直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法技术

本发明专利技术属于光伏电站并网发电技术领域，尤其涉及一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。

Fault Coordination Control and Protection Method for Output Line of DC Boost Convergent Photovoltaic Power Station

The invention belongs to the technical field of grid-connected photovoltaic power generation, in particular relates to a coordinated control and protection method for outgoing line faults of DC step-up and centralized photovoltaic power station, which includes the following steps: 1. adopting coordinated control between cascaded DC transformers in the station and grid-connected converters to maintain the DC bus voltage within the safe margin during the outgoing line fault period; 2. When the outgoing line faults occur, the DC bus voltage is transmitted. When a short-circuit fault occurs, the fundamental frequency measurement impedance of the distance protection on the grid-connected converter side is divided into two parts: the line impedance component which truly reflects the fault point to the protection installation and the measurement impedance error component caused by the fault transition resistance; Step 3: The traditional fundamental frequency measurement impedance is replaced by the multi-frequency measurement impedance to weaken the measurement impedance caused by the fault transition resistance. The anti-error component makes the multi-frequency measurement impedance of the distance protection on the grid-connected converter side reflect the fault distance truly, and ensures the fast and reliable operation when the fault occurs on the transmission line.

【技术实现步骤摘要】
直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法
本专利技术属于光伏电站并网发电
，尤其涉及一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法。
技术介绍
进入新世纪以来，随着资源与环境矛盾的日益突出，开发利用太阳能等可再生能源成为人类实现可持续发展的必由之路。传统光伏电站广泛采用分散逆变、经交流母线或柔直集中并网的形式，一方面拓扑结构较为复杂，另一方面因多级功率变换所引起的损耗也较大。近年来，随着DC/DC变换技术的发展，直流升压汇集式光伏电站以其优异的功率传输性能受到了国内外学者的广泛关注。我国2013年起新执行的《光伏发电站接入电力系统技术规定》(GB/T19964-2012)明确要求光伏电站应当具备低电压穿越能力，然而由于直流升压汇集式光伏电站在拓扑结构和控制方式上与传统光伏电站有着巨大差异，当交流送出线路发生故障时其故障特性与传统光伏电站相比明显不同，主要体现在以下两方面：1)对直流升压汇集式光伏电站而言，场站交流送出线路发生故障会造成站内直流母线电压迅速上升并严重超过其安全限值；2)由于直流升压汇集式光伏电站并网换流器短路电流幅值受限，场站送出线路所配220kV工频量距离保护性能将发生严重劣化，进而威胁到整个系统的安全运行。目前相关文献主要围绕新能源柔直并网系统在送出线路故障时的控制、保护策略展开研究，对直流升压汇集式光伏电站在送出线路发生故障时面临的直流母线电压“陡升超限”和送出线路保护性能劣化问题目前还尚未报道，传统拓扑光伏电站在送出线路故障时的控保策略也无法再适用于新的光伏并网结构，必须针对直流升压汇集式光伏电站在送出线路故障所面临的上述问题研究适宜的系统协调控制保护方案。在保障系统可靠地实现低电压穿越的同时能够快速准确的识别并切除故障线路，确保整个系统安全可靠地运行。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出一种适用于直流升压汇集式光伏电站的送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。所述步骤1具体包括：直流变压器根据直流母线电压大小在定直流母线电压控制和最大功率点跟踪之间进行控制模式切换来保持能量自平衡；并网换流器在交流系统电压跌落时向交流系统施加谐波电流扰动并向受端交流系统注入无功功率。