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第2卷 第4期 2019年07月；页码：416-424
光伏直流升压汇集系统断线故障特性分析
Analysis on Characteristics of DC Line Breakage Fault in DC Step-up Collection System for PV Generation
- 1.西安许继电力电子技术有限公司，陕西省 西安市 710075
- 2.许继集团有限公司，河南省 许昌市 461000
- 1.Xi’an Xuji Power Electronic Technology Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi Province, China
- 2.Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan Province, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
光伏电站采用直流汇集方式能够解决采用交流汇集方式时的宽频域振荡问题和线路损耗大的问题，但是现有文献对直流升压汇集系统的故障特性特别是断线故障特性研究很少。针对基于IPOS结构的直流升压变换器单元的光伏直流升压汇集系统，提出了系统断线故障发展过程中，非故障线路上存在故障电流的特性。首先，分析了非故障线路上故障电流产生的机理；其次，按照故障点位置的不同，对故障电流引起的系统电压电流变化特性进行了分析，并推导了故障电流的计算表达式；再次，从继电保护的角度分析了故障电流对直流升压汇集系统的影响；最后，基于PSCAD/EMTDC搭建了直流升压汇集系统进行了仿真，验证故障特性分析的正确性。
The photovoltaic power plant adopts the DC stepup collection method to solve the problems of wide frequency domain oscillation and large line loss when using the AC collection mode.However, the research results related to the DC line breakage fault characteristics in the DC step-up collection system are seldom reported.Aiming at the photovoltaic DC stepup collection system based on IPOS structure, the characteristics of fault current in the non-fault DC bus are proposed.Firstly, the mechanism of fault current is analyzed.Secondly, according to the position of fault point, the variation characteristics of voltage and current caused by fault current are analyzed, and the calculation expression of fault current is derived.Thirdly, the influence of fault current on DC step-up collection system is analyzed from the perspective of relay protection.Finally, based on PSCAD/EMTDC, a DC step-up collection system is constructed, and simulation results show that the conclusion of above-mentioned fault analysis is correct.
0 引言
