CN111711173B - 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统 - Google Patents

一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111711173B
CN111711173B CN202010597578.5A CN202010597578A CN111711173B CN 111711173 B CN111711173 B CN 111711173B CN 202010597578 A CN202010597578 A CN 202010597578A CN 111711173 B CN111711173 B CN 111711173B
Authority
CN
China
Prior art keywords
photovoltaic
fault
short
module
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010597578.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111711173A (zh
Inventor
刘飞
庄一展
刘舟扬
黄艳辉
张祥静
查晓明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Wuhan University WHU
State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU, State Grid Hubei Electric Power Co Ltd filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202010597578.5A priority Critical patent/CN111711173B/zh
Publication of CN111711173A publication Critical patent/CN111711173A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111711173B publication Critical patent/CN111711173B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1213—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for DC-DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/109—Scheduling or re-scheduling the operation of the DC sources in a particular order, e.g. connecting or disconnecting the sources in sequential, alternating or in subsets, to meet a given demand
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

本发明公开了一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统，包括多个隔离型光伏子模块，多个故障处理模块，并网电感以及高压直流母线。每个故障处理模块由多个开关管与电感组成。当低压端口发生短路故障时，可保持光伏子模块输出电压的均衡，从而保证正常子模块的正常工作。当高压端口发生短路故障时，可以闭锁故障处理模块的多个开关管，将短路电流引导至子模块的输出电容上，抑制短路电流对子模块的冲击，中断整个系统。即使低压端口短路故障和高压端口短路故障同时发生，也不会影响该拓扑的中断功能。

Description

一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统
技术领域
本发明涉及光伏多端口直流变换器技术领域，特别涉及一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统。
背景技术
无论光伏能源汇集后是接入配电网，还是进行远距离的输送，光伏直流汇集发电系统的高升压比变换器常采用光伏子模块级联的多端口拓扑，该拓扑可以实现较高升压比，子模块能实现最大功率点跟踪控制，降低了成本。但相对于两端口变换器拓扑，多端口拓扑发生直流短路故障的概率更高。对整个系统的可靠运行以及变换器自身都会产生影响。
现有技术中，使级联的子模块具备高频磁隔离并在故障时闭锁，可以有效避免变换器在发生低压端口短路故障时受到损害，但是故障子模块输出电压变为零将影响其他无故障子模块的正常输出，导致功率失配。有限功率运行模式代替最大功率点跟踪控制可以解决光伏功率失配，但会导致较高能量损失。采用MMC进行光伏功率的二次转换，并采用准Z源结构提高处理功率失配问题的能力，但是这需要更多的无源组件。
解决高压端口短路故障的技术中，往往需要固态断路器阻断故障电流，这不仅增加了器件成本，而且导致了控制的复杂性。更好的解决方案是转换器本身具有短路故障隔离的能力。