所述并网换流器采用二阶广义积分器SOGI结构来作为锁相环结构以降低因端口电压畸变所引起的基频正序相角提取误差。所述并网换流器基于多同步旋转坐标系下各变量间的耦合关系来设计电流环结构，用于实时准确地提取出电流中所含的基频正序、基频负序以及注入频次谐波分量幅值。所述多倍频量测阻抗使得送出线路发生相间故障时的基频量测阻抗从偏移阻抗圆外落入多倍频偏移阻抗圆内。本专利技术的有益效果：(1)解决了系统由交流送出线路短路故障导致的站内直流母线电压“陡升超限”问题，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内，保障系统可靠进行故障穿越；(2)有效提高了系统送出线路所配距离保护元件的动作性能，保障了系统安全；(3)为基于谐波量测原理的距离保护构造出清晰的动作边界，实现系统控制与保护间的协同。附图说明图1为本专利技术的直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法原理图；图2为直流升压汇集式光伏电站整体拓扑结构示意图；图3为直流升压汇集式光伏电站直流变压器(DCT)内部拓扑结构示意图；图4为本专利技术的直流升压汇集式光伏电站总体控制结构图；图5为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器锁相环结构图；图6为具有故障主动谐波扰动能力的MMC低电压穿越控制器电流环结构图；图7为送出线故障期间站内直流母线电压曲线图；图8为站内直流变压器(DCT)的有功出力曲线图；图9为并网换流器(MMC)注入电网的有功、无功功率均值曲线图；图10为并网换流器(MMC)所施谐波扰动电流的流通路径图；图11交流送出线中点发生BC两相经0.1Ω过渡电阻短路时相间距离保护动作情况示意图；图12交流送出线中点发生BC两相经10Ω过渡电阻短路时相间距离保护动作情况示意图；具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。图1为本专利技术的直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法原理图；本专利技术提出了一种直流升压汇集式光伏电站送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1、针对直流升压汇集式光伏电站由于交流送出线路故障导致站内直流母线电压“陡升超限”问题，设计了站内级联直流变压器(DCT)与并网换流器(MMC)间协调控制策略，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内，保障系统可靠进行故障穿越；步骤2、基于步骤1所提协调控制策略，对系统220kV送出线路距离保护元件的动作性能进行了详尽分析，揭示了传统工频量距离保护在新场景下的性能劣化机理；步骤3、针对系统控制策略影响送出线路距离保护动作性能问题，提出由控制策略主动改变系统故障特征，为基于谐波量测原理的距离保护构造出清晰的动作边界，实现系统控制与保护间的协同。图2和图3分别为本专利技术直流升压汇集式光伏电站整体拓扑结构及站内直流变压器(DCT)拓扑结构示意图，直流变压器与并网换流器(MMC)以级联的形式将光伏阵列产生的能量(一般额定容量为1.5MW)送入电网。三台直流变压器之间组成输入并联输出串联(IPOS)结构以进一步提升系统直流母线电压水平(一般额定值为±30kV)。图4为本专利技术的直流升压汇集式光伏电站总体控制结构图，步骤1中直流变压器(DCT)采用能量自平衡控制方式：当DCT自身控制器检测到直流母线电压升高至超过所设限值udcmax后，立即将其控制模式切换为定直流母线电压控制；反之，当控制器检测到直流母线电压低于所设限值udcmin后，重新将其控制模式切换回最大功率跟踪(MPPT)。定直流母线电压控制模式下DCT开环传递函数设置为：式中，k为直流变压器变比；udcref为正常运行时站内直流母线额定电压；udc为直流变压器高压侧输出电压；A为减出力方式系数可取+1或-1；kp为PI控制器比例系数；ki为PI控制器积分系数。当减出力方式系数A＝+1时,站内直流母线电压的升高将使光伏阵列出口电压超过额定运行点造成光伏阵列出力的减少；当减出力方式系数A＝-1时,站内直流母线电压的升高将使光伏阵列出口电压降低至额定运行点以下，从而主动降低光伏阵列出力；并网换流器MMC采用具有故障主动谐波扰动能力的低电压穿越控制：当MMC控制器检测到交流系统电压跌落至额定值的90％以下时，主动向交流系统施加100ms四次谐波电流扰动，供送出线路所配距离保护检测以提高其动作性能。与此同时，为支撑电网电压，并网换流器MMC将向受端交流系统注入无功功率，其无功注入量与交流系统电压跌落程度的关系设置如下：式中，vp为MMC并网点电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于直流升压汇集式光伏电站的送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。

【技术特征摘要】
1.一种适用于直流升压汇集式光伏电站的送出线路故障协调控制保护方法，包括以下步骤：步骤1：采用站内级联直流变压器与并网换流器间协调控制，使直流母线电压在送出线路故障期间维持在安全裕度范围内；步骤2：当送出线路发生相间短路故障时，将并网换流器侧所配距离保护的相间基频测量阻抗拆分成真实反映故障点到保护安装处的线路阻抗分量和由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量；步骤3：采用多倍频量测阻抗代替传统基频量测阻抗，削弱由故障过渡电阻引起的测量阻抗误差分量，从而使并网换流器侧所配距离保护的多倍频量测阻抗能真实反映故障距离，确保在送出线路发生故障时能够快速可靠动作。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：直流变压器根据直流母线电...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾科，宣振文，王聪博，朱瑞，毕天姝，陈金锋，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11