大规模光伏并网发电系统拓扑结构的对比研究

吴 萍

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

0 引言

太阳能资源具有较为突出的间隙性大、随机性强、出力波动幅度大、波动频率无规律的特点，再加上光伏发电系统渗透率增大到一定程度后就会失去低电压穿越能力，若不加考虑地采用任意拓扑结构，就会对整个电网运行稳定性造成较大威胁。因此通过大规模光伏发电系统拓扑结构的对比，获得稳定性更高的大规模光伏并网发电系统拓扑结构就变得非常必要。

1 大规模光伏并网发电系统概述

光伏并网发电系统主要是指与公共电网直接连接的太阳能光伏发电系统，大规模光伏并网发电系统则是指功率等级在数百千瓦以上、电压等级在3 kV或10 kV以上的光伏并网发电系统［1］。其主要包括变压器、DC／AC逆变器、太阳能电池阵列、DC／DC变换器、交流负载等部分，将太阳能电池阵列输出的直流电转换为与公共电网电压同幅值，同频率，同相位的交流电，从而实现电能输送。

2 大规模光伏并网发电系统拓扑结构应用基础

大规模光伏并网发电系统拓扑结构应用的基础为发电单元，即光伏能量转换模块，包括逆变器、斩波电路、光伏组件等。在大规模光伏并网发电系统拓扑结构设计过程中，常用的发电单元结构主要有单级逆变、斩波逆变结构、单级斩波结构。

2.1 单级逆变发电单元

单级逆变发电单元包括DC／AC电路、单相逆变器或三相逆变器、DC／DC变换器3个部分。相较于斩波逆变结构的发电单元而言，单级逆变发电单元没有一级拓扑，DC／AC逆变电路可以直接经电压闭环，对直流侧电容电压进行管控，达到逆变并网、最大功率跟踪的目的；DC／DC变换电路则可以通过脉宽调制SPWM技术，实现更高的运行效率及更小的损耗［2］。

2.2 斩波逆变结构发电单元

斩波逆变结构发电单元主要包括DC／DC变换器、三相或单相逆变器、DC／AC逆变器3个部分。其中DC／DC变换器具有最大功率跟踪、电压匹配、恒定电压输出等功能；三相或单相逆变器可以在多重化并联结构、直接并联结构或串联多重化、串联多电平的光伏发电系统中发挥良好效力；DC／AC逆变器则可以通过SPWM控制技术，在三相结构或者单相H桥结构中实现更高品质的逆变并网。

2.3 单级斩波结构发电单元

光伏组件、DC／DC变换电路是单级斩波结构发电单元的主要组成部分。其中DC／DC变换电路多用于Modular Multilevel Converter结构，其可以在串联多电平光伏发电系统运行过程中，以多个发电单元输出端串联的方式，为逆变器提供直流电源，能实现不受后级电路干扰的单一发电模块最大功率跟踪，无拓扑电流遗漏风险。

3 大规模光伏并网发电系统拓扑结构的对比

3.1 大规模光伏并网发电系统串联拓扑结构

大规模光伏并网发电系统串联拓扑结构中，各发电单元通过串联的方式连接，可以在一定程度上提升大规模光伏并网发电系统串联拓扑功率等级、电压等级及稳定性，并实现多级冗余，但是存在无法不停电故障维修的风险［3］。比较常用的大规模光伏并网发电系统串联拓扑结构主要有Modular Multilevel Converter结构、串联多重化、串联多电平等。

Modular Multilevel Converter主要是由多个子模块级联构成的模块化多电平换流器输电拓扑结构。其子模块为2H桥电路，开关管为互补模式的二电平变换器。通过若干个2H桥电路串联及载波移相（CPS-PWM）等辅助调制策略的恰当应用，可以获得更多的电平。这种拓扑结构较为简单，2H桥电路间功率不平衡概率、输出交流电压各次谐波含有率、输出交流电压中总谐波畸变率、开关器件承受应力均较低，逆变、2H桥电路连接容量拓展、冗余设计及直流母线故障清除较为容易，可以获得更低的电压及电流变化率，保证电磁兼容指标的实现。但是由于Modular Multilevel Converter结构应用时间较短，还存在2H桥电路间电压平衡控制风险及二电平变换器内部相间环流难题，导致其在现阶段无法广泛应用。

串联多重化将N个2H桥逆变器 （输出电压为方波）输出电压相位逐一移开π／N，然后经变压器二次侧进行逐一串联叠加，输出电压波形变为多电平阶梯波。这一拓扑结构组网较简单，控制较便捷，具有较好的输出电压波形改善能力，可以将谐波消除，并达到一定的电气隔离效果，同时还能提高输出电压及功率。但是这一拓扑结构在部分低次谐波消除方面不占优势，且成本较高。

