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)。
