直流变压器光伏压并网故障运行特性

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摘要：对于大型光伏电站而言，中压直流汇集组网系统相较于交流汇集系统来说效率更高。中压直流汇集组网系统能够为开发光伏资源更加规模化提供一条捷径，想要构建此系统，首先需要确定中压直流变压器的核心设备地位。其次应详细分析直流变压器是否满足光伏中压直流汇集系统的技术需要。通过对直流变压器结构的分析，明确相关技术的控制方法；根据直流变压器的低压侧和高压侧等故障特征提出相应的解决方式。最后采用塔建仿真模型的方式对各种情况下会出现的故障进行解决，根据解决故障方式的可行性和效果进行分析研究。

关键词：光伏；中压直流汇集；故障分析

1直流变压器需求分析

对于光伏组件单元而言，由于额定电压比较低，所以需要采用串联的方式进行阵列输出。通过运用Boost直流模块来对功率最大化进行实时跟踪。而后在低压直流母线侧汇集[1]。随着科技进步，时展，低压直流断路器以及相关的功率器件相较而言更加成熟。当前，高升压比电路主要是以耦合电感、开关电容、变压器等类型为主，以及与其进行组合发展而成的。但是因为高电压大容量场合对开关电容充电的要求比较高，而充电时会发生尖峰电流现象，因此不得直接用到高电压大容量的场合。

1.1高电压应力

对于光伏中压直流汇集系统而言，当系统中的中亚直流电网与直流变压器相关联时，中压侧器件的电压应力会比较高。由于受当前商用功率半导体器件的现状影响，中压侧将利用器件串联以及模块串联的形式来进行。针对隔离型电路情况，需要进一步采用整流滤波的方式以此获取直流电压。比如采用LC滤波器进行，由于电压尖峰会在高压场合对器件的选择性有所限制，因此应优先选择电容滤波。

1.2故障隔离及恢复供电能力

由于直流没有自然过零点，因此会出现熄弧困难等故障，并且直流系统具有阻尼低等特征，因此会导致故障电流的上升速度极快。结合以上两点原因，对辨识故障以及隔离的速度有着更高的要求。由于主流商用全控型的容量与晶闸管阀组相比较，前者较小[2]。在故障后IGBT阀组通常会快速锁闭，因此故障穿越的难度在无形当中增大。所以对于直流变压器而言，必须具有隔离故障的能力，面对这样的情况，需要尽量避免故障进行扩散而导致的系统解列现象出现。由于当前10kV以上中压直流断路器发展还不是很成熟，系统转供的过程比较艰难，因此，对直流变压器提出很高的要求，其必须在清除故障后在短时间内迅速恢复供电系统，类似交流系统“重合闸”。

1.3绝缘要求

对于光伏直流汇集系统而言，母线电压经常可以达到数千伏之高，假如中压母线和光伏阵列之间没有设计电气隔离，则需要Boost直流模块以及光伏阵列按中压设计方式进行对地绝缘。不仅会出现以上情况，如果直流变压器的一侧出现单级接地故障的情况，会出现原额定值是非故障级对地电压一半的现象。如果两侧没有进行电气隔离，那么另一侧的线路对地电压将会迅速提升到额定电压的2倍，所以单级接地故障就会利用电流变压器延伸到另一边[3]。因此，可以将直流变压器与中高频隔离变压器相结合，如此一来，既有利于电气隔离来降低对光伏系统的绝缘要求，又有利于大幅度提升汇集系统的供电合理可靠性。

1.4单向大功率传输特征

由于光伏阵列不会有潮流反向等问题出现，所以不需要考虑更换双向功率等问题。如此一来，会适当地减轻变流器的设计难度。由于当前大功率集中式逆变器的功率普遍在500kW或是1MW，为了更好地匹配，这就要求直流变压器的容量和光伏阵列相当，才能提高效率。

