CN109546679A - 光伏中压直流汇集系统及中压侧双极短路故障穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏中压直流汇集系统及中压侧双极短路故障穿越方法，光伏中压直流汇集系统包括MMC换流站、直流变压器及多个集散式光伏阵列模块。MMC换流站交流侧接入三相中压交流电网，直流侧接入中压直流电网，直流变压器输出端接入中压直流电网，输入端与低压直流电网相连，集散式光伏阵列模块并联接入低压直流电网。当直流变压器中压侧发生双极短路故障时，检测故障特征，快速闭锁MMC换流站和直流变压器，控制光伏阵列模块中的开关器件使其短路，改变光伏阵列工作点，降低光伏阵列输出，在整个故障发生、检测、清除、恢复过程中保证光伏阵列不脱网运行，有利于系统的快速恢复，完成双极短路故障穿越，实现光伏中压直流汇集系统的稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于电力电子应用的技术领域，尤其涉及一种光伏中压直流汇集系统及中压侧双极短路故障穿越方法。
背景技术
随着光伏发电的大规模发展，平价上网逐渐成为业界关心的问题。不同于东部地区光伏分布式发电“源-荷”就地平衡，实现本地消纳；我国中西部地区光伏发电光照条件好，且土地资源丰富，目前多采用大功率集中式电站发电，然后通过交流汇集组网，经升压变送至中压配网及高压输电网。长距离的汇集及输电线路会导致较大的充电功率，需要增设大容量的无功补偿设备，从而增加建设成本。
随着电力电子技术的发展和柔性直流输电技术的成熟，光伏电站通过中压直流汇集系统与中高压交流电网整合成为趋势。目前集中式光伏发电逐步向集散式架构发展，经过中压汇集系统接入中高压直流电网传输，能够有效地扩大发电量，降低系统运行成本。
对于光伏中压直流汇集这种新型系统，在直流线路发生双极短路故障后，直流变压器常常会闭锁。为了防止低压侧直流线路电压过高，目前业界主要采用直流短路器将光伏阵列解列的方法，但直流断路器的研制还不够成熟，价格较高，且重新启动光伏阵列并网会延长整个系统的恢复时间，不利于直流电网的稳定运行。
针对故障发生时维持光伏阵列不脱网运行，系统快速恢复这一问题研究较少，所以亟待需要提出一种光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种光伏中压直流汇集系统及中压侧双极短路故障穿越方法，维持直流变压器低压侧电压稳定，保证光伏阵列不脱网运行，实现故障穿越。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种光伏中压直流汇集系统，包括集散式光伏阵列模块、直流变压器和MMC换流站；MMC换流站交流侧接入三相中压交流电网，直流侧接入中压直流电网；直流变压器输出端接入中压直流电网，输入端接入低压直流电网；集散式光伏阵列模块并联接入低压直流电网。
进一步地，单个光伏阵列模块包括太阳能光伏电池和boost变换器，所述太阳能光伏电池的输出与boost变换器低压侧相连，所述boost变换器高压侧接入低压直流电网。
进一步地，所述直流变压器包括逆变器、高频变压器、整流器和整流侧滤波部分；所述整流侧滤波部分一侧与中压直流电网相连，另一侧与整流器的直流侧相连，所述整流器的交流侧与高频变压器相连，所述高频变压器另一侧与逆变器的交流侧相连，所述逆变器的直流侧与光伏阵列模块的输出相连。
进一步地，所述MMC换流站包括三相上下桥臂和直流侧限流电感，所述上/下桥臂包括多个半桥型子模块和一个桥臂电感。
进一步地，所述直流变压器采用单模块或者多模块输入并联输出串联的架构。
进一步地，所述MMC换流站和直流变压器的逆变器均采用全控型器件。
一种光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，包括步骤：
(1)正常工况下，系统稳态运行，进行中压直流双极短路故障监测；
(2)监测到中压直流双极短路故障时，MMC换流站和直流变压器闭锁；
