电单元用于正常工作时将光伏组件发出能量输送至输出侧。
光伏热备发电单元包含低压隔离开关、光伏升压变流器和高压隔离旁路开关。低压隔离开关、光伏升压变流器、高压隔离旁路开关之间顺序串联连接;光伏热备发电单元用于在本发明光伏高压直流输电***某个光伏发电单元故障切除后,在***不停机的状态下投入运行,从而提高本发明光伏高压直流输电***的可靠性。光伏发电单元和光伏热备发电单元的低压隔离开关输入侧通过光伏输入侧并联联络线实现并联;
低压隔离开关包含一个隔离开关。所述隔离开关可以为机械式接触器、断路器,也可以是电力电子开关器件,如IGBT;所述低压隔离开关用于光伏升压变流器故障时将变流器输入侧断开,便于更换变流器。
高压隔离旁路开关包含一个故障隔离开关和一个故障旁路开关,故障旁路开关并联在故障隔离开关的输出侧;所述故障隔离开关和故障旁路开关可以为机械式接触器、断路器,也可以是电力电子开关器件,如IGBT;所述高压隔离旁路开关用于光伏升压变流器故障时将变流器旁路,并与高压输电***形成隔离点,便于更换变流器。
光伏MPPT用DC/DC变换器实现对光伏组件的最大功率跟踪功能,其具体拓扑可以为隔离拓扑也可以为非隔离拓扑。所述变换器对于大容量***,可以为升压拓扑,从而可以提高输出直流电压降低***损耗;所述变换器前端至少接一路光伏组件,当连接多路光伏组件时变换器包含光伏汇流模块。
光伏升压变流器拓扑必须为隔离拓扑且具备一定升压能力,所述光伏升压变流器的隔离变压器耐压应为直流输电***最大电压;所述光伏升压变流器还包括一个变流器控制器,用于在变流器故障停机、在线投入时的过渡过程控制变流器工作状态;所述光伏升压变流器为高度模块化设计,当出现故障时采用整体更换的方式进行维护,大大减少***维护时间,提高***可靠性。
光伏发电单元和光伏热备发电单元的低压隔离开关输入侧利用光伏输入侧并联联络线实现并联,从而实现光伏升压变流器输入侧并联输出侧串联,从而简化***控制方案。
***控制器对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元采用统一占空比控制;***控制器至少采集高压直流电网并网电流,在正常运行时根据统一占空比产生算法运算后,将占空比信号输出至变流器控制器,光伏发电单元的变流器按照占空比信号运行,光伏发电单元的变流器只接收占空比信号而不运行,处于热备状态。
当某一光伏发电单元的光伏升压变流器故障时,***控制器发出控制信号,旁路发生故障的光伏发电单元,并启动光伏热备发电单元,使其输出电压达到均压水平,实现对故障光伏发电单元前端光伏组件的能量输出,充分利用光伏组件发电量;随后***控制器对故障光伏发电单元的低压隔离开关和高压隔离开关发出信号,将故障光伏升压变流器隔离,可进行维护或维修。
光伏热备发电单元的数量根据光伏发电单元的数量和故障频率来综合确定,故障频率高则光伏后热备发电单元数量多;光伏输入侧并联联络线线缆截面的选择与光伏热备发电单元数量有关,光伏输入侧并联联络线线缆的截面面积可根据其流过的最大电流和联络线线缆类型共同确定,故障时流过光伏输入侧并联联络线的最大电流满足如下公式:
其中P为光伏发电单元的功率,U为光伏输入侧并联联络线的电压,m为光伏热备发电单元的数量,I为故障时流过光伏热备发电单元的最大电流。
光伏发电单元、光伏热备发电单元、***控制器、光伏输入侧并联联络线组成一路光伏直流高压发电单元,其中光伏发电单元的输出侧和光伏热备发电单元输出侧串联,光伏输入侧并联联络线将光伏发电单元和光伏热备发电单元低压隔离开关输入侧并联起来,***控制器通过输出动作信号控制低压隔离开关和高压隔离旁路开关、输出控制信号控制变流器控制器。本发明光伏高压直流输电***根据并网容量和直流高压输电网的容量,可设计有多路彼此独立的光伏直流高压发电单元,多路彼此独立的光伏直流高压发电单元的输出并联连接到直流高压输电网中。
本发明的有益效果:
1.针对传统的输出串联光伏发电单元,本发明通过在低压隔离开关前端增加一条光伏输入侧并联联络线,从而达到均衡各光伏升压变流器输入功率的目的,从而大大简化了光伏升压变流器的控制方式,同时采用联络线进行功率均衡避免了因直流汇流电流过大导致的损耗过大问题,提高了***效率。
2.本发明在常规光伏发电单元之外,又配备了光伏热备发电单元,正常运行时光伏热备发电单元接入***但不运行传输功率,当某光伏发电单元故障退出运行时,该热备单元投入运行,通过联络线接管其前端光伏组件的电能,进行变换后并入高压直流电网。实现了***不停机投入热备发电单元,大大提高了***可靠性。
