大型光伏电站发电系统智能化监控与保护协同的应用分析

刘建发

（湖南动力源电力勘测设计有限公司，湖南 长沙 410021）

0 引 言

随着人类社会的进步，能源的需求与日俱增，传统石化能源在消耗过程中会排放大量的温室气体和其他污染物，造成了严重的环境污染问题，因此绿色环保清洁能源的应用推广越来越迫切[1-3]。光伏发电作为绿色环保清洁能源的典型代表，其应用技术近些年得到迅速发展[4]。目前市场主流的光伏发电应用技术主要存在两种形式，一种是装机规模较小的分布式光伏电站，通常采用低压接入就地消纳，另一种是装机规模大的集中式光伏电站，通常采用中高压接入全额送入电网[5,6]。相比分布式小型光伏电站，集中式光伏电站具有高度集中、环保效益显著以及电网接入简洁单一的优势，更便于电网的统一调度和运行管理。因此，大型光伏电站的建设与投运对电网能源结构和生态环境保护具有十分重要的意义。

目前，大型集中式光伏电站发电系统运行过程中普遍涉及的问题有3点，一是多设备并联运行的弱稳定性问题凸显，二是多数据汇集与分区分层梳理难，三是频率震荡畸变频发引起的电能质量差。随着智能化监控和保护技术的发展和逐步完善，很多问题得到了化解，越来越适用于大型光伏发电站的应用和推广[7,8]。

大型集中式光伏电站智能化监控与保护系统，将有效监控电站运行状况，并及时处理发生的故障，为电站电能的稳定性输出和安全运行提供了十分重要的保障[9]。本文针对大型光伏电站发电系统，充分利用分析了智能监控和保护系统的分层分区以及智能化监控和保护系统的配置原则，并分析了智能监控系统与保护的协同运作机制[10]。

1 大型光伏电站发电系统

目前，大型光伏电站发电系统的结构形式有多种多样，大致可归类为集中逆变和组串式逆变两种。集中逆变形式中，光伏组件串接形成组串，组串并联接入直流汇流箱，汇流箱输出并联接入集中式逆变器直流侧，逆变交流后输入升压变就地升压。组串式逆变形式中，光伏组件串接形成组串，组串并联接入不同的MPPT模块逆变成交流，逆变器输出并联接入箱变低压侧就地升压。

大型光伏电站发电系统的以上两种主接线方式均由光伏组串和直流传输部分、直流逆变部分以及交流升压部分3部分组串。大型光伏发电站逆变核心部件在于IGBT和MPPT控制，改善输出电能直流，并稳定输出电压。逆变器输出经升压变就地升压后将电压提升至35 kV，各个发电单元输出的高压通过汇集集电线路输送至升压变电站并入电网。

大型光伏发电站发电系统如图1所示，其中电气设备电子原件众多，因而智能化变电站的相关监控和保护方法难以适用于大型光伏电站发电系统。为应对大型光伏发电站的智能化应用要求，提出相应的监控与保护方案，保障电站的可靠性，安全稳定的运行十分必要[11]。

图1 大型光伏电站发电系统示意图

2 监控保护分层分区的配置方案

光伏电站发电系统的智能监控和保护的配置是为保障系统的可靠性，在安全的环境下稳定地向电网输送电能。大型光伏发电系统在运行过程中因光照、电网波动以及设备故障等因素，经常遭受到抗扰。大型光伏发电系统智能监控系统和保护装置的配置，一方面通过监控发电系统的实时运行状况，分析健康状况并预测可能出现的故障予以提前规避和消除，并充分发挥电气设备尤其是逆变器核心部件的控制功能提高发电系统前端的安全稳定性。另一方面，当遇到突发性大故障抗扰时，发电系统的智能监控系统和各个环节的保护设备即能独立运行，又能相互协调合作，有效躲避或减少发电系统的损失。

2.1 智能监控保护系统的分区分层原则

2.1.1 智能监控系统的分区原则

通常大型光伏发电站发电系统相对集中，发电系统的运行状态数据容易采集，通信方式也更加灵活方便，从而为大型光伏电站发电系统的分区分层提供了清晰的界面和便捷性。从系统组成和运行角度出发，智能监控系统包含局部数据采集检测和监控、全局数据检测与监控，层次分明，因此按照光伏发电系统运行功能需求，可将系统分为直流系统层、逆变升压汇集层以及场站系统层。各层都具有对应的独立监控功能和保护功能，又能相互协同配合。

直流系统层用于信息的数据采集、监测与保护。当发生外部抗扰时，通过监测采集的异动数据判别需要启动保护或其他措施，层级保护包括主动保护和后备保护。逆变升压汇集间隔层根据该层的运行功能，监控与保护主要在于实现故障识别、数据采集以及后备保护等功能，层级保护主要有后备保护。场站系统层是面向多个发电单元的整个光伏发电系统的监控层，根据发电系统单元的全局信息，主要实现稳定性监控、并网保护以及故障穿越等功能。

2.1.2 保护分区原则

保护分区为了保护功能实时正确地实现其功能，在需要保护功能启动时，快速响应并能将损失降到最小。划分分区应遵循以下原则，一是保护分区需涵盖整个光伏电站发电系统，确保各种扰动引起各位置的故障得到及时可靠的切除。二是上下级保护区和相邻间保护区相互协调，有协调功能，又有相对独立性。三是在关键保护区内设置有调控装置，可实现远程切除功能。

