串聯(lián)式光伏方陣的制作方法
【專利摘要】一種串聯(lián)式光伏方陣，其特征在于，所述的光伏方陣由n個光伏組串功率單元串聯(lián)組成，n＞1；光伏組串功率單元由光伏組串和光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊串聯(lián)組成。所述光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接，經(jīng)該光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊DC/DC隔離端口輸出，使每個光伏組串功率單元的耐電壓＞直流系統(tǒng)電壓Usmax。
【專利說明】串聯(lián)式光伏方陣

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組串陣列。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前光伏電站在國家的政策激勵下飛速發(fā)展，而光伏方陣是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要 組成之一，而由光伏組串串并聯(lián)組成的方陣容量大小直接影響系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏組串是 由若干塊光伏組件串聯(lián)組成，而組件是組串的最小單元，串聯(lián)數(shù)量最多22塊，其原因主要 取決于組件承受的耐壓。目前國內(nèi)、外組件串聯(lián)后的組串電壓彡1000V功率最大彡7kWp。 為提高發(fā)電功量，目前國內(nèi)、外采兩種方式：一是用大量光伏組串并聯(lián)組成并聯(lián)方陣增大輸 出電流，提高并聯(lián)方陣功率輸出，在經(jīng)逆變器逆變交流輸出，此方法也被稱為集中式或并聯(lián) 式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。二是如圖5所示的組串型光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用一種組串型逆變器，將 多組組串直接輸入組串型逆變器中，首先實現(xiàn)每個光伏組串的獨立MPPT最大功率點跟蹤， 之后在并聯(lián)逆變交流輸出，此類型功率較小。為進一步增加功率再由多臺組串型逆變器通 過交流匯流柜并聯(lián)。兩種類型其實質(zhì)都是組串之間的并聯(lián)，電壓低< 1000V、電流大、電纜設(shè) 備損耗大、匯流設(shè)備多、電纜數(shù)量多而且逆變器為電流型拓撲結(jié)構(gòu)功率損耗大等問題。而集 中式或并聯(lián)式則要求組串性能參數(shù)相近，又無法實現(xiàn)組串獨立最大功率點（MPPT)自動跟 蹤使功率損失。對分布式屋頂電站面積所限，為滿足各組串電壓相等安裝組串時必須考慮 取舍，造成有限的面積浪費。
[0003] 再有，受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)所限，使每串光伏組串并聯(lián)輸出電壓依據(jù)并網(wǎng)電壓 等級而提1?，才能滿足逆變器的輸入啟動電壓基本條件，如在380v受流電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏 組串輸出直流電壓> >400v X 7^才能滿足啟動逆變器基本工作條件，啟動電壓高所獲得 電量有限。
[0004] 同樣受光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入直流電壓< 1000V所限，只能滿足逆變器交流輸 出電壓< 400V等級系統(tǒng)無變壓器并網(wǎng)，更高電壓等級并網(wǎng)則須經(jīng)變壓器升壓輸出。
[0005] 由于逆變器或直流設(shè)備在電力電子設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)中分為電流型或電壓型，其特 點：電壓型電壓高電流小，損耗小，而電流型電壓低電流大，損耗大。同樣還是光伏組串的并 聯(lián)結(jié)構(gòu)，光伏組串輸出電壓< 1000V，電流大，采用電流型拓撲結(jié)構(gòu)逆變器。
[0006] 由此將多組組串在串聯(lián)提高輸出電壓降低傳輸電流增加功率，滿足更高等級無變 壓器并網(wǎng)、使光伏組串更低電壓輸出能量被利用、減少電纜及匯流設(shè)備數(shù)量、采用電壓型拓 撲結(jié)構(gòu)逆變器或直流設(shè)備，實現(xiàn)減少線路、逆變器或直流設(shè)備損耗，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。
