直流變壓器光伏壓并網(wǎng)故障運(yùn)行特性

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摘要：對于大型光伏電站而言，中壓直流匯集組網(wǎng)系統(tǒng)相較于交流匯集系統(tǒng)來說效率更高。中壓直流匯集組網(wǎng)系統(tǒng)能夠?yàn)殚_發(fā)光伏資源更加規(guī)?；峁┮粭l捷徑，想要構(gòu)建此系統(tǒng)，首先需要確定中壓直流變壓器的核心設(shè)備地位。其次應(yīng)詳細(xì)分析直流變壓器是否滿足光伏中壓直流匯集系統(tǒng)的技術(shù)需要。通過對直流變壓器結(jié)構(gòu)的分析，明確相關(guān)技術(shù)的控制方法；根據(jù)直流變壓器的低壓側(cè)和高壓側(cè)等故障特征提出相應(yīng)的解決方式。最后采用塔建仿真模型的方式對各種情況下會(huì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行解決，根據(jù)解決故障方式的可行性和效果進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：光伏；中壓直流匯集；故障分析

1直流變壓器需求分析

對于光伏組件單元而言，由于額定電壓比較低，所以需要采用串聯(lián)的方式進(jìn)行陣列輸出。通過運(yùn)用Boost直流模塊來對功率最大化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。而后在低壓直流母線側(cè)匯集[1]。隨著科技進(jìn)步，時(shí)展，低壓直流斷路器以及相關(guān)的功率器件相較而言更加成熟。當(dāng)前，高升壓比電路主要是以耦合電感、開關(guān)電容、變壓器等類型為主，以及與其進(jìn)行組合發(fā)展而成的。但是因?yàn)楦唠妷捍笕萘繄龊蠈﹂_關(guān)電容充電的要求比較高，而充電時(shí)會(huì)發(fā)生尖峰電流現(xiàn)象，因此不得直接用到高電壓大容量的場合。

1.1高電壓應(yīng)力

對于光伏中壓直流匯集系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)中的中亞直流電網(wǎng)與直流變壓器相關(guān)聯(lián)時(shí)，中壓側(cè)器件的電壓應(yīng)力會(huì)比較高。由于受當(dāng)前商用功率半導(dǎo)體器件的現(xiàn)狀影響，中壓側(cè)將利用器件串聯(lián)以及模塊串聯(lián)的形式來進(jìn)行。針對隔離型電路情況，需要進(jìn)一步采用整流濾波的方式以此獲取直流電壓。比如采用LC濾波器進(jìn)行，由于電壓尖峰會(huì)在高壓場合對器件的選擇性有所限制，因此應(yīng)優(yōu)先選擇電容濾波。

1.2故障隔離及恢復(fù)供電能力

由于直流沒有自然過零點(diǎn)，因此會(huì)出現(xiàn)熄弧困難等故障，并且直流系統(tǒng)具有阻尼低等特征，因此會(huì)導(dǎo)致故障電流的上升速度極快。結(jié)合以上兩點(diǎn)原因，對辨識(shí)故障以及隔離的速度有著更高的要求。由于主流商用全控型的容量與晶閘管閥組相比較，前者較小[2]。在故障后IGBT閥組通常會(huì)快速鎖閉，因此故障穿越的難度在無形當(dāng)中增大。所以對于直流變壓器而言，必須具有隔離故障的能力，面對這樣的情況，需要盡量避免故障進(jìn)行擴(kuò)散而導(dǎo)致的系統(tǒng)解列現(xiàn)象出現(xiàn)。由于當(dāng)前10kV以上中壓直流斷路器發(fā)展還不是很成熟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)供的過程比較艱難，因此，對直流變壓器提出很高的要求，其必須在清除故障后在短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)供電系統(tǒng)，類似交流系統(tǒng)“重合閘”。

1.3絕緣要求

對于光伏直流匯集系統(tǒng)而言，母線電壓經(jīng)?？梢赃_(dá)到數(shù)千伏之高，假如中壓母線和光伏陣列之間沒有設(shè)計(jì)電氣隔離，則需要Boost直流模塊以及光伏陣列按中壓設(shè)計(jì)方式進(jìn)行對地絕緣。不僅會(huì)出現(xiàn)以上情況，如果直流變壓器的一側(cè)出現(xiàn)單級接地故障的情況，會(huì)出現(xiàn)原額定值是非故障級對地電壓一半的現(xiàn)象。如果兩側(cè)沒有進(jìn)行電氣隔離，那么另一側(cè)的線路對地電壓將會(huì)迅速提升到額定電壓的2倍，所以單級接地故障就會(huì)利用電流變壓器延伸到另一邊[3]。因此，可以將直流變壓器與中高頻隔離變壓器相結(jié)合，如此一來，既有利于電氣隔離來降低對光伏系統(tǒng)的絕緣要求，又有利于大幅度提升匯集系統(tǒng)的供電合理可靠性。

1.4單向大功率傳輸特征

由于光伏陣列不會(huì)有潮流反向等問題出現(xiàn)，所以不需要考慮更換雙向功率等問題。如此一來，會(huì)適當(dāng)?shù)販p輕變流器的設(shè)計(jì)難度。由于當(dāng)前大功率集中式逆變器的功率普遍在500kW或是1MW，為了更好地匹配，這就要求直流變壓器的容量和光伏陣列相當(dāng)，才能提高效率。

