大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)智能化監(jiān)控與保護(hù)協(xié)同的應(yīng)用分析

劉建發(fā)

（湖南動力源電力勘測設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410021）

0 引 言

隨著人類社會的進(jìn)步，能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)石化能源在消耗過程中會排放大量的溫室氣體和其他污染物，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，因此綠色環(huán)保清潔能源的應(yīng)用推廣越來越迫切[1-3]。光伏發(fā)電作為綠色環(huán)保清潔能源的典型代表，其應(yīng)用技術(shù)近些年得到迅速發(fā)展[4]。目前市場主流的光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)主要存在兩種形式，一種是裝機(jī)規(guī)模較小的分布式光伏電站，通常采用低壓接入就地消納，另一種是裝機(jī)規(guī)模大的集中式光伏電站，通常采用中高壓接入全額送入電網(wǎng)[5,6]。相比分布式小型光伏電站，集中式光伏電站具有高度集中、環(huán)保效益顯著以及電網(wǎng)接入簡潔單一的優(yōu)勢，更便于電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度和運行管理。因此，大型光伏電站的建設(shè)與投運對電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。

目前，大型集中式光伏電站發(fā)電系統(tǒng)運行過程中普遍涉及的問題有3點，一是多設(shè)備并聯(lián)運行的弱穩(wěn)定性問題凸顯，二是多數(shù)據(jù)匯集與分區(qū)分層梳理難，三是頻率震蕩畸變頻發(fā)引起的電能質(zhì)量差。隨著智能化監(jiān)控和保護(hù)技術(shù)的發(fā)展和逐步完善，很多問題得到了化解，越來越適用于大型光伏發(fā)電站的應(yīng)用和推廣[7,8]。

大型集中式光伏電站智能化監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，將有效監(jiān)控電站運行狀況，并及時處理發(fā)生的故障，為電站電能的穩(wěn)定性輸出和安全運行提供了十分重要的保障[9]。本文針對大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)，充分利用分析了智能監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的分層分區(qū)以及智能化監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的配置原則，并分析了智能監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)的協(xié)同運作機(jī)制[10]。

1 大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)

目前，大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，大致可歸類為集中逆變和組串式逆變兩種。集中逆變形式中，光伏組件串接形成組串，組串并聯(lián)接入直流匯流箱，匯流箱輸出并聯(lián)接入集中式逆變器直流側(cè)，逆變交流后輸入升壓變就地升壓。組串式逆變形式中，光伏組件串接形成組串，組串并聯(lián)接入不同的MPPT模塊逆變成交流，逆變器輸出并聯(lián)接入箱變低壓側(cè)就地升壓。

大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的以上兩種主接線方式均由光伏組串和直流傳輸部分、直流逆變部分以及交流升壓部分3部分組串。大型光伏發(fā)電站逆變核心部件在于IGBT和MPPT控制，改善輸出電能直流，并穩(wěn)定輸出電壓。逆變器輸出經(jīng)升壓變就地升壓后將電壓提升至35 kV，各個發(fā)電單元輸出的高壓通過匯集集電線路輸送至升壓變電站并入電網(wǎng)。

大型光伏發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，其中電氣設(shè)備電子原件眾多，因而智能化變電站的相關(guān)監(jiān)控和保護(hù)方法難以適用于大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)。為應(yīng)對大型光伏發(fā)電站的智能化應(yīng)用要求，提出相應(yīng)的監(jiān)控與保護(hù)方案，保障電站的可靠性，安全穩(wěn)定的運行十分必要[11]。

圖1 大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2 監(jiān)控保護(hù)分層分區(qū)的配置方案

光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控和保護(hù)的配置是為保障系統(tǒng)的可靠性，在安全的環(huán)境下穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能。大型光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行過程中因光照、電網(wǎng)波動以及設(shè)備故障等因素，經(jīng)常遭受到抗擾。大型光伏發(fā)電系統(tǒng)智能監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)裝置的配置，一方面通過監(jiān)控發(fā)電系統(tǒng)的實時運行狀況，分析健康狀況并預(yù)測可能出現(xiàn)的故障予以提前規(guī)避和消除，并充分發(fā)揮電氣設(shè)備尤其是逆變器核心部件的控制功能提高發(fā)電系統(tǒng)前端的安全穩(wěn)定性。另一方面，當(dāng)遇到突發(fā)性大故障抗擾時，發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)的保護(hù)設(shè)備即能獨立運行，又能相互協(xié)調(diào)合作，有效躲避或減少發(fā)電系統(tǒng)的損失。

2.1 智能監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的分區(qū)分層原則

2.1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的分區(qū)原則

通常大型光伏發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)相對集中，發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)容易采集，通信方式也更加靈活方便，從而為大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的分區(qū)分層提供了清晰的界面和便捷性。從系統(tǒng)組成和運行角度出發(fā)，智能監(jiān)控系統(tǒng)包含局部數(shù)據(jù)采集檢測和監(jiān)控、全局?jǐn)?shù)據(jù)檢測與監(jiān)控，層次分明，因此按照光伏發(fā)電系統(tǒng)運行功能需求，可將系統(tǒng)分為直流系統(tǒng)層、逆變升壓匯集層以及場站系統(tǒng)層。各層都具有對應(yīng)的獨立監(jiān)控功能和保護(hù)功能，又能相互協(xié)同配合。

