CN108574268A - 千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法，利用电感L在通电瞬间电流不突变，电容C在换路瞬间电压不突变，将二者结合起来设计了LC复合缓冲保护单元，对电路中的过流故障起到保护作用；该保护单元中LC在一定频率下可以发生串联谐振，此时电压为零，相当于短路，达到零电压启动、降低开关器件开通损耗及降低噪声的目的。此外，本发明根据千瓦级光伏直流升压系统可能出现的过流故障点，在故障点添加霍尔电流传感器，实时监测电流值，通过微处理器发出指令给IGBT驱动单元，驱动IGBT动作，进而对电路起到保护作用。

Description

千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法。

背景技术

随着世界能源危机日益加剧和自然生态环境日趋恶化，清洁可再生能源尤其是太阳能的开发利用正受到世界各国越来越广泛关注，太阳能已成为世界新能源的主要形式之一，而且光伏电池板的容量等级越来越大，已经达到千瓦级。直流升压技术作为清洁能源并网的有效方式，受到越来越多人的重视。由于直流升压系统调节方式和自身结构固有特性，直流升压电路中电力电子器件用的比较多，升压电路中直流电与交流电共同存在，直流电的低压输入端与变压器低压输入端可能出现过流故障，故障电流极易损坏逆变站的换流设备和设备绝缘，且无法通过相关措施对故障电流进行监测、定位和分类，无法通过调节触发角实现故障的自清除，因此，对于千瓦光伏直流升压系统故障监测保护装置监测和保护提出了更高的要求。

目前直流升压电路中的保护仅借鉴了传统的保护策略，不适应线路保护快速动作的要求，对于直流升压过程的过流故障，不仅需要快速且可靠的线路保护对过流故障进行识别，也需要相应的处理措施和手段对故障后的过电流进行有效的限制，以减少故障冲击电流对换流器件、直流线路及系统的损害。

发明内容

本申请提供了一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法，以解决现有技术存在的上述问题。

本发明首先提供一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置，包括：微处理器单元、通讯单元、IGBT驱动单元、故障电流检测单元、光伏阵列板、上位机、直流输入保护单元、直流输出保护单元以及交流电压输入保护单元；所述微处理器单元与所述IGBT驱动单元连接，所述IGBT驱动单元分别与所述直流输入保护单元、所述直流输出保护单元以及所述交流电压输入保护单元连接；所述直流输入保护单元、所述直流输出保护单元以及所述交流电压输入保护单元分别与所述故障电流检测单元连接，所述故障电流检测单元与所述微处理器单元连接，所述光伏阵列板与所述故障电流检测单元连接，所述上位机与所述通讯单元连接，所述通讯单元与所述微处理器单元连接。

本发明还提供一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护方法，以上所述的装置，所述方法包括如下步骤：

步骤1、针对千瓦级分布式光伏直流升压系统，建立具有DC-AC-DC的直流升压网络拓扑图；

步骤2、在千瓦级分布式光伏直流升压系统中，将分布式光伏直流升压电路中可能出现的过电流点进行监测；

步骤3、将监测到的电流值传递至故障电流检测单元，检测后上传至微处理器单元，之后传送至上位机，再将上位机处理后的指令反向传递给微处理器单元，通过微处理器单元发出指令驱动IGBT驱动单元，进而驱动保护电路中的IGBT的门级，IGBT导通，保护电路切换到电路中对电路进行保护。

可选的，所述步骤1中，直流升压网络拓扑图由一个全桥逆变器、一个用于升压的交流变压器、一个用于将交流整流为直流的整流器组成，其中，全桥逆变器将光伏板提供的直流电转换成满足升压要求的交流电，升压单元的变压器将逆变的交流电进行升压，再通过四个二极管组成的全桥整流电路将高压侧的交流电整流为直流电。

可选的，所述步骤2中，当分布式光伏接入到系统后，在直流电压入端、直流电压出端、交流电压入端发生过电流故障时，电流值变化大于预设范围，且持续时间长于预设范围，认定此类现象为集中过流故障，表明此时分布式光伏升压系统工作在不稳定状态；当分布式光伏接入到系统后，在升压系统的器件中如果出现器件过流现象，过流值小于预设范围，且持续时间短于预设范围，能够自行恢复到正常值，认定此类现象为分散过流现象。