[0007] 目前光伏系統(tǒng)升壓輸出基本有三種方式，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；三為伏組串并聯(lián)（并聯(lián)方陣）經(jīng)匯流經(jīng)DC/DC升壓輸出。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。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有利用組串并聯(lián)提高發(fā)電功率的方法造成傳輸線路、配套設(shè) 備損耗嚴(yán)重等缺點，提出一種串聯(lián)式光伏方陣。本發(fā)明利用光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模 塊的MPPT光伏組串最大功率點跟蹤、DC/DC、高壓隔離（隔離電壓> Usmax)等特點，將每個 光伏組串通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊進行高壓隔離，提高每個光伏組串的隔離電 壓等級，通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)組串之間再串聯(lián)，提高逆變器或直流設(shè) 備輸入電壓，減少傳輸電流增大發(fā)電功率降低傳輸損耗，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。
[0009] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明串聯(lián)式光伏方陣由η個光伏組串功率單元串聯(lián)組成，η > 1。光伏組串功率 單元由光伏組串和光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊串聯(lián)組成。
[0011] 光伏組串功率單元中，所述光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 的輸入端連接，經(jīng)該光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊DC/DC隔離端口輸出。光伏組串高壓 隔離功率調(diào)節(jié)模塊有一個通訊接口，用于連接光纖或無線通訊模塊。該光伏組串高壓隔離 功率調(diào)節(jié)模塊的輸出端和通訊接口同樣也是光伏組串功率單元的輸出端和通訊接口。光伏 組串經(jīng)過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊隔離輸出的電壓值是光伏組串功率單元的隔離 電壓值。該光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊DC/DC隔離端口輸出電壓Un也是光伏組串功 率單元的輸出電壓值。由于光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的加入，使光伏組串功率單元 的隔離電壓> Usmax。
[0012] 所述的 Usmax 也稱為直流系統(tǒng)電壓。Usmax = Ulmax+U2max+U3max，…，+Unmax， Ulmax、U2max，···,υη?Μχ為η個光伏組串功率單元中每個光伏組串功率單元輸出電壓的最 大值。由于η個光伏組串功率單元串聯(lián)組成串聯(lián)式光伏方陣，其光伏組串功率單元的輸出 電流就是串聯(lián)式光伏方陣輸出電流Is也稱為直流系統(tǒng)電流。直流系統(tǒng)由串聯(lián)式光伏方陣、 直流設(shè)備或逆變器中的直流輸入部分組成，直流系統(tǒng)電壓即為逆變器或直流設(shè)備的額定直 流輸入電壓。
[0013] 所述的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊由自供電源、MPPT光伏組串最大功率點自 動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路、通訊接口電路、整流電路和高壓隔離變壓器組成。
[0014] 光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接。光伏組串高 壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端由自供電源的輸入端和MPPT光伏組串最大功率點自動跟蹤 電路的輸入端并聯(lián)連接組成；MPPT光伏組串最大功率點自動跟蹤電路的輸出端與功率調(diào) 節(jié)電路的輸入端連接，功率調(diào)節(jié)電路的輸出端與高壓隔離變壓器的輸入端連接，高壓隔離 變壓器的輸出端與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端為光伏組串高壓隔離功率調(diào) 節(jié)模塊的輸出端，也是光伏組串功率單元的輸出端，光伏組串的輸出功率最終經(jīng)高壓隔離 變壓器電氣隔離后，由整流電路直流輸出。自供電源的輸出端分別與MPPT光伏組串最大功 率點自動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路、通訊接口電路電源的輸入端連接，提供每個電路工作電 源。即光伏組串輸出電量一部分通過自供電源提供光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊自身供 電需要，另一部分將大量的電量經(jīng)MPPT光伏組串最大功率點自動跟蹤等電路、設(shè)備輸送到 逆變器或直流設(shè)備。通訊接口電路是一個雙端輸入輸出通訊接口電路，通訊接口電路的一 端與功率調(diào)節(jié)電路通訊接口連接，通訊接口電路的另一端通過無線或光纖與其他光伏組串 功率單元、逆變器或直流設(shè)備連接，將逆變器或直流設(shè)備的控制命令及數(shù)據(jù)與每個光伏組 串功率單元進行交互。