发明内容
本发明的目的在于使得光伏直流多端口变换器同时具备处理高低压端口直流短路故障的能力。
本发明装置的技术方案为一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护装置，包括：主控制器、N个光伏子模块、N个输出电容、N-1个故障处理模块、并网电感以及高压直流母线；
所述主控制器分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器分别与所述的N-1个故障处理模块依次连接；
所述第i光伏子模块由光伏电池板、隔离型DC/DC变换器组成，光伏电池板的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；所述第i输出电容与所述第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；
所述第k故障处理模块包括：a端、b端、c端、d端，所述第k个故障处理模块的a端与所述第k光伏子模块的输出端口的负极相连，所述第k个故障处理模块的b端与所述第k个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的c端与所述第k+1个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的d端与所述第k+1个光伏子模块输出端口的负极相连，1≤k≤N-1；
所述第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述高压直流母线的正极相连，所述第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述高压直流母线的负极相连；
所述第k故障处理模块包括：电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，1≤k≤N-1；
所述第一开关管的发射极为所述故障处理模块的a端，所述第二开关管的集电极为所述故障处理模块的c端，所述第三开关管的集电极为所述故障处理模块的b端，所述第四开关管的发射极为所述故障处理模块的d端。
本发明方法的技术方案为一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护方法，具体为：
主控制器采集光伏电池板的输出电流、隔离型DC/DC变换器的输入电流、光伏子模块的输出电流、高压直流母线处电流，采用差分电流法检测故障处理模块的工作模式类型，并根据对应工作模式，结合故障处理模块中第一开关管、第二开关管，第三开关管和第四开关管进行保护控制；
所述第k个光伏电池板的输出电流为：iPV1-k，1≤k≤N；
所述第k个隔离型DC/DC变换器的输入电流为：iPV2-k，1≤k≤N；
所述N个光伏子模块的输出电流均为：ig1；
所述高压直流母线处电流为：ig2；
所述工作模式类型包括：正常工作模式、低压端口短路故障模式、高压端口短路故障模式；
所述结合故障处理模块中第一开关管、第二开关管，第三开关管和第四开关管进行保护控制，具体为：
当检测到ipv1-k＝ipv2-k，ig1＝ig2时，处于第一种工作模式，所有的光伏子模块都正常工作；
N个故障处理模块的第一开关管、第二开关管均处于导通状态，第三开关管、第四开关管均处于断开状态；
当检测到ig1＝ig2，ipv1-k与ipv2-k的差值ipvf-k超过阈值时，代表第k个光伏子模块发生低压端口短路故障模式；
将N-1故障处理模块中的第一开关管和第二开关管保持导通的状态，第三开关管和第四开关管则互补导通，实现平衡相邻子模块的输出电压；
剩余N-1个光伏子模块通过故障处理模块向第k个光伏子模块输送能量以维持故障光伏子模块的电压；
当检测到ig1与ig2差值igf超过阈值时，表示处于高压端口短路故障模式；
闭锁所有故障处理模块中的第一开关管、第二开关管，第三开关管和第四开关管，可以使短路故障电流流入输出电容，从而快速地降为0，保护光伏子模块里的隔离型DC/DC变换器自身不会受到冲击。
本发明方法具有以下显著效果：
本专利提出的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑，保证了部分光伏子模块发生低压端口短路故障时，剩余光伏子模块的正常并网工作，可以承受最大低压端口短路故障模块数量为N-1。
本专利提出的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑，可以实现高压端口短路故障电流的中断，保护多端口级联变换器不受故障电流的冲击。即使在已经发生低压端口短路故障的情况下，高压端口短路故障的保护也是可行的。
附图说明
图1：为本发明系统结构框图。
图2：为本发明正常工作模式下的等效电路图。
图3：为第一个光伏子模块发生低压端口短路故障(LVF)时，第一个故障处理模块动作的电路等效图。其中图3的3a为当第三开关管S1断开、第四开关管S2闭合时的等效电路图，图3的3b为当第四开关管S2断开、第三开关管S1闭合时的等效电路图。
图4：为第二个光伏子模块发生低压端口短路故障时的系统等效电路图。