可选的，所述电流值包括分布式光伏升压系统中直流输入端和输出端的电流以及交流入端的电流。

可选的，所述步骤3包括：

步骤31、采用微处理器单元控制IGBT驱动单元和故障电流检测单元的内部元件，使整个过流故障监测保护装置处于运行状态，

步骤32、对应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统的直流侧和交流侧的电流进行数据采集和记录；

步骤33、微处理器单元判断故障电流的位置，判断电流值是否超过第一预设电流阈值，若第一预设电流阈值被超过，则说明出现故障，对应单元为故障单元，执行步骤34，否则逆变站工作正常，返回执行步骤32；

步骤34、采用微处理器单元产生控制信号并发送至出现故障的相应单元中，IGBT驱动单元驱动与故障之路并联之路的故障保护电路，缓冲故障支路电流值；微处理器单元同时记录下故障电流的位置，产生相应的编号，将故障记录经过无线通讯单元发送短信至手机，报告微处理器单元判断出的故障信息，并发出故障中级警报信号，将故障传输给电脑PC上位机；电脑PC上位机将现有故障和电脑数据库中所存储的故障进行对比，确定故障电流的类型和位置；

步骤35、微处理器对故障电流检测进一步判别，判断电流值是否超过第二预设电流阈值，其中第二预设电流阈值大于第一预设电流阈值，若第二预设电流阈值被超过，则认定对应位置发生严重短路或过流故障，执行步骤36，否则返回步骤32；

步骤36、微处理器单元发出控制信号，封锁输入信号，关断发生严重短路或过流故障的单元中的IGBT器件，将故障信息通过无线通讯单元连续不断的发送短信至用户手机，同时微处理器单元产生故障严重警报信号，将故障传输给电脑PC上位机。

可选的，所述步骤31包括：

步骤311、采用微处理器单元发出SPWM信号；

步骤312、通过IGBT驱动单元进行升压处理，将SPWM电压信号幅值升到15V；

步骤313、分别驱动IGBT直流升压系统的直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元，导通IGBT器件，使应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统故障检测保护装置处于正常运行状态。

可选的，所述步骤32包括：

步骤321、采用故障电流检测单元中的集中过流保护电路对直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的电流进行实时采集；

步骤322、直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的中的电流通过故障检测单元中的集中过流保护电路，集中过流保护电路进而产生相应的电平信号，信号经过RC延迟电路的延迟送给IGBT驱动单元的驱动芯片和微处理器单元。

由以上技术方案可知，本申请的千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法，利用电感L在通电瞬间电流不突变，电容C在换路瞬间电压不突变，将二者结合起来组成LC复合缓冲保护单元，对电路中的过流故障起到保护作用；LC在一定频率下可以发生串联谐振，此时电压为零，相当于短路，达到零电压启动，降低开关器件开通损耗，降低噪声。此外，本发明根据千瓦级光伏直流升压系统可能出现的过流故障点，在故障点添加霍尔电流传感器，实时监测电流值，通过微处理器发出指令给IGBT驱动单元，驱动IGBT动作，进而对电路起到保护作用。

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为本发明的千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置的结构框图；

图2为直流升压系统单个网络拓扑图；

图3为添加保护单路的直流升压系统子模块网络拓扑图；

图4为某30kV光伏直流升压系统的仿真模拟网络拓扑图的第一套boost全桥串并联直流升压子模块电路图；

图5为某30kV光伏直流升压系统的仿真模拟网络拓扑图的第二套boost全桥串并联直流升压子模块电路图；

图6为某30kV光伏直流升压系统的仿真模拟网络拓扑图的第三套boost全桥串并联直流升压子模块电路图；

图7为出现过流故障时电流波形图；

图8为加入保护单元后电路中电流波形图；

图9为本发明的千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置方法的流程图。

附图标记：1-微处理器单元，2-通讯单元，3-IGBT驱动单元，4-故障电流检测单元，5-光伏阵列板，6-上位机，7-直流输入保护单元，8-直流输出保护单元，9-交流电压输入保护单元。