3.本发明在光伏升压变流器低压侧和高压侧增加隔离开关,保证可以在***不停机的情况下将故障模块切除,并与运行***形成电气隔离,方便模块拆除检修维护。
附图说明
图1为本发明实施例的***方案拓扑图;
图中:11第一光伏发电单元,12第二光伏发电单元,13第n-1光伏发电单元n-1,14第n光伏发电单元n,15光伏热备发电单元,16高压直流输电线路,17高压逆变器,18交流高压电网,19***控制器,110光伏输入侧并联联络线。
图2为本发明实施例光伏发电单元的结构图;
图中:21光伏组件,22光伏MPPT用DC/DC变换器,23低压隔离开关,24光伏升压变流器,25高压隔离旁路开关,26变流器控制器;
图3为本发明实施例光伏热备发电单元结构图,
图中:23低压隔离开关,24光伏升压变流器,25高压隔离旁路开关,26变流器控制器。
图4为本发明实施例低压隔离开关结构图;
图5为本发明实施例高压隔离旁路开关结构图,
图中:QF2故障隔离开关,QF3故障旁路开关;
图6为本发明实施例***控制器结构图,
图中:191低压隔离开关动作信号,192光伏发电单元及光伏热备发电单元统一占空比信号,193高压隔离旁路开关动作信号,194光伏发电单元输出电流检测信号。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明实施例拓扑图。如图1所示,本发明光伏高压直流输电***包含第一光伏发电单元11、第二光伏发电单元12、第n-1光伏发电单元13、第n光伏发电单元14、光伏发电热备单元15、光伏输入侧并联联络线110、***控制器19、高压直流输电线路16,以及高压逆变器17。本实施例中光伏发电单元至少采用n个,n为整数,n>1,光伏热备发电单元采用1个;n个光伏发电单元之间彼此串联,且和光伏热备发电单元输出侧串联连接,随后接入高压直流输电线路16,高压直流输电线路16的输出侧与高压逆变器17的输入侧连接,高压逆变器17输出高压三相交流电,并入交流高压电网18,n个光伏发电单元和光伏热备发电单元的低压隔离开关输入侧通过光伏输入侧并联联络线110并联连接在一起。所述***控制器19用于对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元进行统一控制,该控制器包含至少三个输出信号,一个输入信号,三个输出信号分别为低压隔离开关动作信号191、光伏发电单元及光伏热备发电单元统一占空比信号192、高压隔离旁路开关动作信号193,输入信号为光伏发电单元输出电流检测信号194。所述高压逆变器17为集中式结构,采用模块化多电平拓扑结构。
图2为本发明实施例光伏发电单元的结构图。如图2所示,光伏发电单元包括光伏组件21、光伏MPPT用DC/DC变换器22、低压隔离开关23、光伏升压变流器24、高压隔离旁路开关25;光伏组件21的输出连接光伏MPPT用DC/DC变换器22的输入侧,光伏MPPT用DC/DC变换器22的输出侧连接低压隔离开关23的一端,低压隔离开关23的另一端连接光伏升压变流器24的输入侧,光伏升压变流器24的输出侧串联连接高压隔离旁路开关25,高压隔离旁路开关25输出侧形成光伏发电单元的输出侧,变流器控制器26与光伏升压变流器24集成为一体。
光伏MPPT用DC/DC变换器22实现对光伏组件的最大功率跟踪功能,其具体拓扑可以为隔离拓扑也可以为非隔离拓扑;所述光伏MPPT用DC/DC变换器22对于大容量***,可以为升压拓扑,从而可以提高输出直流电压降低***损耗;所述光伏MPPT用DC/DC变换器22的前端至少连接一路光伏组件,当连接多路光伏组件时光伏MPPT用DC/DC变换器包含光伏汇流模块。
图3为本发明实施例光伏热备发电单元结构图。如图3所示,光伏热备发电单元15包含低压隔离开关23,光伏升压变流器24,高压隔离旁路开关25,变流器控制器26。上述元件顺序串联连接。
光伏热备发电单元15对光伏发电单元形成热备。用于光伏发电单元故障退出运行时,接管退出运行的光伏发电单元前端的光伏组件,将光伏组件发出的电能变换后汇入直流高压电网。
光伏升压变流器14的拓扑必须为隔离拓扑,且具备一定升压能力,所述光伏升压变流器24的隔离变压器耐压应为直流输电***最大电压;所述光伏升压变流器还包括一个变流器控制器,用于在变流器故障停机、在线投入时的过渡过程控制变流器工作状态;所述光伏升压变流器为高度模块化设计,当出现故障时采用整体更换的方式进行维护,大大减少***维护时间,提高***可靠性。
