CN109830944B - 直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法 - Google Patents

直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光伏电站并网发电技术领域，尤其涉及一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。

Description

直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法
技术领域
本发明属于光伏电站并网发电技术领域，尤其涉及一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法。
背景技术
进入新世纪以来，随着资源与环境矛盾的日益突出，开发利用太阳能等可再生能源成为人类实现可持续发展的必由之路。传统光伏电站广泛采用分散逆变、经交流母线或柔直集中并网的形式，一方面拓扑结构较为复杂，另一方面因多级功率变换所引起的损耗也较大。近年来，随着DC/DC变换技术的发展，直流升压汇集式光伏电站以其优异的功率传输性能受到了国内外学者的广泛关注。我国2013年起新执行的《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964-2012)明确要求光伏电站应当具备低电压穿越能力，然而由于直流升压汇集式光伏电站在拓扑结构和控制方式上与传统光伏电站有着巨大差异，当交流送出线路发生故障时其故障特性与传统光伏电站相比明显不同，主要体现在以下两方面：1)对直流升压汇集式光伏电站而言，场站交流送出线路发生故障会造成站内直流母线电压迅速上升并严重超过其安全限值；2)由于直流升压汇集式光伏电站并网换流器短路电流幅值受限，场站送出线路所配220kV工频量距离保护性能将发生严重劣化，进而威胁到整个系统的安全运行。
目前相关文献主要围绕新能源柔直并网系统在送出线路故障时的控制、保护策略展开研究，对直流升压汇集式光伏电站在送出线路发生故障时面临的直流母线电压“陡升超限”和送出线路保护性能劣化问题目前还尚未报道，传统拓扑光伏电站在送出线路故障时的控保策略也无法再适用于新的光伏并网结构，必须针对直流升压汇集式光伏电站在送出线路故障所面临的上述问题研究适宜的系统协调控制保护方案。在保障系统可靠地实现低电压穿越的同时能够快速准确的识别并切除故障线路，确保整个系统安全可靠地运行。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种适用于直流升压汇集式光伏电站的送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：
步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；
步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；
步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。
所述步骤1具体包括：直流变压器根据直流母线电压大小在定直流母线电压控制和最大功率点跟踪之间进行控制模式切换来保持能量自平衡；并网换流器在交流系统电压跌落时向交流系统施加谐波电流扰动并向受端交流系统注入无功功率。
所述并网换流器采用二阶广义积分器SOGI结构来作为锁相环结构以降低因端口电压畸变所引起的基频正序相角提取误差。
所述并网换流器基于多同步旋转坐标系下各变量间的耦合关系来设计电流环结构，用于实时准确地提取出电流中所含的基频正序、基频负序以及注入频次谐波分量幅值。
所述多倍频量测阻抗使得送出线路发生相间故障时的基频量测阻抗从偏移阻抗圆外落入多倍频偏移阻抗圆内。
本发明的有益效果：
(1)解决了系统由交流送出线路短路故障导致的站内直流母线电压“陡升超限”问题，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内，保障系统可靠进行故障穿越；
(2)有效提高了系统送出线路所配距离保护元件的动作性能，保障了系统安全；
(3)为基于谐波量测原理的距离保护构造出清晰的动作边界，实现系统控制与保护间的协同。
附图说明
图1为本发明的直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法原理图；
图2为直流升压汇集式光伏电站整体拓扑结构示意图；
图3为直流升压汇集式光伏电站直流变压器(DCT)内部拓扑结构示意图；
图4为本发明的直流升压汇集式光伏电站总体控制结构图；
图5为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器锁相环结构图；
图6为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器电流环结构图；
图7为送出线故障期间站内直流母线电压曲线图；
图8为站内直流变压器(DCT)的有功出力曲线图；
图9为并网换流器(MMC)注入电网的有功、无功功率均值曲线图；
图10为并网换流器(MMC)所施谐波扰动电流的流通路径图；
图11交流送出线中点发生BC两相经0.1Ω过渡电阻短路时相间距离保护动作情况示意图；
图12交流送出线中点发生BC两相经10Ω过渡电阻短路时相间距离保护动作情况示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