具体实施方式

请参阅图1，本申请实施例提供的一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置，包括：微处理器单元1、通讯单元2、IGBT驱动单元3、故障电流检测单元4、光伏阵列板5、上位机6、直流输入保护单元7、直流输出保护单元8以及交流电压输入保护单元9；所述微处理器单元1与所述IGBT驱动单元3连接，所述IGBT驱动单元3分别与所述直流输入保护单元7、所述直流输出保护单元8以及所述交流电压输入保护单元9连接；所述直流输入保护单元7、所述直流输出保护单元8以及所述交流电压输入保护单元9分别与所述故障电流检测单元4连接，所述故障电流检测单元4与所述微处理器单元1连接，所述光伏阵列板5与所述故障电流检测单元4连接，所述上位机6与所述通讯单元2连接，所述通讯单元2与所述微处理器单元1连接。

请参阅图2至图9，本发明实施例提供的一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护方法，用于以上所述的装置，所述方法包括如下步骤：

步骤1、针对千瓦级分布式光伏直流升压系统，建立具有DC-AC-DC的直流升压网络拓扑图。

具体地，针对目前常见的分布式光伏直流升压系统，建立具有DC-AC-DC的直流升压网络拓扑图。最常用分布式光伏直流升压系统的单个网络拓扑图如图2所示，其由一个全桥逆变器(DC/AC)、一个用于升压的交流变压器、一个用于将交流整流为直流的整流器(DC/AC)组成，其中，DC/AC逆变器将光伏板提供的直流电转换成满足升压要求的交流电，升压单元的变压器将逆变得到的交流电进行升压，然后通过四个二极管组成的全桥整流电路将高压侧的交流电整流为直流电。其中对直流低压入端、直流低压输出端和变压器的低压端的电流检测环节是最为关键的一个环节，其不仅仅在很大程度上决定了光伏直流升压系统的安全性，也决定了光伏电源在电网当中所发挥的作用。因此，建立在光伏并网直流升压系统中添加LC复合缓冲电路，进而对重要的元件进行保护尤为重要。添加保护电路的子单元如图3所示。

步骤2、在千瓦级分布式光伏直流升压系统中，将分布式光伏直流升压电路中可能出现的过电流点进行监测，以便于根据观测到的电流值，并对大小进行比较，触发IGBT驱动开关，将保护电路切入到升压系统中，进而对升压电路起到保护作用。

具体地，所述步骤2中，当分布式光伏接入到系统后，在直流电压入端、直流电压出端、交流电压入端发生过电流故障时，电流值变化大于预设范围，且持续时间长于预设范围，认定此类现象为集中过流故障，表明此时分布式光伏升压系统工作在不稳定状态；当分布式光伏接入到系统后，在升压系统的器件中如果出现器件过流现象，过流值小于预设范围，且持续时间短于预设范围，能够自行恢复到正常值，认定此类现象为分散过流现象。所述电流值包括分布式光伏升压系统中直流输入端和输出端的电流以及交流入端的电流。

步骤3、将监测到的电流值传递至故障电流检测单元，检测后上传至微处理器单元，之后传送至上位机，再将上位机处理后的指令反向传递给微处理器单元，通过微处理器单元发出指令驱动IGBT驱动单元，进而驱动保护电路中的IGBT的门级，IGBT导通，保护电路切换到电路中对电路进行保护。

该步骤提取千瓦级光伏直流升压系统中过流现象并制定相应保护策略。根据步骤2涉及到的事件归类分析，提取分布式光伏升压系统中的过流点和其对应的电流值，主要包括分布式光伏升压系统中直流输入端和输出端的电流以及交流入端的电流监测。通过在容易出现集中过流现象的点添加霍尔传感器，并将测得电流值传递给故障电流检测单元，判断电流类别，上传微处理器单元，将信号传递给PC机，在将处理后的指令反向传递给微处理器单元，通过微处理器发出指令驱动IGBT，进而驱动保护电路中的IGBT的门级，IGBT导通，保护电路切换到电路中，对电路进行保护。

具体地，所述步骤3包括：

步骤31、采用微处理器单元控制IGBT驱动单元和故障电流检测单元的内部元件，使整个过流故障监测保护装置处于运行状态。

进一步地，所述步骤31包括：

步骤311、采用微处理器单元发出SPWM信号；

步骤312、通过IGBT驱动单元进行升压处理，将SPWM电压信号幅值升到15V；

步骤313、分别驱动IGBT直流升压系统的直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元，导通IGBT器件，使应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统故障检测保护装置处于正常运行状态。

步骤32、对应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统的直流侧和交流侧的电流进行数据采集和记录。