图4为本发明实施例低压隔离开关23的结构图。所述低压隔离开关23包含一个隔离开关QF1。图5为本发明实施例高压隔离旁路开关25结构图。高压隔离旁路开关25包含故障隔离开关QF2和故障旁路开关QF3。隔离开关QF1、故障隔离开关QF2、故障旁路开关QF3可以为机械式接触器、断路器,也可以是电力电子开关器件,如IGBT;机械式隔离开关容易形成机械断电,更加有利于检修维护,电力电子器件构成的隔离开关,可用于切断运行电流或设备环流,电力电子器件构成的隔离开关可以单独使用,也可与隔离刀闸配合使用。所述低压隔离开关25用于光伏升压变流器故障时将变流器输入侧断开,与光伏MPPT用DC/DC控制器22形成隔离点,所述故障旁路开关QF3用于光伏升压变流器故障时将变流器旁路,所述高压隔离旁路开关25用于光伏升压变流器故障时将变流器输出侧断开,与高压输电***形成隔离点,便于更换变流器。低压隔离开关23和高压隔离旁路开关25用于故障时旁路光伏升压变流器,并与前后侧形成明显的电气断电,方便将高度模块化的光伏升压变流器抽出维护。
图6为本发明实施例***控制器19的结构图。***控制器19的输出信号主要有:191低压隔离开关动作信号,192光伏发电单元及光伏热备发电单元统一占空比信号,193高压隔离旁路开关动作信号。***控制器的输入信号主要有194光伏发电单元输出电流检测信号。***控制器19对所有光伏发电单元和光伏热备发电单元采用统一占空比控制;***控制器19至少采集高压直流电网并网电流,在正常运行时根据统一占空比产生算法运算后,将占空比信号输出至变流器控制器,光伏发电单元的变流器按照占空比信号运行,光伏发电单元的变流器只接收占空比信号而不运行,处于热备状态。
光伏发电单元和光伏热备发电单元的低压隔离开关输入侧利用光伏输入侧并联联络线实现并联,从而实现光伏升压变流器输入侧并联输出侧串联,从而简化***控制方案。
当某一光伏发电单元的光伏升压变流器故障时,***控制器发出控制信号,旁路发生故障的光伏发电单元,并启动光伏热备发电单元,使其输出电压达到均压水平,实现对故障光伏发电单元前端光伏组件的能量输出,充分利用光伏组件发电量;随后***控制器对故障光伏发电单元的低压隔离开关和高压隔离开关发出信号,将故障光伏升压变流器隔离,可进行维护或维修。
光伏热备发电单元的数量根据光伏发电单元的数量和故障频率来综合确定,故障频率高则光伏后热备发电单元数量多;光伏输入侧并联联络线线缆截面的选择与光伏热备发电单元数量有关,光伏输入侧并联联络线的截面面积可根据其流过的最大电流和联络线线缆类型共同确定,故障时流过光伏输入侧并联联络线的最大电流满足如下公式:
其中I为故障时流过光伏热备发电单元的最大电流,P为光伏发电单元的功率,U为光伏输入侧并联联络线的电压,m为光伏热备发电单元的数量。
输出串联的多个光伏发电单元输出、光伏热备发电单元输出和***控制器输出串联,光伏发电单元、光伏热备发电单元、***控制器和光伏输入侧并联联络线组成一路光伏直流高压发电单元。本发明光伏高压直流输电***根据并网容量和直流高压输电网的容量,可设计有彼此独立的多路光伏直流高压发电单元,多路光伏直流高压发电单元的输出并联,连接到直流高压输电网中。
本发明光伏高压直流输电***,通过增加一条光伏输入侧并联联络线,从而达到均衡各光伏升压变流器输入功率的目的,从而大大简化了光伏升压变流器的控制方式,同时采用联络线进行功率均衡避免了因直流汇流电流过大导致的损耗过大问题,提高了***效率。本发明配备了光伏热备发电单元,避免因部分光伏发电单元推出运行而导致的发电量损失,实现了***不停机投入热备发电单元,大大提高了***可靠性,充分利用了光伏组件。本发明在升压变流器低压侧和高压侧都增加了隔离开关,保证可以在***不停机的情况下将故障模块切除,并与运行***形成电气隔离,方便模块拆除检修维护,大大缩短了***的停电维护时间,提高***发电量。
Claims (10)
1.一种光伏高压直流输电***,其特征在于:所述的光伏高压直流输电***包含光伏发电单元、光伏发电热备单元(15)、光伏输入侧并联联络线(110)、***控制器(19)、高压直流输电线路(1),以及高压逆变器(17);所述光伏发电单元至少为2个,光伏热备发电单元(15)至少采用1个;2个以上的所述光伏发电单元之间串联,并与光伏热备发电单元(15)的输出侧串联连接,随后接入高压直流输电线路(16),高压直流输电线路(16)的输出侧与高压逆变器(17)的输入侧连接,高压逆变器(17)输出高压三相交流电,并入交流高压电网(18),多个光伏发电单元和光伏热备发电单元(15)的低压隔离开关输入侧通过光伏输入侧并联联络线(110)并联连接在一起;所述***控制器(15)通过信号线与光伏发电单元和光伏热备发电单元的变流器控制器连接,用于对光伏发电单元和光伏热备发电单