星、角型三相互補平衡串聯式光伏電站系統研究（下）

■ 王哲楊子龍林燕梅王勝利劉莉敏定世攀（.北京科諾偉業科技股份有限公司；.中國科學院電工研究所）

星、角型三相互補平衡串聯式光伏電站系統研究（下）

■ 王哲1*楊子龍2林燕梅1王勝利1劉莉敏1定世攀1
（1.北京科諾偉業科技股份有限公司；2.中國科學院電工研究所）

2.3工作模式

2.3.1默認工作模式

在有光照條件下但光伏方陣輸出功率不能滿足星型三相互補串聯式高壓光伏電站工作，為保證光伏能量充分利用，星、角型并網平衡控制器控制每相交流串聯式光伏發電單元進行蓄能控制，使每相交流串聯式光伏發電單元輸出功率，通過第m臺DC/AC功率轉換裝置，對公共儲能電池充電，詳見圖5。

圖5　星型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站非并網狀態儲能原理框圖

星、角型并網平衡控制器與每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置建立同步及通訊，并實時發送同步信號及交互數據，同時確認每相交流串聯式光伏發電單元中工作的DC/AC功率轉換裝置的數量。當星、角型并網平衡控制器監測到已進入工作的DC/AC功率轉換裝置的數量滿足式（3）時，控制DC/AC功率轉換裝置輸出高阻狀態，星、角型并網平衡控制器中的協調控制器控制并網交流接觸器吸合，使星型A、B、C三相互補串聯式高壓光伏電站并網。

式中，Ummax為DC/AC功率轉換裝置最大輸出電壓；Mmin為DC/AC功率轉換裝置最小數量。

由于此時每相交流串聯式光伏發電單元中DC/AC功率轉換裝置無功率輸出，所有DC/ AC功率轉換裝置輸出阻抗為R1=R2=R3=…=Rm。則有每個DC/AC功率轉換裝置輸出端分壓為：Uam=Uas/m，Ua1=Ua2=Ua3=…=Uam，同理，Ubm=Ubs/m、Ub1=Ub2=Ub3=…=Ubm，Ucm=Ucs/m，Uc1=Uc2=Uc3=…=Ucm。該分壓經高壓隔離變壓器反向將對應星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率、電壓耦合到DC/AC功率轉換裝置中，控制器模塊通過相位監測電壓傳感器讀取此相交流串聯式光伏發電單元的相位、頻率及電壓信息，并將信息上傳到星、角型并網平衡控制器。

此時，星、角型并網平衡控制器依據此星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率、電壓數據及同步信息，向對應的DC/AC功率轉換裝置發送控制數據及同步脈沖信號，DC/AC功率轉換裝置的控制器模塊依據此數據及同步脈沖信號，控制功率驅動電路經交流隔離輸出模塊交流輸出，進入正常工作模式。

2.3.2正常工作模式

當DC/AC功率轉換裝置的控制器模塊依據此星型三相交流串聯式光伏發電單元的相位、頻率、電壓數據及同步脈沖信號輸出交流電壓時，控制器模塊中，CPU通過A/D采樣電路分別采集每個最大功率跟蹤模塊的電流及匯流母排電壓，并依據MPPT策略，通過控制光電隔離電路輸出脈沖信號，控制最大功率跟蹤模塊的功率開關的開閉，實現MPPT最大功率跟蹤。

此時每個DC/AC功率轉換裝置中的控制器通過A/D采樣電路分別檢測n個最大功率跟蹤模塊、匯流母排和儲能DC/AC轉換模塊的電流、電壓；同樣，星型連接的每相交流串聯式光伏發電單元的第m個DC/AC功率轉換裝置中的控制器通過A/D采樣電路分別檢測儲能電池組的電流、電壓。

