CN108539783A - 光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法，系统包括发电单元和汇集输送单元，由光伏阵列模块和DC/DC变换器组成的发电单元输出直流电，经过升压换流器的直流升压后汇聚在汇流箱内统一输出，再由逆变换流器转变为交流电后并入大电网。该系统充分利用DC/DC变换器、逆变换流器和升压换流器的可控性及保护装置的可靠性，避免出现以交流方式时的问题，进而提高光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行能力。而本申请提供的控制保护方法，对系统进行控保分区和控保分层处理，通过各系统控保分区和各系统控保分层之间的协调配合，对系统进行精准控制和保护，实现光伏电站在以直流升压汇集方式接入大电网时的安全稳定可靠运行。

Description

光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法

技术领域

本申请涉及新能源发电并网技术领域，尤其涉及光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法。

背景技术

传统能源发电会排放大量温室气体及其他污染物，造成严重的环保问题，而且化石能源储量正逐年减少，使得可再生清洁能源发电技术迅速发展。其中，光伏发电作为最具潜力的可再生清洁能源发电技术得到迅速发展，可见，开展太阳能光伏电站的研究具有巨大的优势。相对于小型光伏发电系统，大型光伏电站能够更加集中、充分、高效的利用太阳能，并能满足电网友好需求、社会环保效益；且光伏大规模开发利于实现光伏能源的集中式控制和管理。因此，建设大型光伏电站逐步成为光伏产业发展的主流方向。

目前，光伏电站主要采用交流升压汇集方式接入大电网。但是，当光伏发电基地采用传统交流升压汇集方式接入系统时，系统容抗、感抗极大，无功传输问题突出，系统存在谐波谐振、同步稳定等问题，主要表现为：(1)同步支撑下多逆变器并联稳定性问题突出，电压越限与宽频域振荡频发；(2)站内与站间交流汇集线路损耗大，系统整体效率偏低。为了避免采用交流升压汇集方式所产生的上述问题，本领域人员逐渐采用直流汇集方式将光伏电站接入大电网。直流升压汇集的方式接入系统是提高其并网容量的有效方式，但也使得接入系统的复杂程度也大大增加。

但是，由于采用直流升压汇集的方式使得接入系统的复杂程度增加，且光伏电站以汇集方式接入大电网时，为了保证光伏电站的可靠运行，避免影响接入大电网时对大电网产生的冲击，需要对光伏电站进行保护。传统的保护方法仅适用于交流汇集接入系统，由于直流升压汇集接入系统的结构复杂，传统的保护方法并不适用。可见，如何保证光伏电站在以直流升压汇集方式接入大电网时的安全可靠运行，避免出现波动成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法，以解决传统的保护方法无法保证光伏电站在以直流升压汇集方式接入大电网时安全可靠运行的问题。

第一方面，本申请提供了一种光伏电站直流升压汇集接入系统，包括：发电单元和汇集输送单元，其中，

所述发电单元包括数个光伏阵列模块和数个DC/DC变换器；所述光伏阵列模块与所述DC/DC变换器的一端连接，每个所述光伏阵列模块和每个DC/DC变换器一一对应形成发电子单元；

所述汇集输送单元包括汇流箱、逆变换流器和数个升压换流器；所述升压换流器的一端通过低压汇集线与DC/DC变换器的另一端连接，每个所述升压换流器分别与一个发电子单元串联，形成升压子单元；

每一所述升压换流器的另一端分别通过高压汇集线与所述汇流箱连接，使得每个所述升压子单元并联后均接入汇流箱；所述汇流箱的另一端与逆变换流器连接，经过每一升压子单元直流升压后的高压同时通过逆变换流器逆变成交流电并入大电网。

可选地，还包括：控制和保护单元；所述控制和保护单元包括汇流箱保护装置、换流器控制保护装置和线路保护装置；

所述汇流箱保护装置与所述汇流箱连接，所述汇流箱保护装置用于对汇流箱进行逆功率、过流和电涌保护；

所述换流器控制保护装置分别与所述DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器连接，所述换流器控制保护装置用于对DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器进行基本控制保护和后备保护；

所述线路保护装置分别与所述低压汇集线和高压汇集线连接，所述线路保护装置用于对低压汇集线和高压汇集线进行行波、微分欠压和差动保护。

可选地，所述汇流箱保护装置包括：逆功率保护模块、过流保护模块和电涌保护模块；

所述逆功率保护模块与所述升压子单元连接，所述逆功率保护模块用于对多路光伏阵列模块输出的电流在汇流箱内汇聚成大电流时起到逆功率保护；

所述过流保护模块与汇流箱的一个直流输出端连接，所述过流保护模块用于当发生故障时，分断过电流，保护光伏阵列模块；

所述电涌保护模块的一端连接于过流保护模块和汇流箱之间，所述电涌保护模块的另一端与汇流箱的另一个直流输出端连接，所述电涌保护模块用于对系统进行电涌保护。

可选地，所述换流器控制保护装置包括：DC/DC换流控制保护模块和DC/AC换流控制保护模块；

所述DC/DC换流控制保护模块分别与DC/DC变换器和升压换流器连接，所述DC/DC换流控制保护模块用于对DC/DC变换器和升压换流器进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、差动、过励磁和瓦斯保护；