目前光伏电站多采用交流汇集方式[1-5]，大量逆变器与长距离交流电缆相互耦合，导致电压越限、宽频域振荡以及交流线路损耗大等问题[6]，制约光伏电站送出能力及系统整体效率的提升。随着电力电子和直流输电技术的发展和成熟，使得光伏电站采用直流升压汇集方式成为可能。直流升压汇集系统具有稳定性高、无需无功补偿，且同样电压等级下输送能力更强、损耗更小的特点，成为解决目前光伏电站稳定问题和整体效率低的有效方案[7-12]。
现有文献对光伏直流升压汇集系统进行了研究。文献[13]研究了光伏直流升压汇集系统方案，提出了一种计及阻抗网络的光伏直流升压汇集系统解决方案，提升了系统的适应性和可靠性；文献[14]研究了光伏直流升压汇集系统DC/DC直流升压变流器拓扑，给出了满足可靠性和适用性的变流器拓扑设计原则；文献[15-17]研究了直流升压变流器的控制保护方法进行，提出了PWM加移相控制方式，能够实现变流器的软开关特性，减小通态损耗，提高系统运行效率。目前文献对直流升压汇集系统的故障特性尤其是断线故障特性研究很少，没有明确系统故障后的运行特性及其对故障保护的影响，造成保护方案设计异常困难，严重影响直流升压汇集系统在光伏电站中的实际应用与推广。
本文在现有文献基础上，针对基于IPOS（input parallel output series）[18-19]结构的直流升压变换器的光伏直流升压汇集系统，以正汇集线路断线故障为例，深入分析了直流升压汇集系统直流断线故障后故障电流的形成机理；研究了故障电流对正负直流母线电压、电流的影响；推导了数学表达式；指出了故障电流可能造成系统继电保护动作；最后在PSCAD/EMTDC中搭建了直流升压汇集系统仿真模型，对分析结果进行了仿真验证。
1 系统拓扑介绍
光伏电站由多个小型光伏发电系统汇集而成，每个发电系统又由多个直流升压变流器并联汇集而成。本文以两个直流升压变流器汇集而成的直流升压汇集系统为例进行研究，分析其汇集线路断线故障的故障特性。多个直流升压变流器单元汇集而成的直流升压汇集系统汇集母线断线故障特性分析方法类似，不再赘述。光伏直流升压汇集系统结构如图1所示。
图1 光伏直流升压汇集系统
Fig.1 Structure of DC step-up collection system
直流升压变流器采用IPOS拓扑结构，由多个直流升压变流器单元级联构成，每个直流升压变流器的拓扑结构如图2所示。
2 断线故障特性分析
光伏直流升压汇集系统直流汇集线路与两个直流升压变流器相连，并接入并网逆变器。根据故障点分布的位置不同，可以将断线故障分为两种，即汇集支路断线故障和汇集母线断线故障，如图3所示。本章针对两种故障分别进行分析。
图2 直流升压变流器拓扑图
Fig.2 Structure of DC step-up converter
图3 故障类型
Fig.3 Fault types
2.1 故障电流机理分析
系统中与直流升压变流器低压侧相连的MPPT在短时间内可以等效为一个恒功率源。当直流汇集线路发生断线故障后，故障线路电流迅速降为零，功率传输中断，非故障线路电流的变化情况随着故障位置的不同而有所不同。
2.1.1 汇集支路断线故障
当系统汇集支路发生断线故障时（以直流变流器D1正极线路断线故障为例），D1正极线路故障电流迅速降为零，功率传输中断，光伏发电功率将在半个周波内转移至负极，转移过程中由于功率的不平衡导致电容电压出现升高。根据能量守恒定理，D1高压侧负极电容电压Ut可以计算为：
式中：η为变流器D1、D2的效率；n0为变流器单元变比；P1为变流器D1输入功率；T为系统工作周期；m为变流器单元级联个数（如图2所示）；C1为变流器低压侧电容值；C2为变流器高压侧电容值；U0为D1高压侧电容电压初始值。
由于变流器D1输入功率保持不变，且所有功率转移至负极，系统通过接地点、大地构成故障回路形成故障电流，如图4所示。
图4 汇集支路故障电流回路
Fig.4 Fault current circuit of branch
图4中：ID1Z、ID1F为变流器D1正负极直流电流；UD1Z、UD1F为变流器D1正负极直流电压；ID2Z、ID2F为变流器D2正负极直流电流；UD2Z、UD2F为变流器D2正负极直流电压；UBZ、UBF为并网逆变器正负极直流电压；IBZ、IBF为并网逆变器正负极直流电流；UR、IR为并网逆变器接地电阻电压和电流；C为变流器正负极等效电容。
根据功率与电压、电流的计算关系，可以计算得到变流器D1的故障电流ID1Ff为：
变流器D1故障电流经大地回路，流入变流器D2接地点及并网逆变器B1接地点，因此可计算变流器D2和并网逆变器B1的故障电流为：