通過雙向通訊電路經光纖或無線將數據上傳到星、角型并網平衡控制器中。星、角型并網平衡控制器依據此數據及星、角型并網平衡控制器監測的并網點相位、頻率、電壓信息進行三相平衡、相位、同步控制分析計算和功率優化策略分析計算，向對應的三相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置回傳控制數據。每個DC/AC功率轉換裝置中的控制器依據接收數據及控制策略對應輸出星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率、電流及電壓。

2.3.3短路開關工作模式

短路開關正常時處于開路狀態，當某一DC/ AC功率轉換裝置維護或更換退出星型三相交流串聯式光伏發電單元時，為不影響星型三相互補串聯式高壓光伏電站正常工作，將短路開關快速閉合。

3　控制策略

3.1同步策略

在默認工作模式下，星、角型并網平衡控制器監測到每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/ AC功率轉換裝置最小數量Mmin=Uacs/Ummax滿足工作條件時，星、角型并網平衡控制器中的協調控制器控制并網互補接觸器吸合，使星型三相互補串聯式高壓光伏電站并網。

當星型三相互補串聯式高壓光伏電站正常工作時，星、角型并網平衡控制器中的輸入模塊分別檢測到并網點三相交流電源的相位、頻率、電流及電壓數據，分別依據每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置回傳數據、各種工作策略及計算出過零點時間，分別通過協調控制器中的多機通信模塊、時序控制模塊對應向每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置發送控制數據及同步脈沖信號。DC/AC功率轉換裝置的控制器模塊依據此數據及同步脈沖信號，控制H橋功率驅動電路經交流隔離輸出模塊交流輸出。

3.2正常工作模式下的三相平衡控制策略

3.2.1儲能能量三相平衡控制策略

由于云的影響，部分光伏組件輸出功率出現波動，與此部分光伏組件對應的DC/AC功率轉換裝置輸入功率升高或下降，造成星型三相互補串聯式高壓光伏電站失去平衡。由于每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置實時檢測匯流母排電壓、每個最大功率跟蹤模塊電流及第m個DC/AC功率轉換裝置中的公共儲能電池組的電流、電壓，并通過雙向通訊電路向星、角型并網平衡控制器交互數據。星、角型并網平衡控制器將獲取的每個DC/AC功率轉換裝置的數據分析計算，為保證星型三相互補串聯式高壓光伏電站輸出平衡，對每相交流串聯式光伏發電單元中的DC/AC功率轉換裝置輸出功率大小調整。

1）首先確保每相交流串聯式光伏發電單元的第1～m-1個DC/AC功率轉換裝置最大功率輸出。

2）不足功率通過第m個DC/AC功率轉換裝置補充，補充后的多余功率通過第m個DC/AC功率轉換裝置保存到公共儲能電池組中。

3）公共儲能電池儲能。由于星型三相互補串聯式高壓光伏電站的公共儲能電池組容量為每相交流串聯式光伏發電單元共享公共儲能電池組容量，則星型三相交流串聯式高壓光伏電站平衡輸出，是在星、角型并網平衡控制器通過每相交流串聯式光伏發電單元的第m個DC/AC功率轉換裝置對公共儲能電池組進行充放電控制。

4）平衡輸出調整。如星型三相交流串聯式光伏發電單元PA相中的第2個DC/AC功率轉換裝置輸出功率Pa2下降，則PA＜PB=PC，PBPA=ΔPA，星、角型并網平衡控制器依據已存前一次公共儲能電池組容量數據及功率優化原理，保證PA+ΔPA=PB=PC。通過每相交流串聯光伏發電單元最大功率輸出及系統電壓求出交流串聯光伏發電單元最大電流Iacs=（PA+ΔPA）/Vacs，并利用此電流Iacs計算出每相串聯光伏發電單元中每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓，與此同時，A相交流串聯式光伏發電單元通過第m個DC/AC功率轉換裝置由公共儲能電池補充ΔPA功率輸出。其中ΔPA為A相交流串聯光伏發電單元與B相或C相的差值。