图1为本发明的直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法原理图；本发明提出了一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：
步骤1、针对直流升压汇集式光伏电站由于交流送出线路故障导致站内直流母线电压“陡升超限”问题，设计了站内级联直流变压器(DCT)与并网换流器(MMC)间协调控制策略，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内，保障系统可靠进行故障穿越；
步骤2、基于步骤1所提协调控制策略，对系统220kV送出线路距离保护元件的动作性能进行了详尽分析，揭示了传统工频量距离保护在新场景下的性能劣化机理；
步骤3、针对系统控制策略影响送出线路距离保护动作性能问题，提出由控制策略主动改变系统故障特征，为基于谐波量测原理的距离保护构造出清晰的动作边界，实现系统控制与保护间的协同。
图2和图3分别为本发明直流升压汇集式光伏电站整体拓扑结构及站内直流变压器(DCT)拓扑结构示意图，直流变压器与并网换流器(MMC)以级联的形式将光伏阵列产生的能量(一般额定容量为1.5MW)送入电网。三台直流变压器之间组成输入并联输出串联(IPOS)结构以进一步提升系统直流母线电压水平(一般额定值为±30kV)。
图4为本发明的直流升压汇集式光伏电站总体控制结构图，步骤1中直流变压器(DCT)采用能量自平衡控制方式：当DCT自身控制器检测到直流母线电压升高至超过所设限值udcmax后，立即将其控制模式切换为定直流母线电压控制；反之，当控制器检测到直流母线电压低于所设限值udcmin后，重新将其控制模式切换回最大功率跟踪(MPPT)。定直流母线电压控制模式下DCT开环传递函数设置为：
Figure BDA0001937637650000041
式中，k为直流变压器变比；udcref为正常运行时站内直流母线额定电压；udc为直流变压器高压侧输出电压；A为减出力方式系数可取+1或-1；kp为PI控制器比例系数；ki为PI控制器积分系数。
当减出力方式系数A＝+1时,站内直流母线电压的升高将使光伏阵列出口电压超过额定运行点造成光伏阵列出力的减少；当减出力方式系数A＝-1时,站内直流母线电压的升高将使光伏阵列出口电压降低至额定运行点以下，从而主动降低光伏阵列出力；
并网换流器MMC采用具有故障主动谐波扰动能力的低电压穿越控制：当MMC控制器检测到交流系统电压跌落至额定值的90％以下时，主动向交流系统施加100ms四次谐波电流扰动，供送出线路所配距离保护检测以提高其动作性能。与此同时，为支撑电网电压，并网换流器MMC将向受端交流系统注入无功功率，其无功注入量与交流系统电压跌落程度的关系设置如下：
Figure BDA0001937637650000051
式中，vp为MMC并网点电压，UN、IN分别为其电压、电流额定值。Q0为MMC所需注入交流电网的无功均值。
图5为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器锁相环结构图，其内部采用二阶广义积分器SOGI结构，以降低因MMC换流器交流端口电压畸变所引起的基频正序相角提取误差。
图6为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器电流环结构图，其原理基于多同步旋转坐标系下各变量间的耦合关系设计，用于实时准确地提取出MMC并网电流中所含的基频正序、基频负序以及注入频次谐波分量幅值。
Figure BDA0001937637650000061
其中：
Figure BDA0001937637650000062
ip dq0、in dq0、ik dq0分别为MMC换流器并网电流所含基频正序、基频负序及注入频次谐波dq轴直流分量；θp为MSOGI-FLL锁定的基频正序电压相角；k为所注入谐波的频次。
图7为送出线故障期间站内直流母线电压曲线图，送出线路故障发生于1.5s持续时间为0.5s，故障类型为BC相间短路。未采用本发明所提的DCT与MMC协调控制方案时，站内直流母线电压将在故障期间陡升至82.53kV，远远超过其安全运行限值，严重威胁到并联在直流母线上的DCT与MMC等电力电子装备。采用本发明所提的DCT与MMC协调控制方案后，当DCT控制器检测到直流母线电压高于60.5kV后立即切换为定直流电压控制模式，通过调节自身变比主动降低送出线故障期间光伏阵列的有功出力，将直流母线电压严格控制在安全裕度范围内。采用本发明所提协调控制方案后送出线故障期间站内直流母线电压峰值仅为61.49kV并迅速恢复至额定运行值60kV。0.5s后故障线路切除，由于MMC功率传送能力的恢复，直流母线电压迅速降低，当DCT控制器检测到站内直流母线电压低于59.5kV后立即切换回最大功率跟踪(MPPT)，有效提高新能源的利用率。
图8为站内直流变压器(DCT)的有功出力曲线图，送出线路发生故障后采用本发明所提的协调控制方案，光伏阵列有功出力将迅速下降并与MMC功率送出能力相匹配，使系统在故障期间维持能量平衡从而保证站内直流母线电压的恒定。
图9为并网换流器(MMC)注入电网的有功、无功功率均值，MMC控制器检测到交流系统电压跌落至额定值90％以下时，向交流系统主动注入一定量的无功功率以支撑受端电网进行故障恢复。同时，由于MMC控制器自身的限流作用，导致其有功送出能力的降低。
由于并网换流器(MMC)输出的短路电流幅值受限，这与传统同步电机短路特性截然不同，因此以同步机短路特性为依据设计的传统继电保护装置将发生性能劣化，从而产生拒动或误动进而严重威胁到系统的安全运行。对于本发明所述直流升压汇集式光伏电站220kV送出线路所配工频量距离保护的性能劣化机理可分析如下：当送出线路发生BC相间短路故障时，MMC侧所配距离保护的BC相间基频测量阻抗依其物理含义可拆分成两部分：
