大型光伏電站發電系統智能化監控與保護協同的應用分析

劉建發

（湖南動力源電力勘測設計有限公司，湖南 長沙 410021）

0 引 言

隨著人類社會的進步，能源的需求與日俱增，傳統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，造成了嚴重的環境污染問題，因此綠色環保清潔能源的應用推廣越來越迫切[1-3]。光伏發電作為綠色環保清潔能源的典型代表，其應用技術近些年得到迅速發展[4]。目前市場主流的光伏發電應用技術主要存在兩種形式，一種是裝機規模較小的分布式光伏電站，通常采用低壓接入就地消納，另一種是裝機規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[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、環保效益顯著以及電網接入簡潔單一的優勢，更便于電網的統一調度和運行管理。因此，大型光伏電站的建設與投運對電網能源結構和生態環境保護具有十分重要的意義。

目前，大型集中式光伏電站發電系統運行過程中普遍涉及的問題有3點，一是多設備并聯運行的弱穩定性問題凸顯，二是多數據匯集與分區分層梳理難，三是頻率震蕩畸變頻發引起的電能質量差。隨著智能化監控和保護技術的發展和逐步完善，很多問題得到了化解，越來越適用于大型光伏發電站的應用和推廣[7,8]。

大型集中式光伏電站智能化監控與保護系統，將有效監控電站運行狀況，并及時處理發生的故障，為電站電能的穩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電系統，充分利用分析了智能監控和保護系統的分層分區以及智能化監控和保護系統的配置原則，并分析了智能監控系統與保護的協同運作機制[10]。

1 大型光伏電站發電系統

目前，大型光伏電站發電系統的結構形式有多種多樣，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，組串并聯接入直流匯流箱，匯流箱輸出并聯接入集中式逆變器直流側，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，組串并聯接入不同的MPPT模塊逆變成交流，逆變器輸出并聯接入箱變低壓側就地升壓。

大型光伏電站發電系統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，并穩定輸出電壓。逆變器輸出經升壓變就地升壓后將電壓提升至35 kV，各個發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。

大型光伏發電站發電系統如圖1所示，其中電氣設備電子原件眾多，因而智能化變電站的相關監控和保護方法難以適用于大型光伏電站發電系統。為應對大型光伏發電站的智能化應用要求，提出相應的監控與保護方案，保障電站的可靠性，安全穩定的運行十分必要[11]。

圖1 大型光伏電站發電系統示意圖

2 監控保護分層分區的配置方案

光伏電站發電系統的智能監控和保護的配置是為保障系統的可靠性，在安全的環境下穩定地向電網輸送電能。大型光伏發電系統在運行過程中因光照、電網波動以及設備故障等因素，經常遭受到抗擾。大型光伏發電系統智能監控系統和保護裝置的配置，一方面通過監控發電系統的實時運行狀況，分析健康狀況并預測可能出現的故障予以提前規避和消除，并充分發揮電氣設備尤其是逆變器核心部件的控制功能提高發電系統前端的安全穩定性。另一方面，當遇到突發性大故障抗擾時，發電系統的智能監控系統和各個環節的保護設備即能獨立運行，又能相互協調合作，有效躲避或減少發電系統的損失。

2.1 智能監控保護系統的分區分層原則

2.1.1 智能監控系統的分區原則

通常大型光伏發電站發電系統相對集中，發電系統的運行狀態數據容易采集，通信方式也更加靈活方便，從而為大型光伏電站發電系統的分區分層提供了清晰的界面和便捷性。從系統組成和運行角度出發，智能監控系統包含局部數據采集檢測和監控、全局數據檢測與監控，層次分明，因此按照光伏發電系統運行功能需求，可將系統分為直流系統層、逆變升壓匯集層以及場站系統層。各層都具有對應的獨立監控功能和保護功能，又能相互協同配合。

直流系統層用于信息的數據采集、監測與保護。當發生外部抗擾時，通過監測采集的異動數據判別需要啟動保護或其他措施，層級保護包括主動保護和后備保護。逆變升壓匯集間隔層根據該層的運行功能，監控與保護主要在于實現故障識別、數據采集以及后備保護等功能，層級保護主要有后備保護。場站系統層是面向多個發電單元的整個光伏發電系統的監控層，根據發電系統單元的全局信息，主要實現穩定性監控、并網保護以及故障穿越等功能。

2.1.2 保護分區原則

保護分區為了保護功能實時正確地實現其功能，在需要保護功能啟動時，快速響應并能將損失降到最小。劃分分區應遵循以下原則，一是保護分區需涵蓋整個光伏電站發電系統，確保各種擾動引起各位置的故障得到及時可靠的切除。二是上下級保護區和相鄰間保護區相互協調，有協調功能，又有相對獨立性。三是在關鍵保護區內設置有調控裝置，可實現遠程切除功能。