所述DC/AC换流控制保护模块与逆变换流器连接，所述DC/AC换流控制保护模块用于对逆变换流器进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、频率、相序和防孤岛保护。

可选地，还包括：控保协同单元；所述控保协同单元分别与所述发电单元、汇集输送单元以及控制和保护单元连接；所述控保协同单元用于对发电单元、汇集输送单元以及控制和保护单元分别起到控制和保护的协同作用。

第二方面，本申请还提供了一种光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法，所述方法包括以下步骤：

获取光伏电站直流升压汇集接入系统的结构信息；

根据所述结构信息对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行分层处理，得到多个系统控保分层；

根据控保分区原则，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行分区处理，得到多个系统控保分区；

将所述系统控保分层和系统控保分区进行一一对应结合，得到系统控保模型；

利用控制保护策略和系统控保模型，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行保护，以使所述光伏电站直流升压汇集接入系统运行稳定。

可选地，所述控保分区原则包括：

将每个所述系统控保分区结合后可覆盖光伏电站直流升压汇集接入系统；

相邻两个所述系统控保分区之间形成重叠区域，所述重叠区域的面积远小于相应的系统控保分区的面积；

每个所述系统控保分区内包括所述发电单元和汇集输送单元中的至少一个装置，以及所述控制和保护单元与控保协同单元中的至少一个装置。

可选地，所述系统控保分层包括设备单元层、汇集间隔层和场站系统层；所述系统控保分区包括单元控保子分区、间隔控保子分区和系统控保子分区；以及，按照下述步骤将所述系统控保分层和系统控保分区进行一一对应结合，得到系统控保模型：

控制所述单元控保子分区与设备单元层对应，控制间隔控保子分区与汇集间隔层对应，控制系统控保子分区与场站系统层对应，确定系统控保模型。

可选地，所述控制保护策略包括汇流箱保护策略、换流器控制保护策略和线路保护策略；以及，按照下述步骤利用控制保护策略和系统控保模型，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行保护：

将所述系统控保模型中的汇流箱与所述汇流箱保护策略建立对应关系，利用所述汇流箱保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的汇流箱进行保护；

将所述系统控保模型中的所述DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器与所述换流器控制保护策略建立对应关系，利用所述换流器控制保护策略分别对光伏电站直流升压汇集接入系统中的DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器进行控制保护；

将所述系统控保模型中的低压汇集线和高压汇集线分别与所述线路保护策略建立对应关系，利用所述线路保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的低压汇集线和高压汇集线进行保护。

可选地，还包括：

获取光伏电站直流升压汇集接入系统的当前状态信息；

判断所述当前状态信息是否满足控保协同策略的启用判据；

如果满足，确定所述当前状态信息对应的当前扰动类型；

根据所述光伏电站直流升压汇集接入系统的当前扰动类型，启用所述控保协同策略的控制与保护协同功能，以使所述光伏电站直流升压汇集接入系统由当前状态恢复为正常状态。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法，系统包括发电单元和汇集输送单元，由光伏阵列模块和DC/DC变换器组成的发电单元输出直流电，经过升压换流器的直流升压之后汇聚在汇流箱内统一输出，再由逆变换流器转变为交流电之后并入大电网。该系统采用直流升压汇集方式接入大电网，充分利用DC/DC变换器、逆变换流器和升压换流器的可控性及保护装置的可靠性，可避免出现以交流方式升压汇集并网时的各种问题，进而可提高光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行能力。而本申请提供的控制保护方法，对系统进行控保分区和控保分层处理，通过各系统控保分区和各系统控保分层的之间的协调配合，对系统进行精准的控制和保护，实现光伏电站在以直流升压汇集方式接入大电网时的安全稳定可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统的拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例提供的控制和保护单元的结构框图；

图3为本申请实施例提供的汇流箱保护装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的系统控保分层的功能示意图；

图6为本申请实施例提供的系统控保分区的示意图；

图7为本申请实施例提供的系统控保分区与系统控保分层的对应关系图；

图8为本申请实施例提供的各系统控保分层的控制功能关系图。

图示说明：

其中，1-发电单元，11-光伏阵列模块，12-DC/DC变换器，2-汇集输送单元，21-升压换流器，22-逆变换流器，23-汇流箱，24-低压汇集线，25-高压汇集线，3-大电网，4-控制和保护单元，41-汇流箱保护装置，411-逆功率保护模块，412-过流保护模块，413-电涌保护模块，42-换流器控制保护装置，43-线路保护装置，100-单元控保子分区，200-间隔控保子分区，300-系统控保子分区。

具体实施方式

图1为本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统的拓扑结构示意图。

参见图1，本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统，包括：发电单元1和汇集输送单元2。大型光伏电站直流升压汇集接入系统主要由两部分组成：光伏阵列模块11与DC/DC变换器12组成的发电单元1；低压与高压汇集线、升压换流器21以及逆变换流器22所组成的汇集输送单元2。大型光伏电站常采用MPPT控制；DC/DC变换器12可以改善光伏阵列输出的直流电压品质，并稳定直流电压；发电单元1输出的直流电压经过直流升压换流器21升压，将电压等级提升到30kV或35kV进行汇集输送，在大电网3侧通过换流器逆变成交流电并入大电网3。

