直流變壓器光伏壓并網(wǎng)故障運行特性
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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)能夠為開發(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出現(xiàn)的故障進行解決，根據(jù)解決故障方式的可行性和效果進行分析研究。
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)的方式進行陣列輸出。通過運用Boost直流模塊來對功率最大化進行實時跟蹤。而后在低壓直流母線側(cè)匯集[1]。隨著科技進步，時展，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，以及與其進行組合發(fā)展而成的。但是因為高電壓大容量場合對開關(guān)電容充電的要求比較高，而充電時會發(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，中壓側(cè)器件的電壓應(yīng)力會比較高。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)的形式來進行。針對隔離型電路情況，需要進一步采用整流濾波的方式以此獲取直流電壓。比如采用LC濾波器進行，由于電壓尖峰會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，因此會出現(xiàn)熄弧困難等故障，并且直流系統(tǒng)具有阻尼低等特征，因此會導(dǎo)致故障電流的上升速度極快。結(jié)合以上兩點原因，對辨識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行擴散而導(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)常可以達到數(shù)千伏之高，假如中壓母線和光伏陣列之間沒有設(shè)計電氣隔離，則需要Boost直流模塊以及光伏陣列按中壓設(shè)計方式進行對地絕緣。不僅會出現(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)沒有進行電氣隔離，那么另一側(cè)的線路對地電壓將會迅速提升到額定電壓的2倍，所以單級接地故障就會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，會適當(dāng)?shù)販p輕變流器的設(shè)計難度。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、電路指標及拓撲選取
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法，并且不對其電壓進行控制，最大限度的實現(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，首先對子模塊進行控制促進電容電壓趨于均衡，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，低壓直流母線整體斷電。與此同時，在不進行直流電路功率控制時，不可采用反向流動的方式。此時中壓直流系統(tǒng)不會出現(xiàn)向低壓短路點饋入故障電流的情況。這時的中壓母線并不會受到任何影響，將會繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電。此時的MMC變流器前饋控制將縮小，并網(wǎng)電流將會維護系統(tǒng)保證不脫網(wǎng)，如此一來，僅剩部分的功率將會有所損失。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。如果此時某一部分發(fā)生電路短路故障，會出現(xiàn)以下情況：一方面濾波電容會直接出現(xiàn)短路，同時會向故障點迅速放電；另一方面，針對直流變壓器中的壓側(cè)電壓會變?yōu)榱?，此時會導(dǎo)致低壓側(cè)電流迅速增大，直流變壓器中的過流保護裝置具有極其重要的作用，能夠及時對低壓側(cè)閥組的觸發(fā)脈沖裝置進行閉鎖，以此起到保護器件以及設(shè)備的作用。此時，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，會加速低壓母線電壓的上升，以此觸動光伏模塊針對過壓的保護，同時光伏直流模塊會退出運行系統(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)短路的場景評估進行分析，指出后續(xù)的主要研究方向。
參考文獻
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作者：王斐 單位：電能（北京）認證中心有限公司