2.2 保护配置

大型光伏电站发电系统保护的配置，应根据项目建设特点和主设备选择要求，并充分预判可能存在或发生的故障特征，配置相关的保护装置。

2.2.1 光伏组串保护配置

光伏电站的发电主要是基于太阳能电池的光生伏打效应。太阳光线照射在太阳能电池片转换为清洁电能，每块光伏组件的开路电压约45 V，通过多块组件相互串联，极端低温下光伏串开路电压不高于1 500 V。光伏组件应具备有以下保护：一是过流保护，当外部抗扰引起组串过流故障时，组串配置的熔断器切断故障；二是防反保护，当发生逆流扰动故障时，组件接线盒配置防反二极管配合组串接入的熔断器执行逆流保护。

2.2.2 汇流箱保护配置

汇流箱作为光伏组串输出的直流电能一级回流设备，将多路组串电流汇集一路输出，根据其工作特点应具备有以下保护。一是过流保护，当外部抗扰引起过流故障时，配置的直流断路器可及时切断故障，保护上下级损失进一步扩延。二是电涌保护，当遇到瞬时电压升高或雷击等扰动时，电涌保护启动，及时保护系统不受涌动影响。三是其他保护，汇流箱作为一级回流设备，还可以根据项目需求配置多种保护方案。

2.2.3 逆变器保护配置

并网逆变器主要通过三相桥式变换器，将光伏阵列输出直流电压变换为高频的三相斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压并入电网发电。配置的主要保护有极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地故障保护以及数据处理器（Digital Signal Processor，DSP）故障保护等。

2.2.4 箱式升压变保护配置

箱式变的主要功能是将光伏发电系统所发的低压电就地升压，然后输送至升压站并入电网。箱变通常需要具备保护功能有瓦斯保护、温升保护以及压力释放保护等。

2.2.5 集电线路保护配置

集电线路作为光伏电站发电系统电能高压输送的主要通道，鉴于集电线路常出现的故障，需具配置有电流速断保护、过电流保护以及零序过流保护。

该节主要针对大型光伏电站发电系统的智能监控和保护分层分区划分和功能配置进行了应用分析，但是大型光伏电站发电系统的安全稳定运行还需要智能监控与保护的有机协同运作。

3 分层智能监控系统与分区保护协同应用

大型光伏电站发电系统的智能监控和保护分层分区应各自独立又能紧密协作，且要求响应时间和动作顺序各不相同，从而导致了整个系统有机协同联动的复杂性。

3.1 智能监控与保护协同原理

大型光伏发电站发电系统运行时，往往因光照、电网波动以及设备故障等因素遭受到抗扰，影响正常运行，严重干扰系统的安全稳定性。因此，合理配置智能监控和保护能有效的消除抗扰，抑制事故的扩大发生。智能监控与保护的协同运作主要宗旨如下，一是监测运行状况，对预知将发生的抗扰，提前预备响应措施，减少损失。二是发生突发性小抗扰时，可通过监控与保护的协同配合，抑制或消除，保障系统运行在正常区间。三是发生突发性大抗扰时，智能监控与多保护协同运作，通过必要的措施切除抗扰源，保障系统安全，减少损失。

3.2 基本协同应用

根据大型光伏电站发电系统的功能需求，智能监控与保护配置的协同运作主要体现在监测与监控之间的协同、监控与保护之间的协同、保护与保护之间的协同、分层分区内部监测与监控、监控与保护、保护与保护的协同运作以及不同分层分区之间的协同运作。

3.2.1 监测与监控协同

大型光伏电站发电系统根据系统原理分为直流系统层、逆变升压汇集间隔层以及场站系统层3层。其中直流系统层的监控功能主要包括组件与组串单元信息采集、汇流箱信息采集、逆变器信息采集以及控制本层汇流箱和逆变器的运行与切断，并接收和执行逆变升压汇集间隔层的控制指令。逆变升压汇集间隔层监控功能主要包括协同监控直流系统层和接收场站系统层的控制指令。场站系统层监控功能主要包括协同监控各分层级运作，保障系统的安全稳定，监测控制逆变器完成并网监控。大型光伏电站发电系统监控和保护协同运作流程如图2所示。

图2 大型光伏电站发电系统监控和保护协同运作流程

3.2.2 监控与保护协同

监控系统与保护功能的协同运作是大型光伏电站发电系统抑制和消除故障的主要途径。主要表现在突发性抗扰发生时，监控系统及时响应，起到消除和抑制作用，抗扰消除后起到恢复稳定运行作用。应对严重影响运行的大抗扰时，保护快速动作，切断故障源，保障系统的安全可靠性。光伏发电系统的安全稳定运行，需要监控系统与保护配置相互协同运作，它们之间遵循“监控优先，控保协同”的原则。原则上不对系统安全稳定性产生较大影响的小抗扰，通过监控直流系统层和汇集间隔层抑制消除抗扰，大抗扰发生危害到系统安全稳定性时，监控系统通过各层配合运作减小扰动危害，必要时启动保护功能切除故障源，防止危害进一步延伸。抗扰消除后，采取必要的监控恢复功能，保障系统恢复正常运行状况。

3.2.3 保护与保护协同

保护与保护协同主要是指光伏发电系统的主保护与后备保护协同运作和不同分区之间的保护协同运作。当抗扰发生并影响到系统安全稳定运行时，近端主保护首先动作，再启动本区的近后备保护。

4 结 论

大型光伏发电站发电系统的智能监控与保护协同运作应用是系统安全稳定运行的可靠保障。基本原理是监测与监控、监控与保护以及保护与保护之间相互配合协作，有序运作，使得发电系统在抵抗抗扰和消除异动时，突出保障系统安全，抑制故障延伸，减少损失。

根据大型光伏电站发电系统的运行应用需求，综合分析了监控与保护分层分区的合理性，考虑监控与保护功能的相互协同运作，配置相应的监控和保护装置，实现了分层分区监保交互运作，监控优先，控保协同。