[0015] 當(dāng)光伏組串的輸出功率隨輻照強度增加而增加，并滿足光伏組串高壓隔離功率調(diào) 節(jié)模塊內(nèi)部自供電源啟動輸出功率時，自供電源輸出穩(wěn)定電壓為所有電路提供工作電源， 啟動光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊工作，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊通過其通訊接 口與逆變器或直流設(shè)備通訊。同時MPPT光伏組串最大功率點自動跟蹤電路實時對光伏組 串進行最大功率點跟蹤，并將被跟蹤的光伏組串的最大功率輸入功率調(diào)節(jié)電路中，功率調(diào) 節(jié)電路與高壓隔離變壓器配合將光伏組串最大功率依據(jù)光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 控制策略及逆變器或直流設(shè)備命令進行PWM功率調(diào)節(jié)，經(jīng)調(diào)節(jié)后的光伏組串的最大功率通 過高壓隔離變壓器電氣隔離后經(jīng)整流電路直流輸出。高壓隔離變壓器的電氣隔離電壓 >直 流系統(tǒng)電壓Usmax，此時的光伏組串由于高壓隔離變壓器的電氣隔離，使每個光伏組串功率 單元都能承受直流系統(tǒng)電壓Usmax。
[0016] 所述的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊中的通訊接口電路將光伏組串高壓隔離 功率調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓Un、輸出電流Is、最大功率點功率、功率調(diào)節(jié)輸出功率等數(shù)據(jù)通 過無線或光纖與逆變器或直流設(shè)備進行交互通訊，反之逆變器或直流設(shè)備的控制命令及數(shù) 據(jù)通過此通訊接口電路與每個光伏組串功率單元進行數(shù)據(jù)交互。
[0017] 所述的光伏組串由η塊光伏組件串聯(lián)組成。光伏組件是光伏組串的最小發(fā)電單 元，光伏組件的串聯(lián)數(shù)量主要取決于光伏組件所承受的電壓，典型光伏組串用20?22塊光 伏組件串聯(lián)組成，串聯(lián)后的光伏組串電壓控制在< 1000V功率最大< 7kWp。
[0018] 由光伏組串功率單元1、光伏組串功率單元2、光伏組串功率單元3，…，光伏組串 功率單元η串聯(lián)組成的串聯(lián)式光伏方陣之間連接關(guān)系為：光伏組串功率單元1的輸出負極 端與光伏組串功率單元2的輸出正極端連接，光伏組串功率單元2的輸出負極端與光伏組 串功率單元3的輸出正極端連接，以此類推，光伏組串功率單元η-1的輸出負極端與光伏組 串功率單元η的輸出正極端連接，η為正整數(shù)，η>1。對應(yīng)的光伏組串功率單元1輸出的電 壓為U1、光伏組串功率單元2輸出的電壓為U2、光伏組串功率單元3輸出的電壓為U3、光伏 組串功率單元η輸出的電壓為Un，所有光伏組串功率單元串聯(lián)電流為Is，串聯(lián)電流Is也是 串聯(lián)式光伏方陣輸出電流。光伏組串功率單元1的通訊接口與光伏組串功率單元2的通訊 接口連接，依次類推，光伏組串功率單元η-1的通訊接口接至光伏組串功率單元η的通訊接 □ η。
[0019] 光伏組串功率單元1的輸出正極端為串聯(lián)式光伏方陣的高壓輸出正端，光伏組串 功率單元η的輸出負極端為串聯(lián)式光伏方陣的高壓輸出負端。所述串聯(lián)式光伏方陣輸出 的電壓s為各個光伏組串功率單兀輸出電壓之和，即電壓s =電壓1+電壓2+電壓3···電 壓η。光伏組串功率單元的功率可以不相同，但輸出電流相同，光伏組串功率單元串接數(shù)量 可以依據(jù)電網(wǎng)、逆變器、分布式面積需求決定。η個光伏組串功率單元串接后輸出電壓值為 Us，如每個光伏組串功率單元輸出平均電壓為500ν，η = 20則Us = ΙΟΟΟΟν遠遠高于并聯(lián) 式光伏組串ΙΟΟΟν，提高電壓等級，增加功率。
[0020] 本發(fā)明的工作原理和工作過程如下：
[0021] 為提高光伏方陣輸出功率，采用光伏組串串聯(lián)方式是一個非常理想的手段。但是 由于光伏組串最1?承受:電壓〈ΙΟΟΟν，如將光伏組串之間串聯(lián)勢必造成光伏組件電壓擊穿損 壞，為此在每個光伏組串之間增加一個高壓隔離環(huán)節(jié)，提高光伏組串的隔離電壓能力。本發(fā) 明將每個光伏組串通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊進行高壓電氣隔離后輸出，使每個 光伏組串功率單元的耐電壓>直流系統(tǒng)電壓Usmax，實現(xiàn)η個單元光伏組串功率單元的串 聯(lián)。
[0022] 由于光伏組串功率單元的隔離電壓提高，η個光伏組串功率單元串聯(lián)連接的輸出 電壓為串聯(lián)式光伏方陣輸出電壓Us，串聯(lián)式光伏方陣輸出電壓Us為每個光伏組串功率單 元輸出電壓之和：U1+U2+U3+…Un = Us。由于每個光伏組串功率單元中的光伏組件參數(shù)偏 差、或某一時刻輻照量不同、或組成的光組串?dāng)?shù)量不同，使每個光伏組串功率單元經(jīng)過光伏 組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊調(diào)整后的最佳輸出電壓Un有可能不同，所有光伏組串功率單 元輸出電流Is相等。若光伏組串功率單元輸出的功率不能滿足光伏組串高壓隔離功率調(diào) 節(jié)模塊最小輸出功率時，光伏組串功率單元退出輸出，即輸出為短路狀態(tài)。光伏組串功率單 元在不同情形下與逆變器或直流設(shè)備協(xié)調(diào)配合工作的過程描述如下：