具体地，发电单元1包括数个光伏阵列模块11和数个DC/DC变换器12；所述光伏阵列模块11与所述DC/DC变换器12的一端连接，每个所述光伏阵列模块11和每个DC/DC变换器12一一对应形成发电子单元。

发电单元1内包括多个并联的发电子单元，每一发电子单元均由光伏阵列模块11和DC/DC变换器12串联而成，实现直流电的输出。

汇集输送单元2包括汇流箱23、逆变换流器22和数个升压换流器21；升压换流器21的一端通过低压汇集线24与DC/DC变换器12的另一端连接，每个升压换流器21分别与一个发电子单元串联，形成升压子单元。

每一发电子单元输出的直流电对应流入一个升压换流器21，可由升压换流器21将发电子单元输出的品质较高、且稳定的直流电压进行升压处理，得到满足需求的直流电便于后续汇集输送。

每一升压换流器21的另一端分别通过高压汇集线25与汇流箱23连接，使得每个升压子单元并联后均接入汇流箱23；汇流箱23的另一端与逆变换流器22连接，经过每一升压子单元直流升压后的高压同时通过逆变换流器22逆变成交流电并入大电网3。

经过升压处理后的直流电压统一汇集到汇流箱23，便于进行统一处理，即利用逆变换流器22将高压直流电压统一转变为交流电压，再并入大电网3。

在光伏电站以直流升压汇集方式接入大电网3时，为了避免出现以交流升压汇集方式时出现的问题，本实施例提供的系统中，还包括控制和保护单元4，以实现对光伏电站以直流升压汇集方式接入大电网3时保护，进而保证光伏电站的运行稳定性。

由于电力系统配置控制与保护的根本目的是平抑、消除扰动，保障系统可靠安全稳定运行。而系统在运行时遭受的扰动一般可分为小扰动和大扰动两类。小扰动一般是指负荷或者线路参数的波动；大扰动一般是指系统故障。

在对大型光伏电站直流升压汇集接入系统配置控保方案时，一方面要充分发挥换流器的可控性对扰动的平抑作用，通过换流器控制提高系统安全稳定运行的能力；另一方面，也必须考虑系统中所有设备、线路等的故障大扰动保护，包括：发电单元1的保护，即光伏阵列模块11与DC/DC变换器12的保护；汇集输送单元2的保护，也即汇集线路、直流升压换流器21、逆变换流器22的保护。从平抑、消除扰动的角度看，系统的控制与保护既需要相互独立，又需要协同配合。

为此，为了保障大型光伏电站直流升压汇集接入系统安全稳定运行，保护配置应当满足以下要求：保护系统中各装置能够可靠、迅速动作，满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求；设置冗余保护，保证某保护拒动时，其他保护能可靠动作切除故障。

如图2所示，本实施例中，用于对系统中各装置进行保护的控制和保护单元4包括汇流箱保护装置41、换流器控制保护装置42和线路保护装置43。

其中，汇流箱保护装置41与汇流箱23连接，汇流箱保护装置41用于对汇流箱23进行逆功率、过流和电涌保护。

由于光伏发电原理是利用半导体器件太阳能电池的光生伏打效应，将太阳能转换为电能。单个光伏电池的电压大约为0.5伏特，为了获得一定的电压，将多个光伏电池串并联组成光伏阵列模块11；若干个光伏阵列模块11并联进入汇流箱23汇流，将多路电流汇聚成一路电流。

如图3所示，根据汇流箱23汇流特点，汇流箱保护装置41包括：逆功率保护模块411、过流保护模块412和电涌保护模块413。

逆功率保护模块411与升压子单元连接，逆功率保护模块411用于对多路光伏阵列模块11输出的电流在汇流箱23内汇聚成大电流时起到逆功率保护。

由于多路光伏阵列模块11输出的电流在汇流箱23内并联汇聚成大电流输出，如果发生电流倒灌时，易对光伏阵列模块11造成损坏，因此，为了防止大电流流入光伏阵列模块11而烧毁组件，在电流输出过程配有逆功率保护。本实施例中，逆功率保护可以通过熔断器执行保护动作，即逆功率保护模块411可选用熔断器。

过流保护模块412与汇流箱23的一个直流输出端连接，过流保护模块412用于当发生故障时，分断过电流，保护光伏阵列模块11。

如果出现故障时，采用直流断路器分断过电流，以保护光伏阵列模块11。因此，本实施例中，过流保护模块412可选用直流断路器。

电涌保护模块413的一端连接于过流保护模块412和汇流箱23之间，电涌保护模块413的另一端与汇流箱23的另一个直流输出端连接，电涌保护模块413用于对系统进行电涌保护。

如果光伏发电系统受到雷电影响或其他瞬间过电压影响时，易产生剧烈的脉冲，形成电涌。采用电涌保护器，又称防雷器，配有过压、过流保护，可以保护系统不受电涌影响。因此，本实施例中，电涌保护模块413可选用防雷器。

配置大型光伏电站直流升压汇集接入系统相关保护时，根据系统中装置的特点，并考虑可能发生的故障及故障特征，需要为每一装置配备相应的保护措施。因此，在对系统中各换流器进行保护时，需要配备相应的换流器控制保护装置42。