现阶段串联多电平拓扑结构主要是利用由多个电平台阶组成的多电平变换器，独立控制每一个光伏模块使其输出达到最大功率，最终实现大规模光伏并网发电系统最大功率输出。通过多电平逆变器中多个电平台阶组合，能以阶梯波的形式逐步逼近正弦输出电压，电平数与正弦输出电压逼近程度成正比。串联多电平拓扑结构根据主电路差异可以划分为级联型、二极管箝位型及飞跨电容型。级联型多电平逆变器采用模块化结构，不需二极管箝位及电容箝位操作，可以利用太阳能电池阵列中现场独立直流电源获得最大功率输出，整体控制策略具有灵活、简单的特点。二极管箝位型串联多电平拓扑结构具有开关损耗小、控制简单、效率高等优点，但是在大规模光伏并网发电系统中其需要更多的电平数，直流分压电容会超出标准值，使控制难度及运行稳定性、经济性逐步下降。飞跨电容型串联多电平拓扑结构不仅需要控制箝位电容，而且需要均衡光伏并网发电系统运行电容、电压，复杂程度较高，且运行经济性较低，实用价值不高。

综上所述，以级联型多电平逆变器为主体的串联多电平拓扑结构应用价值较高，其不仅可以实现相同开关频率下更大功率的输出，而且可以使单个器件承受的电压应力、输出谐波及开关频率更小。但是由于逆变器调制具有一定限制，且光伏组件最大功率值控制复杂程度较高，对技术水平具有较高的要求。

3.2 大规模光伏并网发电系统并联拓扑结构

在确定大规模光伏并网发电系统拓扑基本单元的前提下，以提高系统电流等级及光伏发电功率为目标，依据即插即用、多级冗余的原则，进行大规模光伏并网发电系统并联拓扑结构设计［4］。

在大规模光伏并网发电系统发电单元并联方案设计时，首先对发电单元输出进行滤波，并在低压（380 V）下并联。然后利用大容量升压变压器，对电压等级进行适当提升，例如提升至10 kV、110 kV等，以最终实现高压并网发电。大规模光伏并网发电单元并联方式具有简单可靠、技术水平要求高、效率低、成本高、结构冗余复杂的特点。

二电平逆变器需要承受较大的电压、电流及开关损耗，为了降低高电压等级器件开关损耗，可以谐波分量（与载波频率相关）为控制要点，在发电单元中进行逆变器的并联多重化连接。同时为保证变压器运行灵活度不受影响，可以选择电抗器连接的方式，通过载波相位移动，使各逆变器三角载波相位逐次相差2π／N。这一方案需要对逆变器进行并联均流控制、直流侧电压控制，对升压变压器容量具有较高的要求，导致其整体运行成本较高，且只有在直流侧电压均衡时才满足并联条件［5］。由于光伏模块具有较大的分散性且环流问题不够突出，温度、日照、灰尘、云雾、倾斜角度等外部因素均会导致各光伏模块遮蔽情况存在差异，最终致使大规模光伏并网发电系统中各光伏模块达到最大功率点时刻及逆变器工作状况具有较大差异，增加了整个大规模光伏并网发电系统电压、容量提升及控制的难度。除此之外，大规模光伏并网发电系统并联拓扑结构仅可通过调整三相逆变器输出功率实现更高电压及更大功率。而三相逆变器输出功率调整主要通过谐波滤除装置进行，随着谐波滤除装置容量的增加，大规模光伏并网发电系统效率会随之下降，进一步增加了运行成本。

3.3 大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构

大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构是在可再生能源系统数量增多、容量扩大的背景下出现的新型结构，其不仅充分利用了大规模光伏并网发电系统串联拓扑结构和大规模光伏并网发电系统并联拓扑结构的优点，而且可以达到规模化组网应用的目的。现阶段大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构利用Modular Multilevel Converter结构、串联多重化、串联多电平等方式连接后作为发电单元，并对发电单元输出进行滤波，在低压（380 V）下并联。最后，利用大容量升压变压器对电压等级进行适当提升，以实现高压并网发电。

大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构仅为理想结构，还没有实际投运经验。再加上光伏发电缺乏稳定性、分散性高等缺陷，大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构仅可应用于光照较充足的沙漠化地区［6］。但是由于上述地区不是负荷中心，其所发送的电能距离负荷中心较远，需要利用分频输电技术或者柔性直流输电技术输送，导致大规模光伏并网发电系统串并联混合拓扑结构运行成本大大提升，且存在较大的电能损耗。而且柔性直流输电技术、分频输电技术成熟度不足，在运行期间可能对整个电力系统造成潜在威胁，现阶段实用价值不高，但是在未来具有较大的发展空间。

4 结语

新型光伏材料的出现使太阳能电池产品价格不断下降，为大规模光伏并网发电系统运行提供了良好背景。本文根据由逆变器、光伏组件、斩波电路等组成的发电单元运行需求，对大规模光伏并网发电系统串联拓扑结构、并联拓扑结构、串并联混合拓扑结构的优势及劣势进行逐一分析，以便为大规模光伏并网发电系统提供最佳拓扑结构，保证光伏发电系统可持续运行。