图5：为发生高压端口短路故障(HVF)时，故障处理过程各阶段的等效电路图。其中图5的5a所示为短路故障发生阶段。图5的5b所示为短路故障电流续流阶段，图5的5c所示为含低压端口短路故障的续流阶段，图5的5d所示为短路故障中断阶段，图5的5e和图5的5f所示分别为恢复失败和恢复成功阶段。
图6：为本发明控制逻辑图。
图7：为本发明发生低压端口短路故障时，光伏子模块的输出电压和输出功率波形。
图8：为本发明发生高压端口短路故障时，光伏子模块的输出电压、短路电流、流过第一开关管和第二开关管的电流以及流过第三开关管和第四开关管的反并联二极管上的电流波形。
图9：为本发明发生高压端口短路故障前已存在低压端口短路故障时，故障处理模块中电感电流和短路电流的波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明公开的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑，包括：主控制器、N个光伏子模块(PV SM 1～PV SM N)、N个输出电容(C1～CN)、N-1个故障处理模块(FTM)、并网电感Lg以及高压直流母线；
所述主控制器分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器分别与所述的N-1个故障处理模块依次连接；
所述第i光伏子模块由光伏电池板、隔离型DC/DC变换器组成，光伏电池板的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；所述第i输出电容Ci与所述第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；
所述第k故障处理模块包括：a端、b端、c端、d端，所述第k个故障处理模块的a端与所述第k光伏子模块的输出端口的负极相连，所述第k个故障处理模块的b端与所述第k个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的c端与所述第k+1个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的d端与所述第k+1个光伏子模块输出端口的负极相连，1≤k≤N-1；
所述第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述高压直流母线的正极相连，所述第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述高压直流母线的负极相连；
所述第k故障处理模块包括：电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管S1、第四开关管S2，1≤k≤N-1，1≤k≤N-1；
所述第一开关管Q1的发射极为所述故障处理模块的a端，所述第二开关管Q2的集电极为所述故障处理模块的c端，所述第三开关管S1的集电极为所述故障处理模块的b端，所述第四开关管S2的发射极为所述故障处理模块的d端。
所述主控制器选型为TMS320F28335、所述光伏子模块(PV SM 1～PV SM N)选型为光伏电池板额定功率为25kW、隔离型DC/DC变换器采用LLC谐振变换器，所述输出电容(C1～CN)选型为4.7mF、所述故障处理模块(FTM)选型为第一、二开关管选择耐压1.25kV的IGBT、第三、四开关管选择耐压2.5kV的IGBT、电感L选择大小为1mH,所述并网电感选型为30mH、所述高压直流母线选型为额定功率为200kW、母线电压为10kV。
本发明公开的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑具备三种工作模式，下面结合图1至图9介绍本发明的具体实施方式为：
主控制器采集光伏电池板的输出电流、隔离型DC/DC变换器的输入电流、光伏子模块的输出电流、高压直流母线处电流，采用差分电流法检测故障处理模块的工作模式类型，并根据对应工作模式，结合故障处理模块中第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关管S1和第四开关管进行保护控制；
所述第k个光伏电池板的输出电流为：iPV1-k，1≤k≤N；
所述第k个隔离型DC/DC变换器的输入电流为：iPV2-k，1≤k≤N；
所述N个光伏子模块的输出电流均为：ig1；
所述高压直流母线处电流为：ig2；
所述工作模式类型包括：正常工作模式、低压端口短路故障模式、高压端口短路故障模式；
所述结合故障处理模块中第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关管S1和第四开关管进行保护控制，具体为：
当检测到ipv1-k＝ipv2-k，ig1＝ig2时，处于第一种工作模式，所有的光伏子模块都正常工作；
N个故障处理模块的第一开关管Q1、第二开关管Q2均处于导通状态，第三开关管S1、第四开关管S2均处于断开状态；
当检测到ig1＝ig2，ipv1-k与ipv2-k的差值ipvf-k超过阈值时，代表第k个光伏子模块发生低压端口短路故障模式；
将N-1故障处理模块中的第一开关管Q1和第二开关管Q2保持导通的状态，第三开关管S1和第四开关管S2则互补导通，实现平衡相邻子模块的输出电压；