本实施例中提供的换流器控制保护装置42分别与所述DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22连接，换流器控制保护装置42用于对DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22进行基本控制保护和后备保护。

换流器是大型光伏电站直流升压汇集接入系统的关键器件，对于保障系统的安全稳定运行起到至关重要的作用。在系统中，换流器主要包括DC/DC、DC/AC两类换流器；在线路侧，DC/DC换流器类似于变压器，实现电压变换，连接不同电压等级的线路；在并网侧，DC/AC换流器连接直流系统-交流电网，即逆变换流器22，实现电能转换。换流器发生故障会严重影响系统的可靠运行。因此，必须针对换流器配置严格的控制和保护。

具体地，换流器控制保护装置42包括：DC/DC换流控制保护模块和DC/AC换流控制保护模块。

DC/DC换流控制保护模块分别与DC/DC变换器12和升压换流器21连接，DC/DC换流控制保护模块用于对DC/DC变换器12和升压换流器21进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、差动、过励磁和瓦斯保护。

DC/DC、DC/AC两类换流器实现控制功能的物理基础都是IGBT等电力电子器件，因此，基于电力电子器件特性，DC/DC、DC/AC换流器都应配备如下基本控制保护：

过压、欠压保护：换流器承受过压时，会加速器件绝缘老化，严重时，甚至会直接击穿电力电子器件，失去控制功能；换流器承受欠压时，会影响其输出电压水平。因而，为保障换流器正常工作，延长其使用寿命，需要配备过压、欠压保护。

过流保护：当发生故障时，换流器承受的电流增大，会降低换流器的使用寿命，甚至损坏换流器。过流保护可以保证换流器正常工作，延长使用寿命。

过热保护：由于温度是影响换流器安全工作的重要因素之一，温度过高会导致换流器元件损坏，因此，利用过热保护能够保障换流器在正常温度范围内工作；过热保护一般通过冷却装置实现。

另外，由于DC/DC变换器12和升压换流器21是大型光伏电站直流升压汇集接入系统的关键器件，对整个系统的可靠运行有重要影响。升压换流器21具有高升压比，本实施例中，采用隔离型DC/DC升压换流器以获得高升压比。与传统电力变压器相比，升压换流器21会受到谐波、直流偏磁等的影响。因此，DC/DC变换器12和升压换流器21除了配置过压保护及过流保护等换流器基本控制保护之外，还应配备后备保护，具体内容如下：

差动保护：差动保护作为升压换流器21的主保护，其保护原理与传统电力变压器的原理基本相同，此处不再赘述。

过励磁保护：当系统中励磁电流过大，会引起温升、振动等效应，影响升压换流器21正常运行。因此，采用过励磁保护作为换流变压器的后备保护，防止出现上述现象。

瓦斯保护：瓦斯保护是非电气量保护，作为升压换流器21的主保护。

DC/AC换流控制保护模块与逆变换流器22连接，DC/AC换流控制保护模块用于对逆变换流器22进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、频率、相序和防孤岛保护。

在并网侧，逆变换流器22连接直流与交流两个系统，起到并网控制作用。因而，逆变换流器22除了配备换流器基本控制保护，还需配置以下后备保护：

频率保护：当大型光伏电站直流升压汇集接入系统遭受过频、欠频时，会严重影响系统可靠运行，为了提高系统的可靠性，因而需要配有频率保护。

相序保护：当大型光伏电站直流升压汇集接入系统并网时，相序要与电网一致，否则会导致并网失败。因此，本实施例采用相序保护能够保证系统与电网相序一致。

防孤岛保护：如果电网发生严重故障后，大型光伏电站直流升压汇集接入系统仍然向电网供电，会产生孤岛效应，影响电网安全稳定运行。因此，当出现孤岛效应时，采用防孤岛保护功能断开系统与电网连接，停止向电网供电，保证电网安全可靠运行。

需要说明的是，DC/AC换流控制保护模块的基本控制保护内容与DC/DC换流控制保护模块的基本控制保护内容相同，此处不再赘述。

线路保护装置43分别与所述低压汇集线24和高压汇集线25连接，线路保护装置43用于对低压汇集线24和高压汇集线25进行行波、微分欠压和差动保护。

大型光伏电站直流升压汇集接入系统的线路主要包括：从光伏阵列到换流器的直流线路，低压汇集线24和高压汇集线25。而线路常见故障包括：短路、断线等故障；短路故障又包括：单极接地故障、双极短路和双极接地短路故障。因此，针对直流线路常见故障，需配备相应的保护，具体如下：

行波保护：在直流线路故障时，会从故障点向线路两侧传播反行波，行波保护就是利用反行波来检测故障，实现线路的保护。行波保护主要针对接地故障，是直流线路的主保护。

微分欠压保护：微分欠压保护通过检测电压微分数值dU/dt和电压幅值U实现接地故障保护。微分欠压保护是直流输电线路的主保护，同时又作为行波保护的后备保护。

差动保护：差动保护通过比较多端电气量实现故障保护，其对通信要求比较高，在直流线路保护中作为后备保护使用。

以上可见，本申请实施例提供的系统，对光伏电站直流升压汇集接入系统中各装置分别配备保护装置，可以提高光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行能力。

