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科技論文

光伏直流發(fā)電系統(tǒng)原理

1、光伏直流發(fā)電系統(tǒng)原理


太陽能電池組件是通過光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電能的組件,是光伏電站的核心組件。太陽能電池組件通過合理連接形成電站所需的太陽能電池方陣,并與逆變器形成直流發(fā)電單元。大型光伏并網(wǎng)電站由多個(gè)光伏發(fā)電單元系統(tǒng)組成,每個(gè)發(fā)電單元為1MWP。直流發(fā)電系統(tǒng)是指從太陽能電池方陣到逆變器直流側(cè)的電氣系統(tǒng),包括太陽能電池組件、匯流箱、直流配電柜和逆變器。


2、分層分區(qū)光伏電站控保配置思路


控制和保護(hù)是保證光伏電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的兩種重要手段。系統(tǒng)的干擾可分為小干擾和大干擾。小干擾通常是系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)附近的小范圍波動(dòng)。造成小干擾的主要外部因素包括太陽輻射強(qiáng)度、溫度、負(fù)荷或線路參數(shù)的波動(dòng),以及運(yùn)行環(huán)境變化引起的設(shè)備內(nèi)部元件的溫度漂移;小干擾通常可以通過系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)來抑制和消除。當(dāng)控制系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定時(shí),系統(tǒng)通常受到小干擾的影響而不穩(wěn)定。大干擾通常是破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)外干擾,通常包括嚴(yán)重的內(nèi)外故障;當(dāng)發(fā)生大干擾時(shí),采用控制系統(tǒng)的緊急控制手段,如緊急無功功率控制和緊急限流控制,以穩(wěn)定干擾。當(dāng)應(yīng)急控制手段不能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的內(nèi)外功率將繼續(xù)惡化,從而引起保護(hù)動(dòng)作,確保系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。


配置大型光伏電站控制保護(hù)方案時(shí),應(yīng)按照分層分區(qū)的思路進(jìn)行配置。在分區(qū)配置中,系統(tǒng)應(yīng)分為多個(gè)運(yùn)行單元,不同的單元應(yīng)能夠獨(dú)立運(yùn)行,使部分運(yùn)行單元出現(xiàn)故障時(shí),可以斷開連接,其他運(yùn)行單元也可以正常運(yùn)行。在分層配置方面,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的分層關(guān)系劃分不同的層次,可根據(jù)電站級(jí)、機(jī)組級(jí)、設(shè)備級(jí)、部件級(jí)的分層關(guān)系進(jìn)行配置。首先,通過控制變流器,重點(diǎn)提高變流器的可靠性和穩(wěn)定性,提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次,應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中各設(shè)備和路線的大干擾保護(hù),包括發(fā)電機(jī)組的保護(hù)。最后,要有效監(jiān)控各部件的實(shí)際運(yùn)行狀況和穩(wěn)定性,將分級(jí)監(jiān)控與分級(jí)調(diào)整相結(jié)合。


3、光伏電站保護(hù)配置方案


3.1匯流箱保護(hù)

光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。單個(gè)光伏電池是光伏部件中最小的結(jié)構(gòu)單元,電壓約為0.5伏。為了獲得并網(wǎng)電壓,多個(gè)光伏電池串并聯(lián)形成光伏組件;多個(gè)光伏組件并聯(lián)到匯流箱中,形成電流。結(jié)合匯流箱的匯流特點(diǎn),匯流箱內(nèi)各單元應(yīng)配備熔斷器,匯流箱后面配置直流斷路器。如圖1所示,基本保護(hù)配置如下:

3.1.1逆功率保護(hù)

多路光伏陣列電流流入?yún)R流箱后,形成大電流。當(dāng)設(shè)備中存在電流回流時(shí),逆功率保護(hù)可以有效地防止大電流流入光伏組件,然后損壞部件。

3.1.2過流保護(hù)

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)外部故障時(shí),直流斷路器斷開,能在一定程度上有效保護(hù)光伏模塊。

3.1.3電涌保護(hù)

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)受到雷擊或其他動(dòng)作時(shí),設(shè)備會(huì)產(chǎn)生劇烈的脈沖。因此,電涌保護(hù)器又稱避雷器,可以在一定程度上保護(hù)設(shè)備免受電涌的損壞。匯流箱保護(hù)的保護(hù)配置方法很多,但應(yīng)配備上述基本保護(hù)。在應(yīng)用過程中,可根據(jù)具體設(shè)備的需要配置相應(yīng)的保護(hù)。

3.2換流器保護(hù)

3.2.1變流器基本保護(hù)