剩余N-1个光伏子模块通过故障处理模块向第k个光伏子模块输送能量以维持故障光伏子模块的电压，由于总电压被母线电压所钳制，因此所有光伏子模块输出电容的电压会与正常时一样，因此未故障光伏子模块的MPPT工作点不会偏移，即使多个子模块发生低压端口短路故障也不会影响其他正常子模块的运行；
当检测到ig1与ig2差值igf超过阈值时，表示处于高压端口短路故障模式；
闭锁所有故障处理模块中的第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关管S1和第四开关管S2，可以使短路故障电流流入输出电容C2～CN-1，从而快速地降为0，保护光伏子模块里的隔离型DC/DC变换器自身不会受到冲击。
图2所示为正常工作模式下，拓扑电流流通途径。图中PVSM k表示第k个光伏子模块，这里用等效电流源进行替代；Lg为并网电感，ig表示并网电流，高压直流母线由一个大小为Vg的电压源等效。故障处理模块中的第一开关管Q1和第二开关管Q2处于导通状态，第三开关管S1和第四开关管S2处于断开状态。此时所有光伏子模块的输出电压都相等。
图3的3a和图3的3b为第1个光伏子模块发生低压端口短路故障(LVF)时，相连的第1个故障处理模块动作的等效电路图。其中C1、C2分别为第1、2个光伏子模块的输出电容，vC1、vC2分别代表输出电容上的电压，L为故障处理模块中的电感，iL为电感电流。当第一个光伏子模块发生低压端口短路故障时，其输出电容上的电压vC1首先会下降，由于总电压被高压直流母线钳制，vC2会升高。随后故障处理模块中的第一开关管Q1和第二开关管Q2仍将处于导通状态，第三开关管S1和第四开关管S2变为互补导通。图3的3a当第三开关管S1断开、第四开关管S2闭合时，iL从电容C2正极流出，经过电感、开关管S2，到达C2负极。第二个光伏子模块向电感充电，iL增加、vC2会降低。图3的3b当第四开关管S2断开、第三开关管S1闭合时，由于电感电流不能突变，iL从电容C1负极流出，经过电感、开关管S1，到达C1正极。电感向第一个光伏子模块充电，iL减小、vC1会升高。
一个故障处理模块仅平衡两个相邻光伏子模块的输出电压。但是，由于不管有故障的光伏子模块的数量如何，所有输出电压都必须相等，因此即使只有一个低压端口短路故障出现，所有故障子模块都会工作。第二个光伏子模块发生低压端口短路故障下，整个系统的等效电路如图4所示。图4的4a中，所有故障处理模块的第三开关管S1断开、第四开关管S2闭合，第一个故障处理模块中的电感L向第二个光伏子模块的输出电容充电；第k+1(2≤k≤N-1)个光伏子模块的输出电容向第k个故障处理模块中的电感L充电。图4的4b中，所有故障处理模块的第四开关管S2断开、第三开关管S1闭合，第一个光伏子模块的输出电容向第一个故障处理模块中的电感L充电；第k(2≤k≤N-1)个故障处理模块中的电感L向第k个光伏子模块的输出电容充电。能量从未故障子模块流向故障子模块输出电容，最终使得所有未故障光伏子模块的输出电压与正常工作模式下相同，从而未故障光伏子模块的MPPT工作点不会偏移。多个模块发生低压端口短路故障的原理也一样。
图5的5a-图5的5f表示发生高压端口短路故障(HVF)时，故障处理过程各阶段的等效电路图。图中PVSM k表示第k个光伏子模块，这里用等效电流源进行替代，Ck为第k个光伏子模块的输出电容；Lg为并网电感，if表示高压短路电流，高压直流母线由一个大小为Vg的电压源等效，Rf为等效短路电阻。
图5的5a所示为短路故障发生阶段。故障处理模块采取短路故障应对措施之前，这时故障处理模块的第一开关管Q1和第二开关管Q2处于导通状态，第三开关管S1和第四开关管S2处于断开状态。串联起来的光伏子模块电容会通过短路点放电，电容电压下降，短路故障电流if持续上升。
图5的5b所示为短路故障电流续流阶段。当检测到短路故障时，默认电网从电路中切除出去，闭锁所有故障处理模块的第一开关管Q1和第二开关管Q2，并且停止所有光伏子模块的工作。由于并网电感Lg上的电流无法突变，故障处理模块上的第三开关管S1和第四开关管S2的反并联二极管导通。第2至第N-1个光伏子模块的电容、并网电感Lg、短路电阻Rf以及这些反并联二极管形成了续流通道。在这个续流阶段，由于并网电感承受反压，短路故障电流迅速下降，短路故障能量转移到光伏子模块电容上，使第2至第N-1个光伏子模块输出电容电压有所上升。
图5的5c所示为含低压端口短路故障的续流阶段。由于低压端口发生短路故障时，通过均压控制仍可以使变换器正常工作，因此高压端口短路故障发生，电路可能本身处于低压端口短路故障的均压工作模式下。此时在检测到过电流时，关闭第一开关管Q1和第二开关管Q2时要同时关闭第三开关管S1和第四开关管S2。其短路故障中断原理与之前的分析区别不大。唯一不同的是，在短路故障电流续流的阶段里，故障处理模块上的电感电流也经过了第三开关管S1和第四开关管S2的反并联二极管续流，并在电流过零时，续流二极管承受反压而截止。以第2个光伏子模块低压端口发生短路故障为例，由图4可知，第1个故障处理模块的电感电流由右流向左，其余故障处理模块的电感电流由左流向右。
图5的5d所示为短路故障中断阶段。当短路故障电流if下降到0后，第三开关管S1和第四开关管S2的续流二极管承受反压而关断，电路中不再有电流流通，短路故障被中断。