式中：Udc为直流汇集线路直流母线电压；P2为变流器D2输入功率。
2.1.2 汇集母线断线故障
当系统汇集母线发生断线故障时（以正汇集母线断线故障为例），故障线路电流迅速降为零，系统功率传输完全中断，光伏发电功率将在直流变流器D1和D2的电容上累积，导致电容电压急剧升高。根据能量守恒定律，可计算Δt前后电容电压的递推关系为：
由于电容电压急剧升高，导致变流器D1及D2负极电压值大于并网逆变器下桥臂子模块电容电压和，从而导致直流变流器D1及D2的负极、接地点、并网逆变器下桥臂、大地构成故障回路，并形成故障电流，如图5所示。
图5 汇集母线故障电流回路
Fig.5 Fault current circuit of bus
根据式（5）中变流器高压侧电容电压计算式，可以得到流过汇集母线负极的故障电流为：
此时流过并网逆变器的接地电阻的故障电流与式（6）计算结果一致，而变流器D1及D2故障电流则为式（6）计算结果的一半。
2.2 故障电流引起的故障特性分析
故障电流的存在引起系统电压电流出现变化，由于故障电流大小与故障发生的位置有关，本节按照汇集支路断线故障和汇集母线断线故障分别进行分析。
2.2.1 汇集支路断线故障
系统发生汇集支路断线故障时（变流器D1正极线路断线故障），故障电流导致的系统电流变化情况，前文已经给出详细的表达式，这里仅给出故障电流导致的系统电压的变化情况。
1）变流器D1。
故障后变流器D1电容由于充电而电压升高，负极部分暂时正常运行，因此负极电压可以计算为：
变流器D1正极部分功率传输中断，回路中无电流流过，因此该部分变流器单元变比为变流器单元所包含变压器的变比，因此正极电压可以计算为：
式中，n1为变流器单元所包含变压器的变比。
2）变流器D2。
变流器D1发生正极断线故障后，变流器D2可以正常运行传输功率，而负极受变流器D1负极电压的钳位作用而电压降低，可以计算为：
由于变流器D2正常运行，其直流母线电压保持在额定值Udc不变，因此正极直流电压相应降低，可以计算为：
3）并网逆变器B1。
并网逆变器B1直流侧同样受变流器D1直流电压变化的影响，但直流母线电压保持不变，因此，并网逆变器B1直流侧正负直流母线电压可以计算为：
同时并网逆变器B1阀侧交流电压出现负的直流偏置电压，且接地电阻上出现负的直流电压，二者一致，可以表示为：
考虑根据表1和表2的参数对汇集支路断线故障特性进行计算。
表1 直流升压变流器参数
Table 1 Parameters of DC-DC converter
参数项取值额定容量/kW300 输入电压/V850 输出电压/kV±10 级联单元数2低压侧电容/mF2.4 谐振电容/μF12.04 谐振电抗/μH21 高压侧电容/μF20 高频变压器频率/Hz10 高频变压器变比/kV0.82/2.5
表2 并网逆变器参数
Table 2 Parameters of DC-AC converter
参数项取值额定容量/MW1 接地电阻/Ω2000 直流母线电压/kV±10
计算得到故障后，D1低压侧电压约为890 V，高压侧正直流母线电压约为10.84 kV，负直流母线电压约为-10.42 kV；高压侧正极直流电流降为0 A，负极直流电流约为27.93 A。D2低压侧电压为850 V，高压侧正直流母线电压约为9.58 kV，负直流母线电压约为-10.42 kV；高压侧正极直流电流约为28.06 A，负极直流电流约为0.14 A。并网逆变器直流电压与变流器D2一致，正负极直流电流降为28.06 A。由计算结果可知，汇集支路故障后系统会出现轻微过压，且由于故障电流的存在，导致变流器D1的负极以及变流器D2的正极会出现过流。
2.2.2 汇集母线断线故障
系统发生汇集母线断线故障时（正汇集母线断线故障），负极汇集线路出现逐渐增大的故障电流，其导致的系统电流变化情况，前文已经给出详细的表达式，这里仅对系统电压的变化情况进行分析。
1）变流器D1及D2。
故障后变流器D1及D2正负直流母线仍然相互连接，因此二者的正负直流母线电压保持一致，且数值逐渐增大，如式（14）所示。
2）并网逆变器B1。
故障后并网逆变器B1负极母线电压受到变流器D1及D2负极母线电压的箝位作用而逐渐降低，同时由于直流母线电压保持不变，导致正极直流母线电压逐渐降低，如式（15）所示。
同时并网逆变器B1阀侧交流电压出现负的直流偏置电压，且接地电阻上出现负的直流电压，二者一致，可以表示为：
根据表1和表2的参数对汇集支路断线故障特性进行计算，得到直流升压变流器高低压侧电压以及高压侧直流电流如图6所示，计算并网逆变器接地电阻的电压电流波形如图7所示。