进一步地，所述步骤32包括：

步骤321、采用故障电流检测单元中的集中过流保护电路对直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的电流进行实时采集；

步骤322、直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的中的电流通过故障检测单元中的集中过流保护电路，集中过流保护电路进而产生相应的电平信号，信号经过RC延迟电路的延迟送给IGBT驱动单元的驱动芯片和微处理器单元。

步骤33、微处理器单元判断故障电流的位置，判断电流值是否超过第一预设电流阈值，若第一预设电流阈值被超过，则说明出现故障，对应单元为故障单元，执行步骤34，否则逆变站工作正常，返回执行步骤32。

步骤34、采用微处理器单元产生控制信号并发送至出现故障的相应单元中，IGBT驱动单元驱动与故障之路并联之路的故障保护电路，缓冲故障支路电流值；微处理器单元同时记录下故障电流的位置，产生相应的编号，将故障记录经过无线通讯单元发送短信至手机，报告微处理器单元判断出的故障信息，并发出故障中级警报信号，将故障传输给电脑PC上位机；电脑PC上位机将现有故障和电脑数据库中所存储的故障进行对比，确定故障电流的类型和位置。

步骤35、微处理器对故障电流检测进一步判别，判断电流值是否超过第二预设电流阈值，其中第二预设电流阈值大于第一预设电流阈值，若第二预设电流阈值被超过，则认定对应位置发生严重短路或过流故障，执行步骤36，否则返回步骤32。

步骤36、微处理器单元发出控制信号，封锁输入信号，关断发生严重短路或过流故障的单元中的IGBT器件，将故障信息通过无线通讯单元连续不断的发送短信至用户手机，同时微处理器单元产生故障严重警报信号，将故障传输给电脑PC上位机。

如图4至图6所示，针对某千瓦级光伏直流升压并网系统的网络拓扑图进行建模与仿真，仿真系统包含三个子模块，第一套boost全桥串并联直流升压子模块、第二套boost全桥串并联直流升压子模块，以及第三套boost全桥串并联直流升压子模块。每个子模块包含10个小的升压单元，通过对单元进行串联，使每个升压模块的输出电压为10kV，功率为0.5MW，在将三个子模块串联，组合起来的整个升压电路的高压侧母线电压30kV，有功功率为1.5MW，针对可能出现的过流故障进行仿真研究。以下结合具体场景对本发明进行说明。

场景一：集中过流现象。以光伏并网直流升压系统某一单元为主，出现集中过流点的位置一般出现在直流电压输入端、直流电压输出端和逆变后的输出端(交流变压的低压侧)，当升压系统中未加LC缓冲电路保护元件时，发生过流故障时的电流波形图如图5所示。

场景二：分布式光伏自身扰动及外部扰动场景。以光伏直流升压系统某一单元为主，当线路中某一点出现集中过流现象时，通过微处理器单元给IGBT驱动单元发送触发信号，驱动IGBT，将保护电路切入到升压系统，对电路实施保护，针对此时的过流故障电路的电流波形图如图6所示。

由以上技术方案可知，本申请的千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置及方法，利用电感L在通电瞬间电流不突变，电容C在换路瞬间电压不突变，将二者结合起来组成LC复合缓冲保护单元，对电路中的过流故障起到保护作用；LC在一定频率下可以发生串联谐振，此时电压为零，相当于短路，达到零电压启动，降低开关器件开通损耗，降低噪声。此外，本发明根据千瓦级光伏直流升压系统可能出现的过流故障点，在故障点添加霍尔电流传感器，实时监测电流值，通过微处理器发出指令给IGBT驱动单元，驱动IGBT动作，进而对电路起到保护作用。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护装置，其特征在于，包括：微处理器单元(1)、通讯单元(2)、IGBT驱动单元(3)、故障电流检测单元(4)、光伏阵列板(5)、上位机(6)、直流输入保护单元(7)、直流输出保护单元(8)以及交流电压输入保护单元(9)；所述微处理器单元(1)与所述IGBT驱动单元(3)连接，所述IGBT驱动单元(3)分别与所述直流输入保护单元(7)、所述直流输出保护单元(8)以及所述交流电压输入保护单元(9)连接；所述直流输入保护单元(7)、所述直流输出保护单元(8)以及所述交流电压输入保护单元(9)分别与所述故障电流检测单元(4)连接，所述故障电流检测单元(4)与所述微处理器单元(1)连接，所述光伏阵列板(5)与所述故障电流检测单元(4)连接，所述上位机(6)与所述通讯单元(2)连接，所述通讯单元(2)与所述微处理器单元(1)连接。