图5的5e和图5的5f所示分别为恢复失败和恢复成功阶段。短路故障中断延迟一段时间后进行恢复操作，此时变换器先不并网。恢复时，先开通所有故障模块的第二开关管Q2。如果高压端口短路故障仍然存在，则会形成如图5的5e中所示的通路，电容从第N个输出电容正极，流经所有故障处理模块电感L以及并网电感Lg，然后经过短路电阻Rf，最后回到第N个输出电容负极。此时放电电容只有一个，而限流电感相当于多了所有故障处理模块中的电感，可以有效抑制短路故障电流的再次冲击。当检测到电感上有较大电流流过时，再次断开所有故障处理模块的第二开关管Q2，等待短路故障维修。如果短路故障已经不存在了，电流通路如图5的5f所示，则开启所有故障处理模块的第一开关管Q1，并重启光伏子模块，然后进行并网。
图6所示为本发明所公开的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑的控制逻辑图。故障处理模块(FTM)的第一开关管Q1和第二开关管Q2的开断受到是否发生高压端口短路故障(HVF)控制，只要发生高压端口短路故障，所有故障处理模块的开关管Q1和第二开关管Q2都会断开。故障处理模块(FTM)的第三开关管S1和第四开关管S2的开断受到是否发生高压端口短路故障(HVF)、是否发生低压端口短路故障(LVF)以及PWM波形三个控制量的影响，只有在未发生高压端口短路故障且至少有一个光伏子模块发生低压端口短路故障的时候，第三开关管S1和第四开关管S2才会受到PWM控制互补导通，否则第三开关管S1、第四开关管S2会关断。
运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明所提方案进行验证，仿真结果如图7、图8、图9所示。高压直流母线电压为10kV，传输总额定功率PN为200kW,光伏子模块数量N为8。
图7所示为本发明所公开的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑，在发生低压端口短路故障后，光伏子模块的输出电压和输出功率波形。当t＝0.03s时，低压短路故障出现在第一个、第二个光伏子模块的输入端口。从图中可以看出，故障光伏子模块的输出电压(v1和v2)不会下降。所有的光伏子模块的电压均保持不变。其他正常光伏子模块的MPPT控制的工作点不会发生变化，其输出功率不会下降。因此，验证了该拓扑处理低压端口短路故障的能力。
图8所示为本拓扑在发生高压端口短路故障时，光伏子模块输出电压
Figure GDA0003290342930000091
Figure GDA0003290342930000092
短路电流if，流过第一开关管Q1和第二开关管Q2的电流iQ以及流过第三开关管S1和第四开关管S2的反并联二极管上的电流iD。可以看出，在t＝0.6ms时发生高压端口短路故障，在t＝0.7ms时采取保护措施。当发生高压端口短路故障时，短路故障电流if迅速上升，各光伏子模块输出电容的电压
Figure GDA0003290342930000094
开始下降。采取措施后，短路故障电流(if)从第一开关管Q1和第二开关管Q2上转移到了第三开关管S1和第四开关管S2的反并联二极管上。然后，短路故障能量从电网侧电感器传输到第二至第七个光伏子模块的输出电容上，第二至第七个光伏子模块的输出电容电压略微上升。故障电流迅速降至零，这验证了故障处理模块中断高压端口短路故障的能力。
图9所示为本拓扑在高压端口短路故障前已发生低压端口短路故障时，各故障处理模块中电感电流
Figure GDA0003290342930000093
与短路故障电流if的波形。在第4和第5个光伏子模块的输入侧已经发生了低压端口短路故障后，当t＝0.6ms时发生高压端口短路故障，当t＝0.7ms时采取保护措施。各故障处理模块中电感电流
Figure GDA0003290342930000095
比故障电流(if)降至零的速度要快得多。处理高压端口短路故障时，不会受到低压端口短路故障的影响。因此，可以得出结论，所提出的拓扑具有处理低压端口短路故障和高压端口短路故障同时发生的情况的能力。
通过以上仿真结果可以发现本发明公开的一种具备高低压端口短路故障处理能力的光伏多端口直流变换器拓扑，可以确保在部分光伏子模块发生低压端口短路故障情况下，剩余光伏子模块的正常并网工作，同时可以实现高压端口短路故障的中断处理。即使在发生高压端口短路故障之前已经存在低压端口短路故障的情况下，也不会影响该拓扑的中断功能。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于光伏多端口直流保护装置的高低压端口短路故障保护方法，其特征在于：
所述光伏多端口直流保护装置包括：
主控制器、N个光伏子模块、N个输出电容、N-1个故障处理模块、并网电感以及高压直流母线；
所述主控制器分别与所述的N个光伏子模块依次连接；所述主控制器分别与所述的N-1个故障处理模块依次连接；
每个所述的光伏子模块由光伏电池板、隔离型DC/DC变换器组成，光伏电池板的输出端口与隔离型DC/DC变换器的输入端口相连，隔离型DC/DC变换器的输出端口即光伏子模块的输出端口；第i输出电容与第i光伏子模块的输出端口并联，1≤i≤N；
第k个故障处理模块包括：a端、b端、c端、d端，所述第k个故障处理模块的a端与第k个光伏子模块的输出端口的负极相连，所述第k个故障处理模块的b端与所述第k个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的c端与第k+1个光伏子模块的输出端口的正极相连，所述第k个故障处理模块的d端与所述第k+1个光伏子模块输出端口的负极相连，1≤k≤N-1；