2光伏中压直流汇集系统中直流变压器

2.1应用场景、电路指标及拓扑选取

集散式光伏阵列需要采用并联的方式与低压直流母线进行对接，并且需利用直流升压变压器在中压直流系统汇集，最后输出到三相交流电网，如图1所示。

2.2控制方式

直流变压器处于光伏最大功率点的并网变流器与跟踪直流模块之间，升压斩波电路和太阳能板共同组成光伏直流模块，直流变压器跟踪最大功率的方式采取电压扰动法，并且不对其电压进行控制，最大限度的实现最低成本[4]。直流变压器具有隔离和升压的功能，两边的工作电压趋于稳定，并且充分利用开环控制的方式，如此一来，会极大程度的降低控制难度。中压测电压对低压侧电压起到间接稳定的作用，并网变流器的结构采用半桥子模块，首先对子模块进行控制促进电容电压趋于均衡，以及中压直流侧母线电压，即对子模块进行均压策略以及利用外环控制直流侧电压、交流侧电流采用内环控制，二者进行双环控制的方式。

3直流母线短路故障特性分析

3.1低压母线短路故障及故障清除

直流变压器输入低压母线的方式主要由众多分支低压馈线结合接入，当随意一直流光伏MPPT模块的部分馈线输出发生故障短路的情况时，低压直流母线整体断电。与此同时，在不进行直流电路功率控制时，不可采用反向流动的方式。此时中压直流系统不会出现向低压短路点馈入故障电流的情况。这时的中压母线并不会受到任何影响，将会继续向电网输送电。此时的MMC变流器前馈控制将缩小，并网电流将会维护系统保证不脱网，如此一来，仅剩部分的功率将会有所损失。当故障解除后，可以全面恢复功率供电。

3.2中压母线短路故障及故障清除

对于中压直流母线电压而言，其能够和绝大部分的直流变压器中压侧形成互相关联的关系，因此直接导致发生故障的影响力较为广泛。如果此时某一部分发生电路短路故障，会出现以下情况：一方面滤波电容会直接出现短路，同时会向故障点迅速放电；另一方面，针对直流变压器中的压侧电压会变为零，此时会导致低压侧电流迅速增大，直流变压器中的过流保护装置具有极其重要的作用，能够及时对低压侧阀组的触发脉冲装置进行闭锁，以此起到保护器件以及设备的作用。此时，高频变压器在直流变压器中起到解决自身电流故障的作用，以及能够及时断开中压系统[5]。但是由于持续输出侧光伏最大模块，会加速低压母线电压的上升，以此触动光伏模块针对过压的保护，同时光伏直流模块会退出运行系统，由此，系统解列。维持低压母线电压的较高水平，有利于加速清除故障后的重启时间。

4结语

综上所述，本文根据光伏中压直流汇集系统，以及升压比的需求分析展开研究，以隔离型架构为基础，本文首先分析讨论了在光伏中压直流汇集系统中直流变压器的重要性分析以及技术需要，最后分析其故障特性尤其是中压、低压侧短路的场景评估进行分析，指出后续的主要研究方向。

参考文献

[1]杨景刚，肖小龙，刘瑞煌，等.光伏中压直流汇集系统双极短路特性分析及连锁过电压抑制[J/OL].高电压技术，2019（4）：1-9.

[2]刘随生.光伏电站中压小电阻接地系统单相接地故障分析[J].太阳能，2019（12）：41-45；65.

[3]宋优乐，聂鼎，刘涌，等.基于序贯模拟法含光伏电源的配电系统可靠性评估[J].电器与能效管理技术，2019（13）：58-62.

[4]冯祥.光伏电源接入对地铁中压环网供电品质影响与优化控制研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[5]张广斌，董俊，束洪春.光伏分散接入中压配网保护与故障隔离研究[J].云南电力技术，2019，47（1）：22-25.

作者：王斐 单位：电能（北京）认证中心有限公司