DC/DC和DC/AC兩種換流器,要想發(fā)揮其最大功能,就需要保證IGBT等電力電子元件的正常工作。然而,由于電子元件在應(yīng)用過程中容易受到過流和過壓條件的影響,特別是極限的限制,逆變器在耐過流和耐過壓極限的影響下不能長期異常運(yùn)行,對(duì)交直流側(cè)的電壓和電流水平有較高的要求。基于此,可采取以下基本保護(hù)措施:(1)過壓和欠壓保護(hù)。當(dāng)變流器承受過電壓時(shí),會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致部件老化,嚴(yán)重時(shí)電流會(huì)擊穿電子設(shè)備,導(dǎo)致設(shè)備短路等故障。而欠壓也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器輸出電壓不穩(wěn)定。因此,要保證換流器的正常運(yùn)行,不僅要保護(hù)過電壓,還要保護(hù)欠壓,保證換流器的工作效果,延長換流器的使用壽命。(2)過電流保護(hù)。一旦發(fā)生故障,將導(dǎo)致?lián)Q流器功率的快速增加,同時(shí)增加換流器損壞的可能性,難以保證換流器的正常運(yùn)行,降低換流器的使用壽命。在此基礎(chǔ)上,要合理采用過電流保護(hù),保證換流器的正常運(yùn)行,有效促進(jìn)換流器的使用和使用壽命的延長。(3)過熱保護(hù)。溫度是轉(zhuǎn)爐正常工作的重要指標(biāo)溫度,設(shè)備溫度會(huì)使轉(zhuǎn)換器部件損耗。通過科學(xué)設(shè)置冷卻裝置,對(duì)換流器進(jìn)行合理的過熱保護(hù),不僅可以保證變頻器在使用中能夠保持在正常溫度范圍內(nèi),還可以保證換流器能夠正常運(yùn)行的環(huán)境和條件。


3.2.2DC/DC升壓換流器保護(hù)

DC/DC升壓換流器在光伏電站直流升壓采集接入系統(tǒng)中承擔(dān)著重要任務(wù),其中DC/DC升壓換流器的高升壓比直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。目前,在DC/DC升壓換流器的應(yīng)用中,為了保證高升壓比,可以科學(xué)選擇隔離DC/DC升壓換流器。在傳統(tǒng)電力變壓器的基礎(chǔ)上,大大降低了諧波、直流偏磁等因素的影響。因此,DC/DC升壓換流器的保護(hù)不僅要進(jìn)行過壓保護(hù)和過流保護(hù),還要積極采取以下保護(hù)措施:(1)在換流變壓器的保護(hù)中,差動(dòng)保護(hù)是主要的保護(hù)措施,其工作原理與傳統(tǒng)變壓器一致。(2)過度勵(lì)磁保護(hù)。勵(lì)磁電流的變化會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的運(yùn)行狀態(tài),尤其是勵(lì)磁電流過大,可能導(dǎo)致溫升和振動(dòng)等問題。因此,要保證換流變壓器的正常生產(chǎn),就要積極采用過度勵(lì)磁保護(hù)作為后備保護(hù)手段。

3.2.3DC/AC換流器保護(hù)

并網(wǎng)內(nèi),DC/AC換流器直接與DC和交流設(shè)備連接,然后控制電網(wǎng)工作。所以,DC/AC換流器除了具備換流器的基本保護(hù)外,還需要以下保護(hù)措施:(1)頻率保護(hù)。當(dāng)大型光伏電站的直流升壓與整個(gè)系統(tǒng)相連時(shí),如果出現(xiàn)過頻,會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響,導(dǎo)致系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性大大降低,頻率保護(hù)可以有效防止這種情況的發(fā)生。因此,要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的科學(xué)性和可靠性,就要積極采取頻率保護(hù)措施。(2)相序保護(hù)。當(dāng)光伏電站的直流升壓接入實(shí)際系統(tǒng)時(shí),相序應(yīng)與電網(wǎng)系統(tǒng)保持統(tǒng)一,相序保護(hù)可以保證相序的一致性,避免并網(wǎng)失敗。(3)防孤島保護(hù)。如果大型光伏電站的直流升壓收集接入系統(tǒng)在發(fā)生故障后仍向電網(wǎng)供電,就會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)的出現(xiàn)會(huì)威脅到電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。如果對(duì)孤島進(jìn)行防護(hù),可以在孤島效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)斷開收集接入系統(tǒng)和電網(wǎng),停止供電,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3直流側(cè)短路保護(hù)

3.3.太陽能電池串單極接地接地

直流系統(tǒng)實(shí)際上不接地,所以單極接地不會(huì)產(chǎn)生電流。因此,匯流箱中的直流斷路器、熔斷器和配電箱中的直流斷路器不會(huì)工作,但逆變器會(huì)報(bào)告系統(tǒng)故障,然后停止工作。

3.3.太陽能電池組串正負(fù)極短路

如果電纜橋架箱密封松動(dòng),電纜被老鼠咬傷或施工造成電纜絕緣層損壞,可能導(dǎo)致正負(fù)極短路。熔斷器的熔斷電流較小,所以當(dāng)高電流流過時(shí),匯流箱中的熔斷器會(huì)熔斷,但由于額定值較大,直流斷路器不會(huì)被觸發(fā)。這導(dǎo)致如果存在接地串的短路電流,就會(huì)有電弧。一旦與其他串燒結(jié),就會(huì)引起一系列短路,串的熔斷器就會(huì)相繼熔斷。綜上所述,當(dāng)系統(tǒng)有光時(shí),設(shè)備總是有短路點(diǎn),串電纜會(huì)受到短路等原因的影響,使設(shè)備溫度過高,進(jìn)而引起火災(zāi)。


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