2光伏中壓直流匯集系統(tǒng)中直流變壓器

2.1應(yīng)用場景、電路指標(biāo)及拓?fù)溥x取

集散式光伏陣列需要采用并聯(lián)的方式與低壓直流母線進(jìn)行對接，并且需利用直流升壓變壓器在中壓直流系統(tǒng)匯集，最后輸出到三相交流電網(wǎng)，如圖1所示。

2.2控制方式

直流變壓器處于光伏最大功率點(diǎn)的并網(wǎng)變流器與跟蹤直流模塊之間，升壓斬波電路和太陽能板共同組成光伏直流模塊，直流變壓器跟蹤最大功率的方式采取電壓擾動(dòng)法，并且不對其電壓進(jìn)行控制，最大限度的實(shí)現(xiàn)最低成本[4]。直流變壓器具有隔離和升壓的功能，兩邊的工作電壓趨于穩(wěn)定，并且充分利用開環(huán)控制的方式，如此一來，會(huì)極大程度的降低控制難度。中壓測電壓對低壓側(cè)電壓起到間接穩(wěn)定的作用，并網(wǎng)變流器的結(jié)構(gòu)采用半橋子模塊，首先對子模塊進(jìn)行控制促進(jìn)電容電壓趨于均衡，以及中壓直流側(cè)母線電壓，即對子模塊進(jìn)行均壓策略以及利用外環(huán)控制直流側(cè)電壓、交流側(cè)電流采用內(nèi)環(huán)控制，二者進(jìn)行雙環(huán)控制的方式。

3直流母線短路故障特性分析

3.1低壓母線短路故障及故障清除

直流變壓器輸入低壓母線的方式主要由眾多分支低壓饋線結(jié)合接入，當(dāng)隨意一直流光伏MPPT模塊的部分饋線輸出發(fā)生故障短路的情況時(shí)，低壓直流母線整體斷電。與此同時(shí)，在不進(jìn)行直流電路功率控制時(shí)，不可采用反向流動(dòng)的方式。此時(shí)中壓直流系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)向低壓短路點(diǎn)饋入故障電流的情況。這時(shí)的中壓母線并不會(huì)受到任何影響，將會(huì)繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電。此時(shí)的MMC變流器前饋控制將縮小，并網(wǎng)電流將會(huì)維護(hù)系統(tǒng)保證不脫網(wǎng)，如此一來，僅剩部分的功率將會(huì)有所損失。當(dāng)故障解除后，可以全面恢復(fù)功率供電。

3.2中壓母線短路故障及故障清除

對于中壓直流母線電壓而言，其能夠和絕大部分的直流變壓器中壓側(cè)形成互相關(guān)聯(lián)的關(guān)系，因此直接導(dǎo)致發(fā)生故障的影響力較為廣泛。如果此時(shí)某一部分發(fā)生電路短路故障，會(huì)出現(xiàn)以下情況：一方面濾波電容會(huì)直接出現(xiàn)短路，同時(shí)會(huì)向故障點(diǎn)迅速放電；另一方面，針對直流變壓器中的壓側(cè)電壓會(huì)變?yōu)榱悖藭r(shí)會(huì)導(dǎo)致低壓側(cè)電流迅速增大，直流變壓器中的過流保護(hù)裝置具有極其重要的作用，能夠及時(shí)對低壓側(cè)閥組的觸發(fā)脈沖裝置進(jìn)行閉鎖，以此起到保護(hù)器件以及設(shè)備的作用。此時(shí)，高頻變壓器在直流變壓器中起到解決自身電流故障的作用，以及能夠及時(shí)斷開中壓系統(tǒng)[5]。但是由于持續(xù)輸出側(cè)光伏最大模塊，會(huì)加速低壓母線電壓的上升，以此觸動(dòng)光伏模塊針對過壓的保護(hù)，同時(shí)光伏直流模塊會(huì)退出運(yùn)行系統(tǒng)，由此，系統(tǒng)解列。維持低壓母線電壓的較高水平，有利于加速清除故障后的重啟時(shí)間。

4結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)光伏中壓直流匯集系統(tǒng)，以及升壓比的需求分析展開研究，以隔離型架構(gòu)為基礎(chǔ)，本文首先分析討論了在光伏中壓直流匯集系統(tǒng)中直流變壓器的重要性分析以及技術(shù)需要，最后分析其故障特性尤其是中壓、低壓側(cè)短路的場景評估進(jìn)行分析，指出后續(xù)的主要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊景剛，肖小龍，劉瑞煌，等.光伏中壓直流匯集系統(tǒng)雙極短路特性分析及連鎖過電壓抑制[J/OL].高電壓技術(shù)，2019（4）：1-9.

[2]劉隨生.光伏電站中壓小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障分析[J].太陽能，2019（12）：41-45；65.

[3]宋優(yōu)樂，聶鼎，劉涌，等.基于序貫?zāi)M法含光伏電源的配電系統(tǒng)可靠性評估[J].電器與能效管理技術(shù)，2019（13）：58-62.

[4]馮祥.光伏電源接入對地鐵中壓環(huán)網(wǎng)供電品質(zhì)影響與優(yōu)化控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[5]張廣斌，董俊，束洪春.光伏分散接入中壓配網(wǎng)保護(hù)與故障隔離研究[J].云南電力技術(shù)，2019，47（1）：22-25.

作者：王斐 單位：電能（北京）認(rèn)證中心有限公司