(3)闭锁后，直流变压器输入侧电压快速升高，当超过保护设定值时，控制光伏阵列模块中的全控型器件使其短路，改变光伏阵列工作点，降低光伏输出功率，维持低压直流电网电压稳定，同时光伏阵列不脱网；
(4)故障清除后，恢复光伏阵列的最大功率跟踪控制，光伏阵列继续并网运行，完成故障穿越。
进一步地，所述步骤2中，中压直流双极短路故障时，中压母线电压为零，故障点输入电流增大，产生故障电流，当故障电流超出MMC换流站和直流变压器保护装置设定值，MMC换流站和直流变压器模块的全控型器件触发信号被快速闭锁。
有益效果：本发明的光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，在整个故障发生、检测、清除、恢复过程中保证光伏阵列不脱网运行，有利于系统的快速恢复，完成双极短路故障穿越，实现光伏中压直流汇集系统的稳定运行。
附图说明
图1是本发明光伏中压直流汇集系统拓扑图；
图2是本发明中压侧双极短路故障穿越方法流程图单个光伏阵列模块拓扑；
图3是单个光伏阵列模块拓扑图；
图4是故障清除过程各变量波形图，a是直流变压器高压侧电压，b是直流变压器低压侧电压，c是单组光伏模块输出电流。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的光伏中压直流汇集系统，包括集散式光伏阵列模块、直流变压器和MMC换流站；MMC换流站交流侧接入三相中压交流电网，直流侧接入中压直流电网；直流变压器输出端接入中压直流电网，输入端接入低压直流电网；集散式光伏阵列模块并联接入低压直流电网。
单个光伏阵列模块包括太阳能光伏电池和boost变换器，太阳能光伏电池的输出与boost变换器低压侧相连，boost变换器高压侧接入低压直流电网。
直流变压器采用单模块或者多模块输入并联输出串联的架构，包括逆变器、高频变压器、整流器和整流侧滤波部分；整流侧滤波部分一侧与中压直流电网相连，另一侧与整流器的直流侧相连，整流器的交流侧与高频变压器相连，高频变压器另一侧与逆变器的交流侧相连，逆变器的直流侧与光伏阵列模块的输出相连。
MMC换流站包括三相上下桥臂和直流侧限流电感，上/下桥臂包括多个半桥型子模块和一个桥臂电感。MMC换流站和直流变压器的逆变器均采用全控型器件。
如图2所示，一种光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，该方法以中压侧发生双极短路故障时维持光伏阵列不脱网，加快系统恢复时间为目的，通过协调控制换流站、直流变压器和光伏阵列模块来完成中压侧双极短路故障穿越。
中压侧双极短路故障穿越的原理与步骤：
(1)正常工况下，系统稳态运行，MMC换流站、直流变压器和光伏阵列正常运行，进行中压直流双极短路故障监测；
(2)监测到中压直流双极短路故障时，中压母线电压为零，故障点输入电流增大，产生故障电流，直流变压器的输出功率也迅速增加，直流变压器输入侧电容快速放电，电压值快速降低，当故障电流超出MMC换流站和直流变压器保护装置设定值，MMC换流站和直流变压器模块的全控型器件触发信号被快速闭锁，MMC换流站和直流变压器闭锁，对故障完成隔离，从故障发生到信号闭锁的时间大约为几十微秒；
(3)闭锁后，光伏输出模块仍然持续对直流变压器输入功率，其受端和送端将出现功率差额，并随故障的进行而不断地积累，导致直流变压器低压侧电压快速上升；直流变压器输入侧电压快速升高，当超过保护设定值时，控制光伏阵列模块中的全控型器件使其短路，光伏模块输出电流迅速上升，改变光伏阵列工作点，降低光伏输出功率，维持低压直流电网电压稳定，同时光伏阵列不脱网；
(4)故障清除后，恢复光伏阵列的最大功率跟踪控制，光伏阵列继续并网运行，完成故障穿越。
单个光伏阵列模块拓扑如图3所示，当检测到直流变压器低压侧电压超过设定值时，控制光伏阵列模块中的开关Sb处于闭合状态。光伏模块输出电流迅速上升，改变工作点，使得光伏模块无功率输出，维持电压稳定。
为验证光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，在Psim9.1仿真平台上搭建光伏中压直流汇集系统模型。