元的控制;所述的高压逆变器(17)采用模块化多电平拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述的光伏发电单元包含光伏组件(21)、光伏MPPT最大功率点跟踪用DC/DC变换器(22)、低压隔离开关(23)、光伏升压变流器(24)和高压隔离旁路开关(25);光伏组件(21)的输出连接光伏MPPT用DC/DC变换器(22)的输入侧,光伏MPPT用DC/DC变换器(22)的输出侧连接低压隔离开关(23)的一端,低压隔离开关(23)的另一端连接光伏升压变流器(24)的输入侧,光伏升压变流器(24)的输出侧串联连接高压隔离旁路开关(25),高压隔离旁路开关(25)的输出侧形成光伏发电单元的输出侧,变流器控制器(26)与光伏升压变流器(24)集成为一体。
3.根据权利要求1或2所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述的光伏热备发电单元(15)的组成结构与光伏发电单元相同;光伏热备发电单元用于在某个光伏发电单元故障切除后,在***不停机的状态下投入运行。
4.根据权利要求2所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述低压隔离开关(23)包含一个隔离开关(QF1);所述隔离开关(QF1)为机械式接触器、断路器或电力电子开关器件;所述低压隔离开关(23)用于光伏升压变流器故障时,将光伏升压变流器输入侧断开。
5.根据权利要求2所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述高压隔离旁路开关(25)包含一个故障隔离开关(QF2)和一个故障旁路开关(QF3);所述故障隔离开关(QF2)和故障旁路开关(QF3)为机械式接触器、断路器或电力电子开关器件;所述高压隔离旁路开关(25)用于光伏升压变流器故障时将变流器旁路,并与高压输电***形成隔离点。
6.根据权利要求2所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述光伏MPPT用DC/DC变换器(22)实现对光伏组件的最大功率跟踪功能;对于大容量***,所述光伏MPPT用DC/DC变换器(22)为升压拓扑,提高输出直流电压降低***损耗;所述光伏MPPT用DC/DC变换器(22)前端至少连接一路光伏组件,当连接多路光伏组件时,所述光伏MPPT用DC/DC变换器(22)包含光伏汇流模块。
7.根据权利要求2所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:所述光伏升压变流器为隔离拓扑且具备升压能力,所述光伏升压变流器的隔离变压器耐压应为直流输电***最大电压;所述光伏升压变流器还包括一个变流器控制器,用于在变流器故障停机、在线投入时的过渡过程控制变流器工作状态;所述光伏升压变流器为模块化设计。
8.根据权利要求1所述光伏高压直流输电***,其特征在于:所述***控制器(15)至少采集高压直流电网并网电流,在正常运行时根据统一占空比产生算法运算后,将占空比信号输出至变流器控制器,光伏发电单元的变流器按照占空比信号运行,光伏发电单元的变流器只接收占空比信号而不运行,处于热备状态。
9.根据权利要求1所述的光伏高压直流输电***,其特征在于:当某一光伏发电单元的光伏升压变流器故障时,***控制器(15)发出控制信号,旁路发生故障的光伏发电单元,并启动光伏热备发电单元,使其输出电压达到均压水平,实现对故障光伏发电单元前端光伏组件的能量输出;随后***控制器(15)对故障光伏发电单元的低压隔离开关和高压隔离开关发出信号,将故障光伏升压变流器隔离,进行维护或维修。
10.根据权利要求1所述光伏高压直流输电***,其特征在于:所述的光伏热备发电单元的数量根据光伏发电单元的数量和故障频率确定,故障频率高则光伏后热备发电单元数量多;光伏输入侧并联联络线线缆截面的选择与光伏热备发电单元的数量有关,光伏输入侧并联联络线的截面面积根据其流过的最大电流和联络线线缆类型共同确定,故障时流过光伏输入侧并联联络线的最大电流满足如下公式:
其中P为光伏发电单元的功率,U为光伏输入侧并联联络线的电压,m为光伏热备发电单元的数量,I为故障时流过光伏热备发电单元的最大电流。
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Cited By (11)
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