[0023] 在正常輻照下，每個光伏組串功率單元啟動后，首先實時收發(fā)逆變器或直流設(shè) 備通訊數(shù)據(jù)并輸出低電壓Unmin，經(jīng)η個單元光伏組串功率單元串聯(lián)后輸出電壓之和 Ulmin+U2min+U3min+*"Unmin = Usmin，即串聯(lián)式光伏方陣最低輸出供電電壓Usmin。
[0024] 串聯(lián)式光伏方陣最低輸出供電電壓Usmin也是逆變器或直流設(shè)備直流啟動電壓。 當(dāng)Usmin滿足逆變器或直流設(shè)備啟動工作電壓時，每個光伏組串功率單元同時監(jiān)測到有電 流輸出。此時每個光伏組串功率單元中的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊自動計算光伏組 串最大功率點，并通過通訊接口向逆變器或直流設(shè)備傳輸光伏組串最大功率點數(shù)據(jù)，逆變 器或直流設(shè)備接收數(shù)據(jù)后，分析所有光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊數(shù)據(jù)，并給出每個光 伏組串功率單元最佳電壓值Un及相等的輸出電流值Is，每個光伏組串功率單元依據(jù)此電 壓、電流值輸出電壓和電流。
[0025] 隨著輻照強度增加或減小，每個光伏組串功率單元中的光伏組串輸出功率同步增 加或減小，同時經(jīng)該光伏組串功率單元的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊進行檢測，并對 光伏組串最大功率點跟蹤。光伏組串1?壓隔尚功率調(diào)節(jié)I旲塊將檢測、計算的光伏組串最大 功率點數(shù)據(jù)經(jīng)通訊接口上傳到逆變器或直流設(shè)備中，逆變器或直流設(shè)備接收數(shù)據(jù)后，分析 所有光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊數(shù)據(jù)，并給出每個光伏組串功率單元最佳電壓值Un 及相等電流值Is，每光伏組串功率單元依據(jù)此電壓、電流值輸出電壓和電流。
[0026] 當(dāng)某個光伏組串受云遮、粉塵、故障影響輸出功率減小，或無輻照量，光伏組串輸 出為Ον時，經(jīng)該光伏組串功率單元的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的MPPT光伏組串最 大功率點自動跟蹤電路檢測，光伏組串輸出功率不能滿足光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 最小輸出功率，或無法滿足光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊自供電源啟動功率時，光伏組 串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊停止工作，高壓隔離變壓器經(jīng)整流電路直流輸出電壓〇ν，輸出阻 抗為0Ω，相當(dāng)于輸出短路，不影響串聯(lián)式光伏方陣中其他光伏組串功率單元輸出功率。此 時逆變器或直流設(shè)備不能收到該光伏功率單元的數(shù)據(jù)，但逆變器或直流設(shè)備仍可接收到其 它正常工作光伏組串功率單元的上傳數(shù)據(jù)，逆變器或直流設(shè)備依此數(shù)據(jù)進行分析計算向其 他光伏組串功率單元發(fā)送數(shù)據(jù)，給出光伏組串功率單元最佳電壓值Un及相等的輸出電流 值Is，光伏組串功率單元依據(jù)此電壓、電流值輸出電壓和電流。
[0027] 正常輻照下逆變器或直流設(shè)備正常停機，或意外停止工作，或無通訊、或無負載或 輸入斷開時，光伏組串功率單元中的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊實時監(jiān)測逆變器或直 流設(shè)備的通訊數(shù)據(jù)及光伏組串功率單元的輸出電流Is，當(dāng)通訊數(shù)據(jù)中斷或輸出電流Is減 小到逆變器或直流設(shè)備的工作電流下限值時，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊快速響應(yīng)， 在短時間內(nèi)（<20ms)進入默認安全工作狀態(tài)，即輸出微功率脈沖電壓〈Unmin，實時監(jiān)測光 伏組串功率單元輸出電流Is。當(dāng)監(jiān)測到光伏組串功率單元輸出電流Is達到一定值時，說明 逆變器或直流設(shè)備已接入進入啟動準(zhǔn)備狀態(tài)，同時建立通訊聯(lián)系，此時光伏組串功率單元 輸出電壓Unmin。此過程用于檢測逆變器或直流設(shè)備是否接入串聯(lián)式光伏方陣或工作。
[0028] 由于光伏組串功率單兀定時輸出微功率脈沖電壓〈Unmin的啟動電壓，經(jīng)η個光 伏組串功率單元串聯(lián)后的串聯(lián)式光伏方陣輸出電壓很低，小于η個單元光伏組串功率單元 串聯(lián)后電壓之和Usmin，并且微功率輸出電流很小，很好避免了直流高電壓大電流拉電弧現(xiàn) 象，解決了直流高壓通用電氣的選型問題，換言之也就是在逆變器或直流設(shè)備正?；蛞馔?停止工作，或無通訊、或無負載或輸入斷開狀態(tài)時，光伏組串功率單元快速反應(yīng)，在短時間 內(nèi)（<20ms)轉(zhuǎn)換默認安全工作狀態(tài)，使組串式光伏方陣輸出低電壓微功率脈沖，解決了直 流高壓通用電氣在有負載情況下可低電壓小電流接通或斷開。