为了更加准确地对本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统进行控制和保护，本申请实施例还提供了控制保护方法，以保证光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行。

图4为本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法的流程图。

如图4所示，本申请实施例提供的一种光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法，用于对图1所示的光伏电站直流升压汇集接入系统进行控制和保护，该方法包括以下步骤：

S1、获取光伏电站直流升压汇集接入系统的结构信息；

系统的结构信息为如图1所示的拓扑图中所示结构，结构信息包括系统中各装置的种类、相对位置和关联关系等。

S2、根据所述结构信息对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行控保分层处理，得到多个系统控保分层；

相比大电网，大型光伏电站直流升压汇集接入系统规模较小，更易获得全面的系统状态信息，通信也更加方便，为大型光伏电站直流升压汇集接入系统分层分区控保提供了物理基础。控制与保护的根本目标是保障系统安全可靠稳定运行，从系统拓扑与控制分级角度看，包括局部控制与保护、全局控制与保护。因此，控制与保护在功能需求上具有明显的层次差异。按照“功能分层配置”原则，将大型光伏电站直流升压汇集接入系统分为设备单元层、汇集间隔层、场站系统层，各层级都具有相应的控制功能与保护功能。

如图5所示，设备单元层可实现的功能包括换流器控制、继电保护和信息采集；通过基于信息采集功能来实现本层级的控制与保护。当发生扰动时，可以通过控制换流器平抑扰动，并可以根据相关状态信息判断是否需要启动故障保护，切除故障。本层级的控制保护功能主要为主保护、近后备保护。

汇集间隔层可实现的功能包括故障隔离、故障识别、协调控制和后备保护；在实际应用中，汇集间隔层可依据本层的状态信息，实现故障识别、故障隔离与后备保护的功能。本层级保护功能主要为设备单元层提供远后备保护，因而，汇集间隔层在拓扑结构上包含设备单元层。

场站系统层面向整个大型光伏电站直流升压汇集接入系统，根据全局信息，主要实现并网保护、故障穿越、柔性控制与稳定控制等功能。

大型光伏电站直流升压汇集接入系统的设备单元层、汇集间隔层、场站系统层实现控制功能的物理基础是换流器，其保护功能通过保护装置实现，控保功能通过控保分区协同配合实现。其中，换流器包括DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22。

S3、根据控保分区原则，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行控保分区处理，得到多个系统控保分区；

传统电力系统的继电保护通过分区保护配合实现，在系统控保分区内发生故障时，继电保护能够正确启动且快速、可靠切除故障，使损失降低到最小。因此，为了使保护可靠、动作能相互配合，在划分系统控保分区时采用控保分区原则。

本实施例中，控保分区原则包括：

(1)将每个所述系统控保分区结合后可覆盖光伏电站直流升压汇集接入系统；

系统控保分区必须覆盖整个系统，不允许存在死区，保证在系统任意位置发生故障时，相应位置都处于保护范围内，故障能够可靠的被切除。

(2)相邻两个所述系统控保分区之间形成重叠区域，所述重叠区域的面积远小于相应的系统控保分区的面积；

相邻系统控保分区之间的保护范围要有重叠，但该重叠区要尽可能的小，以便于控制当前系统控保分区时避免影响相邻的系统控保分区。

(3)每个所述系统控保分区内包括所述发电单元和汇集输送单元中的至少一个装置，以及所述控制和保护单元与控保协同单元中的至少一个装置。

系统控保分区内应含有可控装置和保护装置，可控装置可为发电单元1和汇集输送单元2中的任一个装置，如光伏阵列模块11、DC/DC变换器12、汇流箱23、逆变换流器22和升压换流器21；保护装置可为控制和保护单元4与控保协同单元中的任一个装置，如汇流箱保护装置41、换流器控制保护装置42、线路保护装置43、单元控保模块、间隔控保模块和系统控保模块。

如图6所示，根据上述控保分区原则和系统的结构信息，发挥换流器在平抑扰动方面的可控性以及保护装置在故障切除方面的可靠性，实现多种状态下的控制与保护，将光伏电站直流升压汇集接入系统进行分区，得到多个系统控保分区，包括单元控保子分区100、间隔控保子分区200和系统控保子分区300。

相邻两个单元控保子分区100之间存在共同的升压换流器21部分，单元控保子分区100和间隔控保子分区200之间存在共同的逆变换流器22部分，系统控保子分区300包含了单元控保子分区100和间隔控保子分区200内的所有装置。

S4、将系统控保分层和系统控保分区进行一一对应结合，得到系统控保模型；

为了实现精准控制，将系统控保分层和系统控保分区结合在一起，对形成的系统控保模型进行控制和保护。

如图7所示，大型光伏电站直流升压汇集接入系统控保分区与系统控保分层的对应关系，具体为，由于系统控保分层包括设备单元层、汇集间隔层和场站系统层；系统控保分区包括单元控保子分区100、间隔控保子分区200和系统控保子分区300；因此，将单元控保子分区100与设备单元层对应，控制间隔控保子分区200与汇集间隔层对应，控制系统控保子分区300与场站系统层对应，以此确定系统控保模型。