2.2 保護配置

大型光伏電站發電系統保護的配置，應根據項目建設特點和主設備選擇要求，并充分預判可能存在或發生的故障特征，配置相關的保護裝置。

2.2.1 光伏組串保護配置

光伏電站的發電主要是基于太陽能電池的光生伏打效應。太陽光線照射在太陽能電池片轉換為清潔電能，每塊光伏組件的開路電壓約45 V，通過多塊組件相互串聯，極端低溫下光伏串開路電壓不高于1 500 V。光伏組件應具備有以下保護：一是過流保護，當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，當發生逆流擾動故障時，組件接線盒配置防反二極管配合組串接入的熔斷器執行逆流保護。

2.2.2 匯流箱保護配置

匯流箱作為光伏組串輸出的直流電能一級回流設備，將多路組串電流匯集一路輸出，根據其工作特點應具備有以下保護。一是過流保護，當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，保護上下級損失進一步擴延。二是電涌保護，當遇到瞬時電壓升高或雷擊等擾動時，電涌保護啟動，及時保護系統不受涌動影響。三是其他保護，匯流箱作為一級回流設備，還可以根據項目需求配置多種保護方案。

2.2.3 逆變器保護配置

并網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發電。配置的主要保護有極性反接保護、短路保護、孤島效應保護、過熱保護、過載保護、接地故障保護以及數據處理器（Digital Signal Processor，DSP）故障保護等。

2.2.4 箱式升壓變保護配置

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

2.2.5 集電線路保護配置

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

該節主要針對大型光伏電站發電系統的智能監控和保護分層分區劃分和功能配置進行了應用分析，但是大型光伏電站發電系統的安全穩定運行還需要智能監控與保護的有機協同運作。

3 分層智能監控系統與分區保護協同應用

大型光伏電站發電系統的智能監控和保護分層分區應各自獨立又能緊密協作，且要求響應時間和動作順序各不相同，從而導致了整個系統有機協同聯動的復雜性。

3.1 智能監控與保護協同原理

大型光伏發電站發電系統運行時，往往因光照、電網波動以及設備故障等因素遭受到抗擾，影響正常運行，嚴重干擾系統的安全穩定性。因此，合理配置智能監控和保護能有效的消除抗擾，抑制事故的擴大發生。智能監控與保護的協同運作主要宗旨如下，一是監測運行狀況，對預知將發生的抗擾，提前預備響應措施，減少損失。二是發生突發性小抗擾時，可通過監控與保護的協同配合，抑制或消除，保障系統運行在正常區間。三是發生突發性大抗擾時，智能監控與多保護協同運作，通過必要的措施切除抗擾源，保障系統安全，減少損失。

3.2 基本協同應用

根據大型光伏電站發電系統的功能需求，智能監控與保護配置的協同運作主要體現在監測與監控之間的協同、監控與保護之間的協同、保護與保護之間的協同、分層分區內部監測與監控、監控與保護、保護與保護的協同運作以及不同分層分區之間的協同運作。

3.2.1 監測與監控協同

大型光伏電站發電系統根據系統原理分為直流系統層、逆變升壓匯集間隔層以及場站系統層3層。其中直流系統層的監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控功能主要包括協同監控直流系統層和接收場站系統層的控制指令。場站系統層監控功能主要包括協同監控各分層級運作，保障系統的安全穩定，監測控制逆變器完成并網監控。大型光伏電站發電系統監控和保護協同運作流程如圖2所示。

圖2 大型光伏電站發電系統監控和保護協同運作流程

3.2.2 監控與保護協同

監控系統與保護功能的協同運作是大型光伏電站發電系統抑制和消除故障的主要途徑。主要表現在突發性抗擾發生時，監控系統及時響應，起到消除和抑制作用，抗擾消除后起到恢復穩定運行作用。應對嚴重影響運行的大抗擾時，保護快速動作，切斷故障源，保障系統的安全可靠性。光伏發電系統的安全穩定運行，需要監控系統與保護配置相互協同運作，它們之間遵循“監控優先，控保協同”的原則。原則上不對系統安全穩定性產生較大影響的小抗擾，通過監控直流系統層和匯集間隔層抑制消除抗擾，大抗擾發生危害到系統安全穩定性時，監控系統通過各層配合運作減小擾動危害，必要時啟動保護功能切除故障源，防止危害進一步延伸。抗擾消除后，采取必要的監控恢復功能，保障系統恢復正常運行狀況。

3.2.3 保護與保護協同

保護與保護協同主要是指光伏發電系統的主保護與后備保護協同運作和不同分區之間的保護協同運作。當抗擾發生并影響到系統安全穩定運行時，近端主保護首先動作，再啟動本區的近后備保護。

4 結 論

大型光伏發電站發電系統的智能監控與保護協同運作應用是系統安全穩定運行的可靠保障。基本原理是監測與監控、監控與保護以及保護與保護之間相互配合協作，有序運作，使得發電系統在抵抗抗擾和消除異動時，突出保障系統安全，抑制故障延伸，減少損失。

根據大型光伏電站發電系統的運行應用需求，綜合分析了監控與保護分層分區的合理性，考慮監控與保護功能的相互協同運作，配置相應的監控和保護裝置，實現了分層分區監保交互運作，監控優先，控保協同。