第1个光伏子模块的输出端口的正极通过并网电感Lg与所述高压直流母线的正极相连，第N个光伏子模块的输出端口的负极与所述高压直流母线的负极相连；
所述第k个故障处理模块包括：电感、第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管，1≤k≤N-1；
所述第一IGBT开关管的发射极为所述故障处理模块的a端，所述第二IGBT开关管的集电极为所述故障处理模块的c端，所述第三IGBT开关管的集电极为所述故障处理模块的b端，所述第四IGBT开关管的发射极为所述故障处理模块的d端；
所述高低压端口短路故障保护方法，具体如下：
主控制器采集光伏电池板的输出电流、隔离型DC/DC变换器的输入电流、光伏子模块的输出电流、高压直流母线处电流，采用差分电流法检测故障处理模块的工作模式类型，并根据对应工作模式，结合故障处理模块中第一IGBT开关管、第二IGBT开关管，第三IGBT开关管和第四IGBT开关管进行保护控制；
第m个光伏电池板的输出电流为：iPV1-m，1≤m≤N；
第m个隔离型DC/DC变换器的输入电流为：iPV2-m，1≤m≤N；
所述N个光伏子模块的输出电流均为：ig1；
所述高压直流母线处电流为：ig2；
所述工作模式类型包括：正常工作模式、低压端口短路故障模式、高压端口短路故障模式；
所述结合故障处理模块中第一IGBT开关管、第二IGBT开关管，第三IGBT开关管和第四IGBT开关管进行保护控制，具体为：
当检测到ipv1-m＝ipv2-m，ig1＝ig2时，处于第一种工作模式，所有的光伏子模块都正常工作；
每个故障处理模块中，第一IGBT开关管、第二IGBT开关管均处于导通状态，第三IGBT开关管、第四IGBT开关管均处于断开状态；
当检测到ig1＝ig2，ipv1-m与ipv2-m的差值ipvf-m超过阈值时，代表第m个光伏子模块发生低压端口短路故障模式；
将N-1故障处理模块中的第一IGBT开关管和第二IGBT开关管保持导通的状态，第三IGBT开关管和第四IGBT开关管则互补导通，实现平衡相邻子模块的输出电压；
其余N-1个光伏子模块通过故障处理模块向第m个光伏子模块输送能量以维持故障光伏子模块的电压；
当检测到ig1与ig2差值igf超过阈值时，表示处于高压端口短路故障模式；
闭锁所有故障处理模块中的第一IGBT开关管、第二IGBT开关管，第三IGBT开关管和第四IGBT开关管，使短路故障电流流入输出电容，从而快速地降为0，保护光伏子模块里的隔离型DC/DC变换器自身不会受到冲击。
CN202010597578.5A 2020-06-28 2020-06-28 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统 Active CN111711173B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010597578.5A CN111711173B (zh) 2020-06-28 2020-06-28 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010597578.5A CN111711173B (zh) 2020-06-28 2020-06-28 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111711173A CN111711173A (zh) 2020-09-25
CN111711173B true CN111711173B (zh) 2022-04-12

Family

ID=72543645

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010597578.5A Active CN111711173B (zh) 2020-06-28 2020-06-28 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111711173B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054503B (zh) * 2020-09-27 2022-01-04 武汉大学 一种基于串联光伏模块环形功率均衡系统的功率均衡方法
CN117175920B (zh) * 2023-09-01 2024-03-01 国网经济技术研究院有限公司 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104218796A (zh) * 2014-07-25 2014-12-17 国家电网公司 一种新型无母线四端口双极dc-dc变换器
CN105958466A (zh) * 2016-05-13 2016-09-21 上海电机学院 基于多端口直流变电站的直流微电网系统
CN207542796U (zh) * 2017-08-29 2018-06-26 苏文电能科技股份有限公司 一种分布式光伏电站交流侧具有单向控制功能的低压电路