大型光伏电站直流升压汇集接入系统分层分区控制和保护互相协调配合，共同实现对整个系统的控制与保护，保证系统安全稳定可靠运行。

S5、利用控制保护策略和系统控保模型，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行保护，以使所述光伏电站直流升压汇集接入系统运行稳定。

本实施例中，控制保护策略包括汇流箱保护策略、换流器控制保护策略和线路保护策略。其中，汇流箱保护策略由系统中汇流箱保护装置41执行，换流器控制保护策略由系统中换流器控制保护装置42执行，线路保护策略由系统中线路保护装置43执行。

系统中每一保护装置执行相应的控制保护策略，以及系统控保模型，对大型光伏电站直流升压汇集接入系统进行保护，具体过程如下：

S51、将系统控保模型中的汇流箱与所述汇流箱保护策略建立对应关系，利用所述汇流箱保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的汇流箱进行保护；

根据系统控保模型中系统控保分区和系统控保分层后的结构，确定汇流箱23的位置，控制汇流箱保护装置41启动保护汇流箱23的操作，利用汇流箱保护策略对汇流箱23进行实时保护，以保证光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行。

S52、将系统控保模型中的所述DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器与换流器控制保护策略建立对应关系，利用换流器控制保护策略分别对光伏电站直流升压汇集接入系统中的DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器进行控制和保护；

根据系统控保模型中系统控保分区和系统控保分层后的结构，分别确定DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22的位置，控制换流器控制保护装置42启动保护DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22的操作，利用换流器控制保护策略对DC/DC变换器12、升压换流器21和逆变换流器22进行实时控制和保护，以保证光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行。

S53、将系统控保模型中的低压汇集线和高压汇集线分别与线路保护策略建立对应关系，利用线路保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的低压汇集线和高压汇集线进行保护。

根据系统控保模型中系统控保分区和系统控保分层后的结构，确定低压汇集线24和高压汇集线25的位置，控制线路保护装置43启动保护低压汇集线24和高压汇集线25的操作，利用线路保护策略对低压汇集线24和高压汇集线25进行实时保护，以保证光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行。

大型光伏电站直流升压汇集接入系统中不同系统控保分区和不同系统控保分层具有不同的控制与保护功能，且各功能的响应速度也不相同，从而导致控制与保护之间的协调配合较为复杂。因此，本实施例提供了具体控保协同功能的光伏电站直流升压汇集接入系统，以及，为了实现系统控保分区和系统控保分层的控制与保护功能之间的协同配合，本实施例提供了大型光伏电站直流升压汇集接入系统分层分区控保协同策略。

本申请实施例提供的如图1所示的光伏电站直流升压汇集接入系统，还包括：控保协同单元；控保协同单元分别与发电单元1、汇集输送单元2以及控制和保护单元4连接；控保协同单元用于对发电单元1、汇集输送单元2以及控制和保护单元4分别起到控制和保护的协同作用。

电力系统运行时，往往会受到某些干扰使其偏离正常运行状态，甚至某些大扰动会造成停电事故，严重影响系统安全可靠运行。因此，系统需要具备抑制、消除扰动的能力，即具备控制与保护功能。协同控保的中心思想就是：针对不满足系统约束条件的状态，采用适当的控制与保护功能，抑制或消除该状态，使系统恢复到正常运行状态。对于小扰动，通过控制换流器抑制、消除扰动；对于大扰动，通过换流器控制降低扰动危害，必要时通过保护功能切除扰动源。

大型光伏电站直流升压汇集接入系统的控保协同单元，其控制功能主要表现在：扰动发生时起到抑制、消除作用，以及在扰动消除后起到稳定作用。保护功能主要表现在：系统发生大扰动特别是严重故障发生时，快速切除故障，保障系统安全。控制功能与保护功能互相配合，实现系统安全稳定可靠运行。

所述控保协同单元包括单元控保模块、间隔控保模块和系统控保模块；单元控保模块用于对系统控保模型中的设备单元层进行控制和保护，间隔控保模块用于对系统控保模型中的汇集间隔层进行控制和保护，系统控保模块用于对系统控保模型中的场站系统层进行控制和保护。

控制与保护之间的协同方法遵循“控制优先，控保结合”的原则。对于小扰动，通过控制换流器抑制、消除扰动；对于大扰动，先通过换流器控制降低扰动危害，必要时通过保护功能切除扰动源。在系统受到扰动而运行于警戒状态或紧急状态时，此时，系统仍然具有一定的稳定性，且发电单元1、汇集输送单元2以及控制和保护单元4中的各装置控制具有快速性，因而，优先通过控制发电单元1、汇集输送单元2以及控制和保护单元4中的装置来平抑、消除扰动；若控制达不到效果，或者系统向更严重状态发展，此时需启用保护功能进行保护，待扰动消除后，采取相应的控制功能进行恢复。

针对上述具有控保协同功能的光伏电站直流升压汇集接入系统，本申请实施例还提供一种应用于上述系统的控制保护方法，在图4所示的控制保护方法的基础上，本实施例提供的控制保护方法还包括：

S101、获取光伏电站直流升压汇集接入系统的当前状态信息；

实时采集光伏电站直流升压汇集接入系统接入大电网的状态，以根据系统的当前状态来判断接入时时候出现故障，如果出现故障，可以及时地启用控制保护方法，以保证系统的安全稳定运行。