Figure BDA0001937637650000071
式中：IBm、IBn、ICm、ICn分别为MMC换流器和电网B、C相流向故障点的短路电流相量；Rf为故障过渡电阻；Zml为真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量；Zer为由故障过渡电阻引起的误差分量，其表达式如下：
Figure BDA0001937637650000072
考虑到电网提供的故障电流远大于换流器输出的短路电流，故有|IBn|/|IBm|>>1，从而使故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量Zer掩盖测量阻抗线路分量Zml，进而造成直流升压汇集式光伏电站送出线路所配工频距离元件性能急剧恶化。
若直流升压汇集式光伏电站220kV送出线路保护装置采用本发明所提的基于谐波量测原理的距离保护，即以四倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，从而可在MMC换流器所施加的四次谐波电流扰动窗长内正确反映出故障距离，使所提基于谐波量测原理的距离保护可靠动作。其机理可进一步阐述如下：
当送出线路发生BC相间短路故障时，MMC侧所配距离保护的BC相间四倍频量测阻抗同样可拆分成线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的误差分量两部分：
Figure BDA0001937637650000081
结合图10所示的并网换流器(MMC)所施谐波扰动电流流通路径，考虑到电网无法主动向故障点提供四倍频短路电流，因此IBn、ICn均为MMC所施四次谐波扰动所产生的转移电流，电网提供的B相流入短路点的四倍频电流可计算如下：
Figure BDA0001937637650000082
式中：Iam(4)、Ibm(4)分别为MMC换流器流向故障点的B相四次谐波扰动电流相量；Rf为故障过渡电阻；Zl为线路全长总阻抗；p为反映短路点到MMC距离的比例系数(0<p<1)。
求取四次谐波扰动电流相量Ibm(k)和Ibn(k)幅值之比：
Figure BDA0001937637650000083
式中eam(k)、ebm(k)为Iam(k)、Ibm(k)方向的单位向量，根据以上不等式关系，四倍频量测阻抗的误差分量Zer(4)可计算如下：
综上采用四倍频量测阻抗后，由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量Zer(4)被极大地削弱，从而使MMC侧所配距离保护的四倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保保护在220kV交流送出线路发生故障时能够快速可靠动作。
图11为交流送出线中点发生BC两相经0.1Ω过渡电阻短路时相间距离保护的动作情况，当220kV送出线路发生相间故障时，基频量测阻抗位于偏移阻抗圆外(偏移阻抗圆按线路全长的85％整定)，从而造成基频阻抗元件发生拒动，无法切除故障线路；但本发明所提的四倍频频量测阻抗将落入所整定的四倍频偏移阻抗圆内，使保护正确动作，进而能快速切除故障线路，确保系统可靠地进行故障穿越。
图12为交流送出线中点发生BC两相经10Ω过渡电阻短路时相间距离保护的动作情况，当220kV送出线路发生大过渡电阻相间故障时，基频量测阻抗已远远偏离所整定的偏移阻抗圆，导致传统基频阻抗元件无法正确动作。但本发明所提的四倍频频量测阻抗依然落入所整定的四倍频偏移阻抗圆内，使保护正确动作而切除故障线路。
鉴于本方法的分析基础和条件，应用本发明所述方法能够有效避免直流升压汇集式光伏电站由交流送出线路短路故障导致的站内直流母线电压“陡升超限”问题，同时极大地提高了系统送出线路所配距离保护元件的动作性能，对于保障系统安全可靠运行具有重要意义。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种适用于直流升压汇集式光伏电站的送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：
步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；
步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；
步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作；
所述多倍频量测阻抗使得送出线路发生相间故障时的基频量测阻抗从偏移阻抗圆外落入多倍频偏移阻抗圆内。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：直流变压器根据直流母线电压大小在定直流母线电压控制和最大功率点跟踪之间进行控制模式切换来保持能量自平衡；并网换流器在交流系统电压跌落时向交流系统施加谐波电流扰动并向受端交流系统注入无功功率。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述并网换流器采用二阶广义积分器SOGI结构来作为锁相环结构以降低因端口电压畸变所引起的基频正序相角提取误差。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述并网换流器基于多同步旋转坐标系下各变量间的耦合关系来设计电流环结构，用于实时准确地提取出电流中所含的基频正序、基频负序以及注入频次谐波分量幅值。
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