[0029] 由于串聯(lián)式光伏方陣每個光伏組串功率單元統(tǒng)一受逆變器或直流設(shè)備協(xié)調(diào)管理， 其光伏組串功率可以不同，光伏組串功率單元串接數(shù)量可依據(jù)電網(wǎng)、逆變和直流設(shè)備、電站 面積需求而定。由此光伏組串經(jīng)光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊高壓隔離輸出，使光伏組 串功率單兀的隔尚電壓大大提商，所以η個光伏組串功率單兀串接成為可能，提商電壓等 級、增加了串聯(lián)式光伏方陣功率。
[0030] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0031] 1、串聯(lián)式光伏方陣可實現(xiàn)中高壓直流輸出，提高光伏陣列功率；
[0032] 2、高壓直流輸電電纜損耗減小，可實現(xiàn)遠距離長線傳輸；
[0033] 3、串聯(lián)式光伏方陣由于電壓等級提高，可實現(xiàn)該電壓等級下的無變壓器輸出，減 少損耗、降低成本。
[0034] 4、相對并聯(lián)式光伏方陣，串聯(lián)式光伏方陣可實現(xiàn)每個光伏組串更低的電壓輸出啟 動逆變器或直流設(shè)備。
[0035] 5、串聯(lián)式光伏方陣中每個光伏組串功率單元統(tǒng)一受逆變設(shè)備或直流設(shè)備協(xié)調(diào)管 理，具備最佳功率調(diào)節(jié)輸出，可實現(xiàn)不同功率光伏組串功率單元的串聯(lián)，解決建筑屋頂光伏 電站由于屋頂面積不同安裝組件功率不一致及固定物體周期性對組件的遮擋，不能安裝組 件問題，充分利用有限的空間實現(xiàn)電站發(fā)電最大化。
[0036] 6、串聯(lián)式光伏方陣中摒棄了匯流設(shè)備大大降低故障率、功率損耗及成本，特別是 為小功率分布式電站提供簡單的連接方式。
[0037] 7、由于采用模塊化思路使工程安裝方便、使用可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1為串聯(lián)式光伏方陣原理框圖；
[0039] 圖2為串聯(lián)式光伏方陣發(fā)電系統(tǒng)框圖；
[0040] 圖3為光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊內(nèi)部電路連接框圖；
[0041] 圖4為現(xiàn)有技術(shù)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖；
[0042] 圖5為現(xiàn)有技術(shù)的組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖。

【具體實施方式】
[0043] 以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0044] 本發(fā)明串聯(lián)式光伏方陣由η個光伏組串功率單元串聯(lián)組成，分別為：光伏組串功 率單元1、光伏組串功率單元2、光伏組串功率單元3···光伏組串功率單元η。光伏組串功率 單元由光伏組串和光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊串聯(lián)組成。
[0045] 所述光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接，經(jīng)該光 伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊DC/DC隔離端口輸出。
[0046] 光伏組串功率單元中，光伏組串的輸出端Vzn+、Vzn -分別與光伏組串高壓隔離 功率調(diào)節(jié)模塊輸入端Vin+、Vin-連接，光伏組串輸出的功率經(jīng)該模塊DC/DC隔離輸出端口 Von+、Von -輸出，電壓值為Un。由于光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的加入，使光伏組串 功率單元的隔離電壓> Usmax。每個光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊都具有一個通訊接口 Tn，所述通訊接口 Tn，以及該模塊的DC/DC隔離輸出端口 Von+、Von -也是光伏組串功率單 元的通訊接口和輸出端。同樣，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的隔離電壓值也是光伏組 串功率單元的隔離電壓值。通訊接口 Τη可接光纖或無線通訊模塊。
[0047] 所述的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊是由自供電源、ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點 自動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路、通訊接口電路、整流電路和高壓隔離變壓器組成。