S102、判断当前状态信息是否满足控保协同策略的启用判据；

由于控保协同策略的启用原则是根据系统的当前状态进行判断，如果不满足状态约束条件，则启用控保协同策略。

本实施例中，将系统的运行状态分为正常状态、警戒状态、紧急状态、崩溃状态和恢复状态。当系统发生故障或受到其他扰动时，可能会破坏某些约束条件，使系统状态发生转移，造成安全隐患。当状态变化、且未处于正常状态时，要启用相关控制与保护功能，使系统恢复到原来状态或达到新的稳定状态。因此，控保协同策略是基于系统状态驱动机制的协同策略。

如果检测出系统的当前状态不属于正常状态，而是属于其他状态中某一种状态，此时需要对系统进行控制和保护，即可确定系统的当前状态信息满足控保协同策略的启用判据。

S103、如果满足，确定当前状态信息对应的当前扰动类型；

当判断出系统的当前状态信息满足控保协同策略的启用判据时，即可确定出对系统造成影响的扰动类型，以便于有针对性地对该扰动事件进行控制，以保护系统的稳定运行。

S104、根据光伏电站直流升压汇集接入系统的当前扰动类型，启用控保协同策略的控制与保护协同功能，以使光伏电站直流升压汇集接入系统由当前状态恢复为正常状态。

当系统处于非正常状态时，以及确定出光伏电站直流升压汇集接入系统对应的当前扰动类型之后，即可有针对性地启动相应的控保协同策略，利用该策略中的控制与保护协同功能，抑制、消除扰动使系统恢复到正常状态。

从功能角度看，控保协同策略包括控制与保护之间的协同方法、保护与保护之间的协同方法、控制和控制之间的协同方法。从分层分区角度看，既包括各控保分层、控保分区内部控制与保护配合，又包括分层分区之间控制与保护的配合。

本实施例中，控制与保护之间的协同方法在大型光伏电站直流升压汇集接入系统的控制功能主要表现在：利用变流器等可控装置的功率控制功能，在扰动发生时起到抑制、消除扰动的作用，扰动消除后起到减小扰动影响、稳定系统的作用；保护功能主要表现在：系统发生大扰动特别是严重故障发生时，快速切除故障，保障系统安全。控制功能与保护功能互相配合，实现系统安全稳定可靠运行。控制与保护之间遵循“控制优先，控保结合”的原则。对于小扰动，通过控制换流器抑制、消除扰动；对于大扰动，先通过换流器控制降低扰动危害，必要时通过保护功能切除扰动源。在系统受到扰动而运行于警戒状态或紧急状态时，此时，系统仍然具有一定的稳定性，且电力电子器件控制具有快速性，因而，优先通过控制电力电子器件来平抑、消除扰动；若控制达不到效果，系统向更严重状态发展，启用保护功能进行保护，待扰动消除后，采取相应的控制功能进行恢复。

保护和保护之间的协同方法主要是系统控保分区之间的配合，是主保护与后备保护之间的配合。单元控保分区单元控保子分区100主要提供主保护与近后备保护。当系统发生故障时，首先主保护动作，若主保护拒动，则近后备保护要启动；若主保护与近后备保护都拒动，则由间隔控保分区间隔控保子分区200提供远后备保护。系统控保分区300系统控保子分区300主要提供系统的并网保护，同时，也可以作为远后备保护。主保护与后备保护可以通过阶梯时限或交互通信方式实现协同配合。

控制和控制之间的协同方法是各系统控保分层之间的配合：设备单元层的控制功能包括：根据设备单元层的信息，控制设备单元层的换流器，接收来自汇集间隔层的控制指令。汇集间隔层的控制功能包括：协调控制设备单元层；接收来自场站系统层的控制指令。场站系统层的控制功能包括：协调控制各系统控保分层，稳定系统；对并网侧换流器进行控制，实现并网控制。本实施例中，各系统控保分层的控制功能关系如图8所示。

从上述实施例可以看出，本申请实施例提供的光伏电站直流升压汇集接入系统及其控制保护方法，系统包括发电单元1和汇集输送单元2，由光伏阵列模块11和DC/DC变换器12组成的发电单元1输出直流电，经过升压换流器21的直流升压之后汇聚在汇流箱23内统一输出，再由逆变换流器22转变为交流电之后并入大电网。该系统采用直流升压汇集方式接入大电网，充分利用DC/DC变换器、逆变换流器和升压换流器的可控性及保护装置的可靠性，可避免出现以交流方式升压汇集并网时的各种问题，进而可提高光伏电站直流升压汇集接入系统的安全稳定运行能力。而本申请提供的控制保护方法，对系统进行分区和分层处理，通过各系统控保分区和各系统控保分层的之间的协调配合，对系统进行精准的控制和保护，实现光伏电站在以直流升压汇集方式接入大电网时的安全稳定可靠运行。

具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种光伏电站直流升压汇集接入系统，其特征在于，包括：发电单元和汇集输送单元，其中，

所述发电单元包括数个光伏阵列模块和数个DC/DC变换器；所述光伏阵列模块与所述DC/DC变换器的一端连接，每个所述光伏阵列模块和每个DC/DC变换器一一对应形成发电子单元；