直流系統(tǒng)層用于信息的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與保護(hù)。當(dāng)發(fā)生外部抗擾時，通過監(jiān)測采集的異動數(shù)據(jù)判別需要啟動保護(hù)或其他措施，層級保護(hù)包括主動保護(hù)和后備保護(hù)。逆變升壓匯集間隔層根據(jù)該層的運行功能，監(jiān)控與保護(hù)主要在于實現(xiàn)故障識別、數(shù)據(jù)采集以及后備保護(hù)等功能，層級保護(hù)主要有后備保護(hù)。場站系統(tǒng)層是面向多個發(fā)電單元的整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控層，根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)單元的全局信息，主要實現(xiàn)穩(wěn)定性監(jiān)控、并網(wǎng)保護(hù)以及故障穿越等功能。

2.1.2 保護(hù)分區(qū)原則

保護(hù)分區(qū)為了保護(hù)功能實時正確地實現(xiàn)其功能，在需要保護(hù)功能啟動時，快速響應(yīng)并能將損失降到最小。劃分分區(qū)應(yīng)遵循以下原則，一是保護(hù)分區(qū)需涵蓋整個光伏電站發(fā)電系統(tǒng)，確保各種擾動引起各位置的故障得到及時可靠的切除。二是上下級保護(hù)區(qū)和相鄰間保護(hù)區(qū)相互協(xié)調(diào)，有協(xié)調(diào)功能，又有相對獨立性。三是在關(guān)鍵保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置有調(diào)控裝置，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程切除功能。

2.2 保護(hù)配置

大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)的配置，應(yīng)根據(jù)項目建設(shè)特點和主設(shè)備選擇要求，并充分預(yù)判可能存在或發(fā)生的故障特征，配置相關(guān)的保護(hù)裝置。

2.2.1 光伏組串保護(hù)配置

光伏電站的發(fā)電主要是基于太陽能電池的光生伏打效應(yīng)。太陽光線照射在太陽能電池片轉(zhuǎn)換為清潔電能，每塊光伏組件的開路電壓約45 V，通過多塊組件相互串聯(lián)，極端低溫下光伏串開路電壓不高于1 500 V。光伏組件應(yīng)具備有以下保護(hù)：一是過流保護(hù)，當(dāng)外部抗擾引起組串過流故障時，組串配置的熔斷器切斷故障；二是防反保護(hù)，當(dāng)發(fā)生逆流擾動故障時，組件接線盒配置防反二極管配合組串接入的熔斷器執(zhí)行逆流保護(hù)。

2.2.2 匯流箱保護(hù)配置

匯流箱作為光伏組串輸出的直流電能一級回流設(shè)備，將多路組串電流匯集一路輸出，根據(jù)其工作特點應(yīng)具備有以下保護(hù)。一是過流保護(hù)，當(dāng)外部抗擾引起過流故障時，配置的直流斷路器可及時切斷故障，保護(hù)上下級損失進(jìn)一步擴(kuò)延。二是電涌保護(hù)，當(dāng)遇到瞬時電壓升高或雷擊等擾動時，電涌保護(hù)啟動，及時保護(hù)系統(tǒng)不受涌動影響。三是其他保護(hù)，匯流箱作為一級回流設(shè)備，還可以根據(jù)項目需求配置多種保護(hù)方案。

2.2.3 逆變器保護(hù)配置

并網(wǎng)逆變器主要通過三相橋式變換器，將光伏陣列輸出直流電壓變換為高頻的三相斬波電壓，并通過濾波器濾波變成正弦波電壓并入電網(wǎng)發(fā)電。配置的主要保護(hù)有極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、孤島效應(yīng)保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)、接地故障保護(hù)以及數(shù)據(jù)處理器（Digital Signal Processor，DSP）故障保護(hù)等。

2.2.4 箱式升壓變保護(hù)配置

箱式變的主要功能是將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的低壓電就地升壓，然后輸送至升壓站并入電網(wǎng)。箱變通常需要具備保護(hù)功能有瓦斯保護(hù)、溫升保護(hù)以及壓力釋放保護(hù)等。

2.2.5 集電線路保護(hù)配置

集電線路作為光伏電站發(fā)電系統(tǒng)電能高壓輸送的主要通道，鑒于集電線路常出現(xiàn)的故障，需具配置有電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)以及零序過流保護(hù)。

該節(jié)主要針對大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控和保護(hù)分層分區(qū)劃分和功能配置進(jìn)行了應(yīng)用分析，但是大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行還需要智能監(jiān)控與保護(hù)的有機(jī)協(xié)同運作。

3 分層智能監(jiān)控系統(tǒng)與分區(qū)保護(hù)協(xié)同應(yīng)用

大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控和保護(hù)分層分區(qū)應(yīng)各自獨立又能緊密協(xié)作，且要求響應(yīng)時間和動作順序各不相同，從而導(dǎo)致了整個系統(tǒng)有機(jī)協(xié)同聯(lián)動的復(fù)雜性。