[0048] 光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接。如圖3所 示，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入由自供電源的輸入端和ΜΡΡΤ光伏組串最大功 率點自動跟蹤電路的輸入端并聯(lián)組成。ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路的輸出端與 功率調(diào)節(jié)電路的輸入端連接，功率調(diào)節(jié)電路的輸出端與高壓隔離變壓器的輸入端連接，高 壓隔離變壓器的輸出端與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端就是光伏組串高壓隔 離功率調(diào)節(jié)模塊的輸出端，也是光伏組串功率單元的輸出端，光伏組串的輸出功率最終經(jīng) 高壓隔離變壓器電氣隔離后，由整流電路直流輸出，實現(xiàn)光伏組串經(jīng)光伏組串高壓隔離功 率調(diào)節(jié)模塊的DC/DC隔離輸出。
[0049] 自供電源的輸出端分別與ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電 路，以及通訊接口電路電源的輸入端連接，提供每個電路工作電源。
[0050] 通訊接口電路是一個雙端輸入輸出通訊接口電路，通訊接口電路的一端與功率調(diào) 節(jié)電路通訊接口連接，另一端也是光伏組串功率單元的通訊接口，通訊接口電路通過無線 或光纖與其他光伏組串功率單元、逆變器或直流設(shè)備連接，將逆變器或直流設(shè)備的控制命 令及數(shù)據(jù)與每個光伏組串功率單元進行交互。
[0051] ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路對光伏組串進行最大功率點跟蹤，實現(xiàn)光 伏組串最大功率輸出。光伏組串的最大功率輸出經(jīng)功率調(diào)節(jié)電路與高壓隔離變壓器配合， 按照控制策略及逆變器或直流設(shè)備的命令進行PWM功率調(diào)節(jié)，經(jīng)高壓隔離變壓器、整流電 路直流輸出。其中高壓隔離變壓器的隔離電壓> Usmax，將該光伏組串與其它光伏組串通 過高壓隔離變壓器進行電氣隔離，如此，可以使每個光伏組串功率單元都能承受直流系統(tǒng) 最大電壓Usmax。光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊中的PWM功率調(diào)節(jié)、輸出電壓Un、輸出電 流Is通過通訊接口電路經(jīng)無線或光纖與其他光伏組串功率單元、逆變器或直流設(shè)備進行 通訊，完成逆變器或直流設(shè)備與串聯(lián)式光伏方陣相互通信。
[0052] 所述的直流系統(tǒng)最大電壓 Usmax = Ulmax+U2max+U3max...+Unmax，Ulmax、U2max... Unmax為光伏組串功率單元1、光伏組串功率單元2到光伏組串功率單元η的每個光伏組串 功率單元輸出電壓的最大值，而每塊光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊隔離電壓> Usmax。
[0053] 所述的光伏組串由若干塊光伏組件串聯(lián)組成，光伏組串的輸出端口為Vzn+、Vzn-。 所述的光伏組件是光伏組串的最小發(fā)電單元，串聯(lián)數(shù)量主要取決于光伏組件承受的電壓， 典型的光伏組串采用20?22塊光伏組件串聯(lián)組成，光伏組件串聯(lián)后的組串電壓控制在 彡1000V功率最大彡7kWp。
[0054] 光伏組串功率單元1的輸出負端Vol -與光伏組串功率單元2輸出正端V〇2+連 接，光伏組串功率單元2的輸出負端V〇2 -與光伏組串功率單元3的輸出正端V〇3+連接， 以此類推，光伏組串功率單元n-1的輸出負端Von-Ι -與光伏組串功率單元η的輸出正端 V〇n+連接，η為正整數(shù)，η>1。
[0055] 光伏組串功率單元1的輸出電壓為U1、光伏組串功率單元2的輸出電壓為U2、光 伏組串功率單元3的輸出電壓為U3、……，光伏組串功率單元η的輸出電壓為Un。串聯(lián)式 光伏方陣輸出電流為Is，也稱為系統(tǒng)工作電流。
[0056] 光伏組串功率單元1的通訊接口 T1與光伏組串功率單元2的通訊接口 T2連接， 依次類推。光伏組串功率單元n-1的通訊接口 Tn-1連接至光伏組串功率單元η的通訊接 口 Τη。光伏組串功率單元1的輸出Vol+為串聯(lián)式光伏方陣的高壓輸出+端，光伏組串功 率單元η的輸出Von -為串聯(lián)式光伏方陣的高壓輸出-端，其高壓輸出+、高壓輸出-輸出 電壓值為Us，Us = Ul+U2+U3...Un。光伏組串功率單元串聯(lián)數(shù)量可以依據(jù)電網(wǎng)、逆變器、分 布式面積需求。經(jīng)多個光伏組串功率單元串接的串聯(lián)式光伏方陣輸出電壓值為Us，如每個 光伏組串功率單元輸出平均電壓為500v，n = 20則Us = ΙΟΟΟΟν遠遠高于并聯(lián)式光伏組串 ΙΟΟΟν，提1? 了電壓等級，增加了功率。