如星型三相交流串聯式光伏發電單元中第m個輸出功率值為Pam=ΔPA，則A相：Va1=Pa1/Iacs，Va2= Pa2/Iacs，…，Vam=Pam/Iacs；B相：Vb1=Pb1/Iacs，Vb2=Pb2/Iacs，…，Vb（m-1）= Pb（m-1）/ Iacs；

C相：Vc1=Pc1/Iacs，Vc2=Pc2/Iacs，…，Vc（m-1）= Pc（m-1）/ Iacs。

3.2.2儲能能量為零的三相平衡控制策略

當星、角型并網平衡控制器檢測到公共儲能電池組容量不能支持星型三相互補串聯式高壓光伏電站輸出平衡時，如星型三相交流串聯式光伏發電單元PA相中的第2個DC/AC功率轉換裝置輸出功率Pa2下降，則PA＜PB=PC，星、角型并網平衡控制器依據功率優化原理，求出A相串聯光伏發電單元最大輸出電流Iacs=PA/Vacs，并利用A相串聯光伏發電單元最大輸出電流Iacs計算出A相串聯光伏發電單元中的每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓，如Va1=Pa1/Iacs，Va2=Pa2/Iacs，…，Vam=Pam/Iacs；為保障三相交流輸出平衡，則利用星型三相互補串聯式高壓光伏電站中發電功率最?小的一相交流串聯式光伏發電單元與另兩個相交流串聯式光伏發電單元進行比例系數計算，則有B相、C相串聯光伏發電單元PA/PB=xb、PA/ PC=xc，由此計算出比例系數xb、xc，利用此比例系數分別計算出：

由此可分別計算出B相、C相串聯光伏發電單元中每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓值。

B相：Vb1=Pb1xb/Iacs，Vb2=Pb2xb/Iacs，…，Vbm= Pbmxb/ Iacs；

C相：Vc1=Pc1xc/Iacs，Vc2=Pc2xc/Iacs，…，Vcm= Pcmxc/ Iacs。

由此B相、C相串聯光伏發電單元中的每個DC/AC功率轉換裝置的輸出功率Pbmxb＜Pbm、Pcmxc＜Pcm，則有ΔPbm= Pbm-Pbmxb，ΔPcm= Pcm-Pcmxc。

由此，星型三相交流串聯式光伏發電單元中的每個DC/AC功率轉換裝置執行星、角型并網平衡控制器發送的數據后，將分別按每相的每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓值Vam、Vbm、Vcm輸出電壓，而ΔPbm、ΔPcm存儲到每相交流串聯式光伏發電單元的第m個DC/AC功率轉換裝置中的公共儲能電池組中。

3.3DC/AC功率轉換裝置啟動、退出控制策略

當DC/AC功率轉換裝置中的輸入光伏組串功率滿足電源模塊中DC/DC啟動功率時，DC/ DC輸出直流電壓使控制器工作。控制器模塊初始化，分別使保護繼電器工作，DC/AC功率轉換裝置輸出阻抗R=B2r Ω，DC/AC功率轉換裝置工作；當DC/AC功率轉換裝置輸入光伏組串功率低于DC/AC功率轉換裝置啟動時的啟動功率，或DC/AC功率轉換裝置出現故障沒有輸出時，由于無供電，模塊保護繼電器開關接點閉合，變壓器輸入內阻r=0 Ω，不影響星型三相互補串聯式高壓光伏電站正常工作。此時星、角型并網平衡控制器無法接收到該DC/AC功率轉換裝置的數據。

3.4星型三相互補串聯式高壓光伏電站停機控制策略

當星型三相互補串聯式高壓光伏電站的其中一相發電單元低于星型三相互補串聯式高壓光伏電站的下限功率時，且儲能電池組無法支持星型三相互補串聯式高壓光伏電站平衡調節時，星、角型并網平衡控制器中協調控制器通過多機通訊模塊下傳數據，控制所有DC/AC功率轉換裝置停止輸出，同時協調控制器控制并網交流接觸器斷開，使星型三相互補串聯式高壓光伏電站與電網脫離。