图6 直流升压变流器电压电流波形
Fig.6 Waves of DC-DC converter
图7 并网逆变器接地电阻电压电流波形
Fig.7 Waves of ground resistance for DC-AC converter
由图中计算结果可知，汇集母线故障后系统会出现严重过压，且由于故障电流的存在，导致直流升压变流器以及并网逆变器的负极极会出现过流，同时会导致并网逆变器出现较大的零序分量。
2.3 故障电流对系统保护的影响分析
由分析可知，故障电流的存在引起了直流升压变流器、汇集线路、并网逆变器系统交直流场的电压电流出现不同的变化，将会对系统继电保护产生影响。
2.3.1 系统保护配置
1）直流升压变流器保护配置。
直流升压变流器主要配置输入输出侧电压过压保护、欠压保护，输入输出侧过流保护以及开关器件过流保护，如图8所示。
图8 直流升压变流器保护配置图示
Fig.8 Protection configuration of DC-DC converter
2）汇集线路保护配置。
直流汇集线路保护主要配置线路差动保护，包括汇集支路差动保护及汇集母线差动保护，用于实现故障定位，如图9所示。
图9 汇集线路保护配置图示
Fig.9 Protection configuration of DC collection line
3）并网逆变器保护配置。
并网逆变器的保护配置及分区[20]如图10所示。保护可以划分为5个区：①为联接变压器保护区，主要对联接变压器进行保护；②为站内交流联接线保护区，主要对变压器与换流器之间的交流母线进行保护；③为换流器区，包括阀和子模块保护区④，主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线以及桥臂电抗器进行保护；⑤为直流线路区，主要对直流线路以及直流线路上串联的直流电抗器等设备进行保护。
图10 并网逆变器保护配置及分区
Fig.10 Protection configuration and partitions of DC-AC converter
2.3.2 故障电流对系统保护的影响
1）对直流升压变流器过压保护的影响。
故障电流引起直流升压变流器输入输出侧直流电压增大，尤其当汇集母线发生断线故障时，直流电压增大速度较快，直至保护触发，系统闭锁停机。直流电压增大过程中，可能会引起过压保护动作。
2）对直流升压变流器过流保护的影响。
随着故障的发展，故障电流增长较大，直至保护触发，系统闭锁停机。故障电流增长过程中，可能会引起过流保护动作。
3）对并网逆变器零序过流保护的影响。
汇集母线故障后，故障电流即零序电流。如果并网逆变器接地电阻取值较小，则故障电流较大。随着故障的发展，故障电流持续增大，直至保护触发，系统闭锁停机。故障电流增长过程中可能会引起零序过流保护动作。
4）对并网逆变器阀侧零序过压保护的影响。
汇集母线故障时，故障电流引起零序电压逐渐增大，直至保护触发，系统闭锁停机。零序电压持续增大的过程中，可能会引起零序过压保护动作。
5）对并网逆变器直流电流差动保护的影响。
汇集母线故障电流造成直流正负极电流不再相同，若接地电阻值较小，则故障电流较大。随着故障的发展，可能会引起直流电流差动保护动作。
6）对并网逆变器直流电压不平衡保护的影响。
汇集母线故障电流引起正负直流母线电压变化趋势不对称，可能会引起直流电压不平衡保护动作。
由以上分析可知，故障电流的存在可能会引起以上6种系统保护动作；增大接地电阻值，仅能削弱故障电流对并网逆变器零序过流保护和直流电流差动保护的影响；而故障电流在接地电阻上引起的电压偏移由直流升压变流器非故障极与并网逆变器对应极电压差决定，因此零序过压保护、直流电压不平衡保护不受接地电阻大小的影响。
3 仿真验证
在PSCAD/EMTDC环境下搭建直流升压汇集系统仿真模型，仿真系统参数如表1和表2所示。
3.1 汇集支路断线故障
仿真设定2.2 s时刻引入直流升压变流器D1正极线路断线故障。
1）直流升压变流器D1。
仿真得到直流变流器D1直流母线电压、正负直流母线电压以及正负直流母线电流波形如图11所示。故障发生后变流器D1直流母线电压上升1.44 kV左右，其中正直流母线电压上升1.05 kV，负直流母线电压下降0.35 kV；正直流母线电流降为零，负直流母线电流增大至27.3 A，仿真结果与理论计算结果相符。
2）直流升压变流器D2。