3.1 智能監(jiān)控與保護(hù)協(xié)同原理

大型光伏發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)運行時，往往因光照、電網(wǎng)波動以及設(shè)備故障等因素遭受到抗擾，影響正常運行，嚴(yán)重干擾系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此，合理配置智能監(jiān)控和保護(hù)能有效的消除抗擾，抑制事故的擴(kuò)大發(fā)生。智能監(jiān)控與保護(hù)的協(xié)同運作主要宗旨如下，一是監(jiān)測運行狀況，對預(yù)知將發(fā)生的抗擾，提前預(yù)備響應(yīng)措施，減少損失。二是發(fā)生突發(fā)性小抗擾時，可通過監(jiān)控與保護(hù)的協(xié)同配合，抑制或消除，保障系統(tǒng)運行在正常區(qū)間。三是發(fā)生突發(fā)性大抗擾時，智能監(jiān)控與多保護(hù)協(xié)同運作，通過必要的措施切除抗擾源，保障系統(tǒng)安全，減少損失。

3.2 基本協(xié)同應(yīng)用

根據(jù)大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的功能需求，智能監(jiān)控與保護(hù)配置的協(xié)同運作主要體現(xiàn)在監(jiān)測與監(jiān)控之間的協(xié)同、監(jiān)控與保護(hù)之間的協(xié)同、保護(hù)與保護(hù)之間的協(xié)同、分層分區(qū)內(nèi)部監(jiān)測與監(jiān)控、監(jiān)控與保護(hù)、保護(hù)與保護(hù)的協(xié)同運作以及不同分層分區(qū)之間的協(xié)同運作。

3.2.1 監(jiān)測與監(jiān)控協(xié)同

大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)原理分為直流系統(tǒng)層、逆變升壓匯集間隔層以及場站系統(tǒng)層3層。其中直流系統(tǒng)層的監(jiān)控功能主要包括組件與組串單元信息采集、匯流箱信息采集、逆變器信息采集以及控制本層匯流箱和逆變器的運行與切斷，并接收和執(zhí)行逆變升壓匯集間隔層的控制指令。逆變升壓匯集間隔層監(jiān)控功能主要包括協(xié)同監(jiān)控直流系統(tǒng)層和接收場站系統(tǒng)層的控制指令。場站系統(tǒng)層監(jiān)控功能主要包括協(xié)同監(jiān)控各分層級運作，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，監(jiān)測控制逆變器完成并網(wǎng)監(jiān)控。大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)協(xié)同運作流程如圖2所示。

圖2 大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)協(xié)同運作流程

3.2.2 監(jiān)控與保護(hù)協(xié)同

監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)功能的協(xié)同運作是大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)抑制和消除故障的主要途徑。主要表現(xiàn)在突發(fā)性抗擾發(fā)生時，監(jiān)控系統(tǒng)及時響應(yīng)，起到消除和抑制作用，抗擾消除后起到恢復(fù)穩(wěn)定運行作用。應(yīng)對嚴(yán)重影響運行的大抗擾時，保護(hù)快速動作，切斷故障源，保障系統(tǒng)的安全可靠性。光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)配置相互協(xié)同運作，它們之間遵循“監(jiān)控優(yōu)先，控保協(xié)同”的原則。原則上不對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響的小抗擾，通過監(jiān)控直流系統(tǒng)層和匯集間隔層抑制消除抗擾，大抗擾發(fā)生危害到系統(tǒng)安全穩(wěn)定性時，監(jiān)控系統(tǒng)通過各層配合運作減小擾動危害，必要時啟動保護(hù)功能切除故障源，防止危害進(jìn)一步延伸?？箶_消除后，采取必要的監(jiān)控恢復(fù)功能，保障系統(tǒng)恢復(fù)正常運行狀況。

3.2.3 保護(hù)與保護(hù)協(xié)同

保護(hù)與保護(hù)協(xié)同主要是指光伏發(fā)電系統(tǒng)的主保護(hù)與后備保護(hù)協(xié)同運作和不同分區(qū)之間的保護(hù)協(xié)同運作。當(dāng)抗擾發(fā)生并影響到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行時，近端主保護(hù)首先動作，再啟動本區(qū)的近后備保護(hù)。

4 結(jié) 論

大型光伏發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控與保護(hù)協(xié)同運作應(yīng)用是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的可靠保障?；驹硎潜O(jiān)測與監(jiān)控、監(jiān)控與保護(hù)以及保護(hù)與保護(hù)之間相互配合協(xié)作，有序運作，使得發(fā)電系統(tǒng)在抵抗抗擾和消除異動時，突出保障系統(tǒng)安全，抑制故障延伸，減少損失。

根據(jù)大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)的運行應(yīng)用需求，綜合分析了監(jiān)控與保護(hù)分層分區(qū)的合理性，考慮監(jiān)控與保護(hù)功能的相互協(xié)同運作，配置相應(yīng)的監(jiān)控和保護(hù)裝置，實現(xiàn)了分層分區(qū)監(jiān)保交互運作，監(jiān)控優(yōu)先，控保協(xié)同。