3.5功率優化控制策略

當DC/AC功率轉換裝置進入正常工作模式時，由于云的無規律遮擋造成逆變器輸出功率不同，使星型三相互補串聯式高壓光伏電站中的DC/AC功率轉換裝置的輸出功率也不同。為保證星型三相互補串聯式高壓光伏電站輸出功率最大，星、角型并網平衡控制器分別將星型三相交流串聯式光伏發電單元中每相交流串聯式光伏發電單元的所有DC/AC功率轉換裝置的輸出功率求和，計算出每相交流串聯式光伏發電單元功率；并依據收到的公共儲能電池組容量數據計算出星型三相交流串聯式光伏發電單元平衡狀態時輸出電流；再將每相交流串聯式光伏發電單元中的每一個DC/AC功率轉換裝置的輸出功率除以該相交流串聯式光伏發電單元電流，計算出每一個串聯式光伏發電單元高壓隔離模塊的輸出電壓，該輸出電壓為該相交流串聯式光伏發電單元優化功率輸出的一組電壓。星、角型并網平衡控制器將優化電壓對應傳輸到每相交流串聯式光伏發電單元的每個DC/AC功率轉換裝置中，使所有串聯式光伏發電單元的高壓隔離交流DC/AC功率轉換裝置輸出電壓之和等于并網點交流電壓。如在無云遮擋時，每相交流串聯式光伏發電單元中DC/AC功率轉換裝置輸出功率相同，同時星、角型并網平衡控制器依據優化控制策略，分配到每相交流串聯式光伏發電單元中每個DC/AC功率轉換裝置的輸出電壓也相等，輸出的優化電壓=并網點交流電壓/DC/ AC功率轉換裝置串聯個數。

當DC/AC功率轉換裝置中的控制器模塊接收到星、角型并網平衡控制器下發數據后，控制器模塊CPU依據此數據通過功率驅動電路輸出對應星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率及功率，再經交流隔離輸出模塊輸出交流功率。

而星型連接的每相交流串聯式光伏發電單元中的第m個DC/AC功率轉換裝置在完成上述功能以外，控制器模塊通過光電隔離電路，控制儲能控制電路對公共儲能電池組進行充放電控制。

3.6意外故障控制策略

正常工作模式時，星型三相互補串聯式高壓光伏電站中的每個DC/AC功率轉換裝置實時監測星、角型并網平衡控制器的同步脈沖信號和通訊數據，保持與電網相位、頻率同步及DC/AC功率轉換裝置的輸出電流Iacs，同時向星、角型并網平衡控制器回傳DC/AC功率轉換裝置數據及確認同步響應信息。當電網突發斷電，或星、角型并網平衡控制器意外停止工作，或通訊數據、同步脈沖中斷，或輸出電流Iacs減小到星型三相互補串聯式高壓光伏電站工作電流下限值時，DC/AC功率轉換裝置快速響應，在短時間內，進入默認工作狀態，并實時監測對應星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率、電壓信息及同步脈沖。

當星型三相互補串聯式高壓光伏電站中的某個DC/AC功率轉換裝置出現故障時：

1）當DC/AC功率轉換裝置儲能DC/AC轉換模塊損壞，在＜5 ms的時間內無功率輸出，此時DC/AC功率轉換裝置中控制器模塊仍正常工作，控制器模塊監測輸出功率與星、角型并網平衡控制器下發的功率數據不同時，控制器模塊快速控制保護繼電器開關接點閉合，變壓器輸入內阻r=0 Ω，不影響星型三相互補串聯式高壓光伏電站正常工作；同時，控制器模塊上傳故障數據到星、角型并網平衡控制器。當更換維護時，進行短路開關工作模式。

2）DC/AC功率轉換裝置監測輸入光伏組串的輸入功率。當某路光伏組串出現短路、斷路時，控制器模塊控制該最大功率跟蹤模塊停止工作，并將故障信息上傳到星、角型并網平衡控制器。

3）DC/AC功率轉換裝置故障恢復后啟動策略。當星型三相互補串聯式高壓光伏電站正常工作模式時，星、角型并網平衡控制器獲得某相交流串聯式光伏發電單元需啟動故障恢復后的DC/ AC功率轉換裝置時，星、角型并網平衡控制器依據啟動故障恢復后的DC/AC功率轉換裝置數據結合三相平衡控制策略向星型三相互補串聯式高壓光伏電站中所有DC/AC功率轉換裝置下傳對應的星型三相互補串聯式高壓光伏電站的相位、頻率和電壓信息，DC/AC功率轉換裝置中控制器模塊依據收到的相位、頻率、電壓數據及同步脈沖，控制功率驅動電路經交流隔離輸出模塊輸出交流功率。

4　性能比較

表1　3種類型光伏應用電站比較

結合表1以10 MW容量、10 kV并網光伏電站為例，進行3種光伏電站形式比較。由表1可知串聯式光伏電站具有以下優點：

1）摒棄了大量匯流設備，避免由大量熔絲、斷路器引起故障及誤動作，提高了可靠性。

2）串聯式光伏電站提高交流輸出電壓，減少傳輸電流，減少電纜及設備的功率損耗，同時降低由于直流拉電弧引起的故障。

3）弱光條件下功率最大化。

4）電站裝機容量大。

5）降低成本：逆變器化整為零、減少或取消導線、匯流箱、匯流柜、逆變器房及升壓變等。

6） IP65固化密封、自然冷卻設計結構簡單。

7）實現不同功率組串的串聯，解決荒山坡嶺等大型光伏電站由于面積、形狀不同，安裝組件功率不一致等給組串并聯帶來的困難。

8）加入儲能電池可改善電網質量，同時有效利用光伏能源保障三相交流平衡輸出。

9）實現SVG基本功能。

5　結論

針對集中式、組串式在大型光伏電站應用中存在的問題，本文采用一種DC/AC功率轉換裝置串聯實現串聯式光伏發電單元，通過三組交流串聯式光伏發電單元星、角型連接，組成星、角型三相互補串聯式高壓光伏電站。通過在星、角型三相互補串聯式高壓光伏電站的連接點與公共儲能電池組連接，形成星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站結構。

尤其在星、角型三相互補串聯式高壓光伏電站中引入一定的儲能設備，可最大限度獲取低輻照度光伏發電單元發電量，在星、角型并網平衡控制器協調管理，實現三相互補、平衡、穩定最佳功率輸出，抑制電網三相不平衡及波動等大大提高電網供電質量。結合互聯網實現有功、無功功率能量調度管理，有利于高比例接入電網，大大減少光伏棄光現象。

研制應用中還應重點關注：安裝、維護、運行安全可靠；故障冗余最佳數量；依據需求如何合理配置儲能電池容量；安全、快速更換故障DC/AC功率轉換裝置結構；應急故障處理措施；光伏電站安全護欄等級。

隨著光伏市場快速增長，電站規模朝大型化、智能化方向發展，加速了光伏電站技術創新的需求，結合新技術、新材料、新設備、新方案及多技術融合，將星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統技術延伸至未來電站的思考：通過改變DC/AC功率轉換裝置輸入發電源性質，如風電，同樣可實現以上論述的效果；也可采用多種能源（風、光、水、生物質、儲能等）輸入等不同特性電源之間補償調節，將多種能源與多DC/AC功率轉換裝置連接組成若干不同能源功率單元，將各個功率單元串聯連接，利用星、角型三相互補平衡串聯式高壓光伏電站系統可冗余、輸出功率可不同等特點，組成單元化多能互補串聯高壓微電網系統，實現風電、太陽能發電、水電、煤電等不同特性電源之間補償調節，解決新能源出力隨機性和波動性等問題［2］。

［2］王哲， 林燕梅， 劉璇璇， 等. 未來智能光伏電站幾點思考［J］.太陽能， 2014， （9）: 26-29.