所述汇集输送单元包括汇流箱、逆变换流器和数个升压换流器；所述升压换流器的一端通过低压汇集线与DC/DC变换器的另一端连接，每个所述升压换流器分别与一个发电子单元串联，形成升压子单元；

每一所述升压换流器的另一端分别通过高压汇集线与所述汇流箱连接，使得每个所述升压子单元并联后均接入汇流箱；所述汇流箱的另一端与逆变换流器连接，经过每一升压子单元直流升压后的高压同时通过逆变换流器逆变成交流电并入大电网。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：控制和保护单元；所述控制和保护单元包括汇流箱保护装置、换流器控制保护装置和线路保护装置；

所述汇流箱保护装置与所述汇流箱连接，所述汇流箱保护装置用于对汇流箱进行逆功率、过流和电涌保护；

所述换流器控制保护装置分别与所述DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器连接，所述换流器控制保护装置用于对DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器进行基本控制保护和后备保护；

所述线路保护装置分别与所述低压汇集线和高压汇集线连接，所述线路保护装置用于对低压汇集线和高压汇集线进行行波、微分欠压和差动保护。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述汇流箱保护装置包括：逆功率保护模块、过流保护模块和电涌保护模块；

所述逆功率保护模块与所述升压子单元连接，所述逆功率保护模块用于对多路光伏阵列模块输出的电流在汇流箱内汇聚成大电流时起到逆功率保护；

所述过流保护模块与汇流箱的一个直流输出端连接，所述过流保护模块用于当发生故障时，分断过电流，保护光伏阵列模块；

所述电涌保护模块的一端连接于过流保护模块和汇流箱之间，所述电涌保护模块的另一端与汇流箱的另一个直流输出端连接，所述电涌保护模块用于对系统进行电涌保护。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换流器控制保护装置包括：DC/DC换流控制保护模块和DC/AC换流控制保护模块；

所述DC/DC换流控制保护模块分别与DC/DC变换器和升压换流器连接，所述DC/DC换流控制保护模块用于对DC/DC变换器和升压换流器进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、差动、过励磁和瓦斯保护；

所述DC/AC换流控制保护模块与逆变换流器连接，所述DC/AC换流控制保护模块用于对逆变换流器进行功率控制，以及进行过压、过流、过热、频率、相序和防孤岛保护。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：控保协同单元；所述控保协同单元分别与所述发电单元、汇集输送单元以及控制和保护单元连接；所述控保协同单元用于对发电单元、汇集输送单元以及控制和保护单元分别起到控制和保护的协同作用。

6.一种光伏电站直流升压汇集接入系统的控制保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取光伏电站直流升压汇集接入系统的结构信息；

根据所述结构信息对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行控保分层处理，得到多个系统控保分层；

根据控保分区原则，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行控保分区处理，得到多个系统控保分区；

将所述系统控保分层和系统控保分区进行一一对应结合，得到系统控保模型；

利用控制保护策略和系统控保模型，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行控制和保护，以使所述光伏电站直流升压汇集接入系统运行稳定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控保分区原则包括：

将每个所述系统控保分区结合后可覆盖光伏电站直流升压汇集接入系统；

相邻两个所述系统控保分区之间形成重叠区域，所述重叠区域的面积远小于相应的系统控保分区的面积；

每个所述系统控保分区内包括所述发电单元和汇集输送单元中的至少一个装置，以及所述控制和保护单元与控保协同单元中的至少一个装置。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述系统控保分层包括设备单元层、汇集间隔层和场站系统层；所述系统控保分区包括单元控保子分区、间隔控保子分区和系统控保子分区；以及，按照下述步骤将所述系统控保分层和系统控保分区进行一一对应结合，得到系统控保模型：

控制所述单元控保子分区与设备单元层对应，控制间隔控保子分区与汇集间隔层对应，控制系统控保子分区与场站系统层对应，确定系统控保模型。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制保护策略包括汇流箱保护策略、换流器控制保护策略和线路保护策略；以及，按照下述步骤利用控制保护策略和系统控保模型，对所述光伏电站直流升压汇集接入系统进行保护：

将所述系统控保模型中的汇流箱与所述汇流箱保护策略建立对应关系，利用所述汇流箱保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的汇流箱进行保护；

将所述系统控保模型中的所述DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器与所述换流器控制保护策略建立对应关系，利用所述换流器控制保护策略分别对光伏电站直流升压汇集接入系统中的DC/DC变换器、升压换流器和逆变换流器进行控制保护；

将所述系统控保模型中的低压汇集线和高压汇集线分别与所述线路保护策略建立对应关系，利用所述线路保护策略对光伏电站直流升压汇集接入系统中的低压汇集线和高压汇集线进行保护。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

获取光伏电站直流升压汇集接入系统的当前状态信息；

判断所述当前状态信息是否满足控保协同策略的启用判据；

如果满足，确定所述当前状态信息对应的当前扰动类型；

根据所述光伏电站直流升压汇集接入系统的当前扰动类型，启用所述控保协同策略的控制与保护协同功能，以使所述光伏电站直流升压汇集接入系统由当前状态恢复为正常状态。