CN111222097A (zh) * 2020-01-07 2020-06-02 武汉大学 一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104467017A (zh) * 2014-12-24 2015-03-25 国家电网公司 一种基于高频磁耦合的多端口光伏储能混合发电系统
CN104967111B (zh) * 2015-06-10 2018-10-02 无锡中汇汽车电子科技有限公司 一种多端口直流变电站拓扑结构
CN106786416A (zh) * 2016-12-02 2017-05-31 国网四川省电力公司成都供电公司 一种双向变压型高压直流断路装置及短路故障切除方法
CN108988729A (zh) * 2018-06-19 2018-12-11 浙江大学 基于全桥逆变器的模块化三相开关磁阻电机故障容错系统及运行方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104218796A (zh) * 2014-07-25 2014-12-17 国家电网公司 一种新型无母线四端口双极dc-dc变换器
CN105958466A (zh) * 2016-05-13 2016-09-21 上海电机学院 基于多端口直流变电站的直流微电网系统
CN207542796U (zh) * 2017-08-29 2018-06-26 苏文电能科技股份有限公司 一种分布式光伏电站交流侧具有单向控制功能的低压电路
CN111222097A (zh) * 2020-01-07 2020-06-02 武汉大学 一种光伏直流升压汇集系统可靠性评估及灵敏度分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111711173A (zh) 2020-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230208354A1 (en) Direct current combiner box, inverter, photovoltaic system, and protection method
CN109659967B (zh) 含有电阻型超导限流器和直流断路器的换流站及其直流故障处理策略
KR20180103181A (ko) 직류 전류 차단장치 및 제어 방법
CN106787876B (zh) 一种模块化多电平换流器及其高压阀组对地故障保护方法
CN111711173B (zh) 一种高低压端口短路故障的光伏多端口直流保护系统
CN107785867A (zh) 一种可降低开断电流的直流断路器及其直流故障处理策略
CN110417290B (zh) 一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法
CN113394760B (zh) 一种基于电容换流的预限流型高压直流故障限流器及方法
CN113078619A (zh) 一种柔性直流电网快速保护方法
CN114977129A (zh) 一种可选择中断的混合式直流断路器及其控制方法
Diao et al. A novel fault ride-through topology with high efficiency and fast fault clearing capability for MVdc PV system
CN110890742B (zh) 低损耗模块化多电平直流变压器的直流侧故障穿越方法
CN109119981B (zh) 一种直流故障限流装置和系统及其限流控制方法
Gaidhani et al. Analysis of MMC coordination with hybrid DC breakers for HVDC grid protection
Wu et al. Research on current limiting solid state circuit breaker for DC microgrid
CN111371100A (zh) 具备故障限流及断路功能的复合型直流潮流控制器
CN114421420B (zh) 适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器
WO2022121837A1 (zh) 直流断路器及其控制方法、电子设备
CN107749616A (zh) 一种降损式电容型直流断路器及其直流故障处理策略
CN210201475U (zh) 一种直流电网潮流可控型多端口直流断路器
CN112952777A (zh) 基于故障限流器的混合级联型直流故障穿越系统及控制方法
CN113300607A (zh) 基于全桥接口的双有源桥子模块、直流变压器及其控制方法
CN111953221A (zh) 一种模块化多电平换流器及换流站
Huang et al. A fault current limiting hybrid DC circuit breaker
CN212726884U (zh) 一种模块化多电平换流器及换流站

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant