一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法及装置

技术领域

本发明涉及光伏发电并网系统的故障处理，具体地说是一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法及装置。

背景技术

光伏全直流汇集与送出系统是一种新型的光伏发电并网系统。它的中低压汇集、中高压送出均采用直流方案实现，各电压等级之间采用直流变压器进行变压。该系统较传统交流汇集与送出系统具有稳定性强、谐波少、无需无功补偿、控制简单等特点，具有良好的应用前景，是实现大容量光伏发电并网的有效手段。

然而，光伏全直流汇集与送出系统中，汇集升压用的高压直流变压器输出侧系统可能出现故障，系统接收的功率会下降，例如受端是多端直流系统时，若其中一端出现故障，系统消纳能力可能减弱，此时高压直流变压器功率无法完全外送，但光伏仍然处于MPPT发电状态，必然导致高压直流变压器子模块电容被充电过压。此时，高压直流变压器的子模块将面临过压损坏风险，子模块元件需要按照更高的电压水平进行设计，导致成本、体积大幅增加。

现有的解决方案主要分为两种：采用远程通信协同闭锁和线路设置避雷器限制过压。

采用远程通信协同闭锁的方案中，光伏变流器和高压直流变压器之间需要增加通信线路，以便高压直流变压器检测到故障后能立即通知光伏降低输出功率。该方法原理简单，但需要增设通信线路，成本增加，通信线路的距离长、可靠性也较低，实际工程中安装调试也较为困难，因此较少采用。

线路设置避雷器限制过压的方案是通过避雷器的防过压能力，吸收来自光伏的多余能量，避免高压直流变压器子模块过压。该方法成本低，可以一定程度解决上述问题，但避雷器残压比一般为1.5左右，高压直流变压器的子模块仍然会过压，只是过压幅度降低。此外，避雷器动作次数有限，该方案会对避雷器寿命造成一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法及装置，其通过主动调节升高高压直流变压器低压侧输出的直流电压，从而在直流变压器子模块并未过压的情况下，使得光伏检测到过电压从而进入限功率模式，以实现大幅降低高压直流变压器子模块过压的效果。

为此，本发明采用的一种技术方案为：一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法，其包括：

步骤1，检测到高压直流变压器高压侧直流电压超过限值U

步骤2，增加高压直流变压器低压侧上、下桥臂投入的子模块总数，提升高压直流变压器低压侧的直流电压至预设值U

步骤3，当高压直流变压器高压侧系统恢复正常后，退出上述步骤2所述的限功率模式，恢复稳态控制。

进一步地，步骤1中，限值U

进一步地，步骤2中，预设值U

获取高压侧直流电压实际值与其参考值之间的偏差，经过PI调节器输出得到低压侧直流电压的预设值U

进一步地，步骤2中，PI调节器的模型如下：

输出=

其中，

进一步地，步骤2中，U

进一步地，步骤3中，判断高压直流变压器高压侧系统恢复正常的依据为：U

更进一步地，步骤3中，所述的时间定值t2为1ms至1s。

本发明采用的另一种技术方案为：一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理装置，其包括：

电压检测单元，用于检测高压直流变压器高压侧直流电压超过限值U

低压侧直流电压提升单元，用于增加高压直流变压器低压侧上、下桥臂投入的子模块总数，提升高压直流变压器低压侧的直流电压至预设值U

稳态控制恢复单元，当高压直流变压器高压侧系统恢复正常后，退出上述低压侧直流电压提升单元的限功率模式，恢复稳态控制。

本发明具有的有益效果如下：本发明通过主动调节升高高压直流变压器低压侧输出的直流电压，在直流变压器子模块并未过压的情况下，使光伏检测到过电压从而进入限功率模式，实现大幅降低高压直流变压器子模块过压的效果。

附图说明

此处的附图为说明书的一部分，展示了本发明的实施例，与说明书一起用于解释本发明原理。

图1为本发明具体实施方式中光伏全直流汇集与送出系统架构图；

图2为本发明具体实施方式中典型高压直流变压器拓扑图；

图3为本发明具体实施方式中高压直流变压器交流侧工作波形图；

图4为本发明具体实施方式中光伏MPPT装置的功率-电压下垂特性图；

图5为本发明具体实施方式中光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法的流程图；

图6为本发明预设值U

图7为本发明具体实施方式中未采用本发明方法的子模块电压图；

图8为本发明具体实施方式中采用本发明方法的子模块电压图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本实施例中的技术方案进行清晰、系统地介绍，然而，本发明描述地实施例只是本发明实施的一个效果较好实例，任何本领域技术人员在没有付出创造性工作的前提下所获得所有相关实施例，皆以本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法，其通过主动调节升高高压直流变压器低压侧输出的直流电压，在直流变压器子模块并未过压的情况下，使得光伏检测到过电压从而进入限功率模式，以实现大幅降低高压直流变压器子模块过压的效果。

1.光伏全直流汇集与送出系统架构

如图1所示是光伏全直流汇集与送出系统架构，主要包括光伏电源、低压直流变压器和高压直流变压器。该系统中，高压直流变压器负责稳定中压侧的直流电压，而低压直流变压器则负责稳定光伏电池MPPT（最大功率点跟踪法）装置输出侧的低压直流电压。通常，低压直流变压器采用开环控制，其本质是将中压直流按变比转换为低压直流。

当高压直流线路受端系统发生故障，受端系统接受功率下降，高压直流变压器功率无法完全送出，而光伏还在持续运行，必然导致高压直流变压器被充电，子模块过压。

该系统中，光伏发电具有过电压限功率的功能，当高压直流变压器过压，中压直流电压被抬升到过电压阈值后，光伏将会降低出力。

2.高压直流变压器的工作原理

如图2所示是一种典型的高压直流变压器拓扑，本发明适用于但不限于该拓扑。

图2中，SMx（x=1,2,…,n）是指子模块1~n，其中n为一个桥臂的子模块数；

该拓扑高低压侧均采用模块化多电平结构，高低压侧每个桥臂均由子模块串联构成。每个子模块含有子模块电容、功率开关器件等。该拓扑通过调节变压器及其等效串联电抗器（

直流侧，该拓扑通过增加或减小上下桥臂投入的子模块总数，以提升或降低直流电压。稳态时，通常不作直流电压控制，即上下桥臂投入的子模块总数保持恒定。

稳态时，高压直流变压器的控制方式为：高压直流端口电压由直流系统控制住并保持恒定，在直流侧开环控制模式下，高压侧子模块总电压保持恒定；交流侧通过调节传输功率，稳定低压侧子模块总电压；低压侧子模块总电压保持恒定，在开环控制模式下，低压直流端口电压保持恒定。

当高压直流受端系统发生故障，系统消纳光伏的能力降低后，由于光伏MPPT装置输出功率保持不变，高压直流变压器由低压侧传输至高压侧的功率保持不变，高压侧直流电压必然会抬升，导致子模块电容过压。

3.基于主动电压抬升的故障处理方法

如前所述，光伏MPPT装置在检测到其输出电压抬升后，将转入限功率工作模式。因此，可以通过故障后主动抬升高压直流变压器低压侧的直流母线电压，提前让MPPT装置进入限功率模式，以降低高压直流变压器的过压水平。

故障态，通过增加高压直流变压器低压侧上下桥臂投入的子模块总数，可以提高直流母线电压。由于光伏MPPT装置的输出功率具有如图4所示的“功率-电压下垂特性”，当低压侧母线电压抬升后，光伏功率将下降，高压直流变压器输入、输出功率达到平衡，将有利于减小过压水平。

按照上述思路，本发明所述光伏全直流汇集与送出系统的故障处理方法的流程如下：

步骤1，检测到高压直流变压器高压侧直流电压超过限值U

步骤2，增加高压直流变压器低压侧上、下桥臂投入的子模块总数，提升高压直流变压器低压侧的直流电压至预设值U

步骤3，当高压直流变压器高压侧系统恢复正常后，退出上述步骤2所述的限功率模式，恢复稳态控制。

上述故障处理方法的流程图如图5所示。

具体地，

步骤1中，限值U

步骤2中，预设值U

步骤2中，PI调节器的公式或模型如下：

输出=

其中，

步骤2中，U

步骤3中，判断高压直流变压器高压侧系统恢复正常的依据为：U

如图7所示是未采用本发明方法的子模块电压图，横坐标是时间，单位s；纵坐标是电压，单位kV。t=1s时高压直流系统发生故障，子模块电压由额定值2kV升高至3kV，电压升高至1.5倍，严重过压。

如图8所示是采用本发明方法的子模块电压图，横坐标是时间，单位s；纵坐标是电压，单位kV。t=1s时高压直流系统发生故障，子模块电压由额定值2kV升高至2.25kV，电压升高至1.125倍，过压明显降低。

实施例2

本实施例提供一种光伏全直流汇集与送出系统的故障处理装置，其包括：

电压检测单元，用于检测高压直流变压器高压侧直流电压超过限值U

低压侧直流电压提升单元，用于增加高压直流变压器低压侧上、下桥臂投入的子模块总数，提升高压直流变压器低压侧的直流电压至预设值U

稳态控制恢复单元，当高压直流变压器高压侧系统恢复正常后，退出上述低压侧直流电压提升单元的限功率模式，恢复稳态控制。

具体地，电压检测单元中，限值U

具体地，低压侧直流电压提升单元中，预设值U

PI调节器的模型如下：输出=

具体地，低压侧直流电压提升单元中，U

具体地，稳态控制恢复单元中，判断高压直流变压器高压侧系统恢复正常的依据为：U

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。