[0057] 圖2所示為本發(fā)明串聯(lián)式光伏方陣的結(jié)構(gòu)。多個光伏組件組成光伏組串，每組光 伏組串的輸出對應(yīng)連接一個光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊。光伏組串與光伏組串高壓隔 離功率調(diào)節(jié)模塊串聯(lián)組成光伏組串功率單元。光伏組串1，···，光伏組串η對應(yīng)連接光伏組 串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊1，…，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊η，經(jīng)光伏組串高壓隔離 功率調(diào)節(jié)模塊進行組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)輸出。光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊1的正極 與逆變器或直流設(shè)備的輸入正端連接，光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊η的負極與逆變器 或直流設(shè)備的輸入負端連接，組成+、-正負直流串聯(lián)式光伏方陣。
[0058] 與圖4所示的集中型光伏發(fā)電系統(tǒng)、圖5所示的組串型光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，本發(fā)明 串聯(lián)式光伏方陣的優(yōu)點為：
[0059] 1、圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣中沒有匯流設(shè)備，圖4所示的集中型光伏發(fā)電系統(tǒng) 中的匯流箱、直流柜，圖5所示的組串型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的交流柜都屬于匯流設(shè)備，功率不 同配置的數(shù)量不同，而在光伏系統(tǒng)中匯流設(shè)備出現(xiàn)故障率高、損耗大。本發(fā)明串聯(lián)式光伏方 陣摒棄了大量匯流設(shè)備，降低損耗、降低了成本、提高了可靠性；
[0060] 2、圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣中，光伏組串就近與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模 塊連接，圖2的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊之間都通過單根電纜串聯(lián)連接，輸出電流 是一串光伏組串電流（目如光伏組串最大短路電流< 10A)。而圖4、圖5所不的系統(tǒng)中，匯 流設(shè)備安裝位置必須兼顧多組光伏組串安放布局，造成η多對電纜到匯流設(shè)備安裝位置在 匯流設(shè)備內(nèi)并聯(lián)，（如16路匯流箱完成16路光伏組串并聯(lián)，電纜數(shù)量為16X2,其匯流電流 為16Χ10Α = 160Α，η臺組串式逆變器交流輸出經(jīng)ηΧ4根交流電纜并聯(lián)，匯流后電流增加 η倍，而匯流設(shè)備再經(jīng)2根直流或4根交流大電流電纜到上一級匯流設(shè)備或逆變器內(nèi)并聯(lián)， 相比圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣，電纜數(shù)量大大增加，而且電流大，損耗、成本增加；
[0061] 3、圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣，光伏組串可通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 之間的串聯(lián)提高逆變器或直流設(shè)備輸入直流電壓，如每個光伏組串功率單元輸出平均電壓 為500ν，20個光伏組串功率單元，則逆變、直流設(shè)備輸入電壓Us = 20X500V = ΙΟΟΟΟν可 遠高于圖4、圖5所示的逆變器輸入電壓〈ΙΟΟΟν，在同等功率條件下使串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流減小， 改變并聯(lián)大電流傳輸電流方式，減少電纜及設(shè)備的功率損耗，并且提升光伏方陣功率；
[0062] 4、圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣中，光伏組串通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 之間的串聯(lián)提高逆變器或直流設(shè)備輸入直流電壓，可實現(xiàn)低于輸入直流電壓/ ν?無變壓器 并網(wǎng)輸出，而圖4、圖5所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于逆變器輸入直流電壓< 1000V的限制，只 能滿足逆變器交流輸出電壓< 400v系統(tǒng)無變壓器并網(wǎng)，更高電壓并網(wǎng)則須經(jīng)高壓變壓器 轉(zhuǎn)化輸出，電流大、損耗大、成本高；
[0063] 5、圖2中的串聯(lián)式光伏方陣是正、負2線直流輸出，其同等輸出功率條件下與圖4 的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用多組兩根直流電纜并聯(lián)，圖5所示的組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用 多組3相4線交流電纜輸出并聯(lián)相比，電纜大大減少，而且電流小，減少電纜損耗。圖2所示 串聯(lián)式光伏方陣結(jié)構(gòu)+、-直流輸出，增加了光伏組串的串聯(lián)數(shù)量，提高了直流供電功率；
[0064] 6、圖2所示的串聯(lián)式光伏方陣中，光伏組串通過光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊 輸出電壓靈活，可使光伏組串在更低電壓條件下經(jīng)光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊之間的 串聯(lián)提高輸出直流電壓，滿足逆變、直流設(shè)備啟動電壓。而圖4所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由 于光伏組串的并聯(lián)結(jié)構(gòu)所限，使每串光伏組串并聯(lián)輸出電壓依據(jù)并網(wǎng)電壓而提高，才能滿 足逆變器的輸入啟動電壓基本條件，如在380v交流電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏組串輸出直流電壓 >400vX 以上才能滿足啟動逆變器工作基本條件。
[〇〇65] 7、逆變器或直流設(shè)備在電力電子設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)中分為電流型或電壓型，其特點： 電壓型電壓高電流小，損耗小，而電流型電壓低電流大，損耗大。圖2所示的串聯(lián)式光伏方 陣采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，逆變器或直流設(shè)備輸入電流小，使每塊調(diào)節(jié)模塊自身消耗功率小無需扇 熱處理。同樣采用串聯(lián)式光伏方陣，逆變器或直流設(shè)備輸入電壓高電流小，宜采用電壓型拓 撲結(jié)構(gòu)逆變器或直流設(shè)備功耗小。而圖4所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于光伏組串采用并聯(lián)結(jié) 構(gòu)，輸出電壓< ΙΟΟΟν，電流大，采用電流型拓撲結(jié)構(gòu)逆變器，相比圖2的串聯(lián)式光伏方陣中 的電壓型逆變、直流設(shè)備，功率損耗大，效率低。
【權(quán)利要求】
1. 一種串聯(lián)式光伏方陣，其特征在于，所述的光伏方陣由η個光伏組串功率單元串聯(lián) 組成，η > 1 ;光伏組串功率單兀由光伏組串和光伏組串商壓隔尚功率調(diào)節(jié)|旲塊串聯(lián)組成； 所述光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接，經(jīng)該光伏組串高 壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊DC/DC隔離端口輸出。
2. 按照權(quán)利要求1所述的光伏方陣，其特征在于，所述的光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié) 模塊由自供電源、ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路、通訊接口電路、 整流電路和高壓隔離變壓器組成； 光伏組串的輸出端與光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端連接；光伏組串高壓隔 離功率調(diào)節(jié)模塊的輸入端由自供電源的輸入端和ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路 的輸入端并聯(lián)連接組成；ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點自動跟蹤電路的輸出端與功率調(diào)節(jié)電 路的輸入端連接，功率調(diào)節(jié)電路的輸出端與高壓隔離變壓器的輸入端連接，高壓隔離變壓 器的輸出端與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端為光伏組串高壓隔離功率調(diào)節(jié)模 塊的輸出端，也是光伏組串功率單元的輸出端；光伏組串的輸出功率最終經(jīng)高壓隔離變壓 器電氣隔離后，由整流電路直流輸出；自供電源的輸出端分別與ΜΡΡΤ光伏組串最大功率點 自動跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路，以及通訊接口電路電源的輸入端連接，提供每個電路工作電 源； 通訊接口電路是一個雙端輸入輸出通訊接口電路，通訊接口電路的一端與功率調(diào)節(jié)電 路通訊接口連接，通訊接口電路的另一端通過無線或光纖與其他光伏組串功率單元、逆變 器或直流設(shè)備連接，將逆變器或直流設(shè)備的控制命令及數(shù)據(jù)與每個光伏組串功率單元進行 交互。
3. 按照權(quán)利要求1所述的光伏陣列，其特征在于，每個所述的光伏組串通過光伏組串 高壓隔離功率調(diào)節(jié)模塊進行高壓電氣隔離后輸出，使每個光伏組串功率單元的耐電壓>直 流系統(tǒng)電壓Usmax。
【文檔編號】H02S30/00GK104113280SQ201410318954
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月5日
【發(fā)明者】王哲, 許蘭剛, 定世攀, 劉麗敏, 王勝利 申請人:北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司