从等值简化角度出发，光伏直流汇集系统由4组光伏MPPT模块集群并联输出功率，每个光伏模块集群的容量为0.125MW，直流变压器低压侧母线电压为800V，中压侧母线电压为35kV。由于并网逆变器采用模块化多电平拓扑，其模块数众多，若采用传统的开关器件模型，将耗费大量的仿真资源。因此，仿真中并网逆变器采用基于受控电压源和电流源的MMC快速电磁暂态仿真模型，仿真参数如表1所示。仿真中设置直流变压器中压侧母线在1s时发生极间短路故障，忽略短路电阻。
表1
| 参数 | 取值 |
| 低压直流线路电压U/V | 800 |
| 中压直流线路电压U/kV | 35 |
| 中压直流线路电容C/μF | 4000 |
| 桥臂电感L/mH | 4 |
| 交流侧电感L/mH | 5 |
| 并网三相线电压U/kV | 35 |
| 三角载波频率f/kHz | 10 |
从图4(a)中可以看出，直流变压器中压侧在1s时刻变为0，MMC换流站和直流变压器通过过流保护及阀过流保护检测到输出电流超过设定值时，在1.00008s闭锁所有IGBT模块的触发脉冲，使MMC换流站和直流变压器无功率输出。从图4(b)中可以看出，当检测到直流变压器低压侧电压超过840V时，光伏模块短路后，直流变压器低压侧电压稳定在850V左右。从图4(c)中可以看到光伏模块正常工作时输出电流为250A，改变控制策略后快速上升到300A，光伏模块工作点发生变化，从而使其输出功率迅速降低到0，限制其功率输出直到故障清除。
在整个中压侧双极短路故障过程中，光伏阵列能够保证不脱网运行，直流变压器低压母线电压将维持在较高水平，有助于系统故障清除后，缩短恢复时间，迅速正常运行。
Claims (8)
1.一种光伏中压直流汇集系统，其特征在于，包括集散式光伏阵列模块、直流变压器和MMC换流站；MMC换流站交流侧接入三相中压交流电网，直流侧接入中压直流电网；直流变压器输出端接入中压直流电网，输入端接入低压直流电网；集散式光伏阵列模块并联接入低压直流电网。
2.根据权利要求1所述的光伏中压直流汇集系统，其特征在于，单个光伏阵列模块包括太阳能光伏电池和boost变换器，所述太阳能光伏电池的输出与boost变换器低压侧相连，所述boost变换器高压侧接入低压直流电网。
3.根据权利要求1所述的光伏中压直流汇集系统，其特征在于，所述直流变压器包括逆变器、高频变压器、整流器和整流侧滤波部分；所述整流侧滤波部分一侧与中压直流电网相连，另一侧与整流器的直流侧相连，所述整流器的交流侧与高频变压器相连，所述高频变压器另一侧与逆变器的交流侧相连，所述逆变器的直流侧与光伏阵列模块的输出相连。
4.根据权利要求1所述的光伏中压直流汇集系统，其特征在于，所述MMC换流站包括三相上下桥臂和直流侧限流电感，所述上/下桥臂包括多个半桥型子模块和一个桥臂电感。
5.根据权利要求3所述的光伏中压直流汇集系统，其特征在于，所述直流变压器采用单模块或者多模块输入并联输出串联的架构。
6.根据权利要求3所述的光伏中压直流汇集系统，其特征在于，所述MMC换流站和直流变压器的逆变器均采用全控型器件。
7.一种光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，其特征在于，包括步骤：
(1)正常工况下，系统稳态运行，进行中压直流双极短路故障监测；
(2)监测到中压直流双极短路故障时，MMC换流站和直流变压器闭锁；
(3)闭锁后，直流变压器输入侧电压快速升高，当超过保护设定值时，控制光伏阵列模块中的全控型器件使其短路，改变光伏阵列工作点，降低光伏输出功率，维持低压直流电网电压稳定，同时光伏阵列不脱网；
(4)故障清除后，恢复光伏阵列的最大功率跟踪控制，光伏阵列继续并网运行，完成故障穿越。
8.根据权利要求7所述的光伏中压直流汇集系统的中压侧双极短路故障穿越方法，其特征在于，所述步骤2中，中压直流双极短路故障时，中压母线电压为零，故障点输入电流增大，产生故障电流，当故障电流超出MMC换流站和直流变压器保护装置设定值，MMC换流站和直流变压器模块的全控型器件触发信号被快速闭锁。
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