2.一种千瓦级光伏直流升压系统的故障监测保护方法，用于权利要求1所述的装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1、针对千瓦级分布式光伏直流升压系统，建立具有DC-AC-DC的直流升压网络拓扑图；

步骤2、在千瓦级分布式光伏直流升压系统中，将分布式光伏直流升压电路中可能出现的过电流点进行监测；

步骤3、将监测到的电流值传递至故障电流检测单元，检测后上传至微处理器单元，之后传送至上位机，再将上位机处理后的指令反向传递给微处理器单元，通过微处理器单元发出指令驱动IGBT驱动单元，进而驱动保护电路中的IGBT的门级，IGBT导通，保护电路切换到电路中对电路进行保护。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，直流升压网络拓扑图由一个全桥逆变器、一个用于升压的交流变压器、一个用于将交流整流为直流的整流器组成，其中，全桥逆变器将光伏板提供的直流电转换成满足升压要求的交流电，升压单元的变压器将逆变的直流电进行升压，再通过四个二极管组成的全桥整流电路将高压侧的交流电整流为直流电。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，当分布式光伏接入到系统后，在直流电压入端、直流电压出端、交流电压入端发生过电流故障时，电流值变化大于预设范围，且持续时间长于预设范围，认定此类现象为集中过流故障，表明此时分布式光伏升压系统工作在不稳定状态；当分布式光伏接入到系统后，在升压系统的器件中如果出现器件过流现象，过流值小于预设范围，且持续时间短于预设范围，能够自行恢复到正常值，认定此类现象为分散过流现象。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电流值包括分布式光伏升压系统中直流输入端和输出端的电流以及交流入端的电流。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31、采用微处理器单元控制IGBT驱动单元和故障电流检测单元的内部元件，使整个过流故障监测保护装置处于运行状态，

步骤32、对应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统的直流侧和交流侧的电流进行数据采集和记录；

步骤33、微处理器单元判断故障电流的位置，判断电流值是否超过第一预设电流阈值，若第一预设电流阈值被超过，则说明出现故障，对应单元为故障单元，执行步骤34，否则逆变站工作正常，返回执行步骤32；

步骤34、采用微处理器单元产生控制信号并发送至出现故障的相应单元中，IGBT驱动单元驱动与故障之路并联之路的故障保护电路，缓冲故障支路电流值；微处理器单元同时记录下故障电流的位置，产生相应的编号，将故障记录经过无线通讯单元发送短信至手机，报告微处理器单元判断出的故障信息，并发出故障中级警报信号，将故障传输给电脑PC上位机；电脑PC上位机将现有故障和电脑数据库中所存储的故障进行对比，确定故障电流的类型和位置；

步骤35、微处理器对故障电流检测进一步判别，判断电流值是否超过第二预设电流阈值，其中第二预设电流阈值大于第一预设电流阈值，若第二预设电流阈值被超过，则认定对应位置发生严重短路或过流故障，执行步骤36，否则返回步骤32；

步骤36、微处理器单元发出控制信号，封锁输入信号，关断发生严重短路或过流故障的单元中的IGBT器件，将故障信息通过无线通讯单元连续不断的发送短信至用户手机，同时微处理器单元产生故障严重警报信号，将故障传输给电脑PC上位机。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤31包括：

步骤311、采用微处理器单元发出SPWM信号；

步骤312、通过IGBT驱动单元进行升压处理，将SPWM电压信号幅值升到15V；

步骤313、分别驱动IGBT直流升压系统的直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元，导通IGBT器件，使应用于千瓦级分布式光伏直流升压系统故障检测保护装置处于正常运行状态。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤32包括：

步骤321、采用故障电流检测单元中的集中过流保护电路对直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的电流进行实时采集；

步骤322、直流输入保护单元、直流输出保护单元和交流电压输入保护单元的中的电流通过故障检测单元中的集中过流保护电路，集中过流保护电路进而产生相应的电平信号，信号经过RC延迟电路的延迟送给IGBT驱动单元的驱动芯片和微处理器单元。