仿真得到直流变流器D2直流母线电压、正负直流母线电压以及正负直流母线电流波形如图12所示。故障发生后变流器D2直流母线电压保持不变，而正直流母线电压下降0.35 kV，负直流母线电压下降 0.35 kV；直流母线正电流增大为28.0 A，非故障极直流母线电流减小至1 A，仿真结果与理论计算结果相符。
3）并网逆变器B1。
仿真得到并网逆变器B1正负直流母线电流、阀侧交流电压及接地电阻电压和电流波形如图13所示，其直流电压与变流器D2一致，不再给出。由图13可知，故障发生后正负直流母线电流有所降低；阀侧交流电压出现0.35 kV的直流偏置电压；接地电阻由于故障电流的存在出现0.35 kV的压降；接地电阻上流过0.18 A的故障电流；仿真结果与理论计算结果相符。
图11 变流器D1仿真波形
Fig.11 Simulation waves of D1 converter
图12 变流器D2仿真波形
Fig.12 Simulation waves of D2 converter
图13 变流器B1仿真波形
Fig.13 Simulation waves of B1 converter
3.2 汇集母线断线故障
仿真设定2.2 s时刻引入正汇集母线断线故障。
1）直流升压变流器D1。
仿真得到直流变流器D1直流母线电压、正负直流母线电压以及正负直流母线电流波形如图14所示。故障发生后变流器D1直流电压迅速上升；正直流母线电流降为零，负直流母线电流增大随故障发展持续增大，仿真结果与图6、图7理论计算结果相符。
图14 变流器D1仿真波形
Fig.14 Simulation waves of D1 converter
2）直流升压变流器D2。
仿真得到直流变流器D2直流母线电压、正负直流母线电压以及正负直流母线电流波形如图15所示。故障发生后变流器D2直流电压迅速上升；正直流母线电流降为零，负直流母线电流增大随故障发展持续增大，仿真结果与图6、图7理论计算结果相符。
图15 变流器D2仿真波形
Fig.15 Simulation waves of D2 converter
3）并网逆变器B1。
仿真得到并网逆变器B1正负直流母线电压、阀侧交流电压及接地电阻电压和电流波形如图16所示，其直流电流与变流器D2一致，不再给出。故障发生后系统出现持续增大的故障电流，且由于故障电流的存在导致接地电阻、正负直流母线电压及阀侧交流电压出现持续减小的直流偏置电压，仿真结果与图6、图7理论计算结果相符。
4 结论
本文对光伏直流升压汇集系统断线故障进行了深入分析和仿真验证，得到了以下结论。
1）直流断线故障发生后，直流升压变流器电容电压发生偏移，通过接地支路、非故障极形成故障电流通道。
2）汇集支路发生断线故障时，故障直流变流器的非故障极电流增大；非故障直流变流器的故障对应极电流增大，另一极电流减小；并网逆变器故障电流大小取决于接地电阻。
图16 变流器B1仿真波形
Fig.16 Simulation waves of B1 converter
3）汇集母线发生断线故障时，故障电流的大小取决于故障回路阻抗。通过接地电阻的合理设计可以限制故障电流；但故障电流在接地电阻上引起的电压偏移由双端换流器子模块电压差决定，不受接地电阻大小的影响。
4）故障电流引起系统电压电流改变，可能会导致直流升压变流器的过压保护、过流保护，以及并网逆变器的阀侧交流零序过流保护、阀侧交流零序过电压保护、直流电流差动保护、直流电压不平衡保护动作。
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基金项目
国家电网公司科技项目“大型光伏电站直流升压汇集接入关键技术及设备研制”。
Science and Technology Project of SGCC “Development of Key Technologies and Equipment for DC Step-up Collection and Accessing of Large-scale Photovoltaic Power Plants”.
作者简介
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宋晓梅
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李道洋
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行登江