太陽能發(fā)電——光伏逆變器的短路特征

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前言
短路故障相對于其他故障類型來說是比較常見的，不同的設(shè)備的短路故障，大了講都一樣，細(xì)了說各有千秋，今天我們主要聊聊光伏逆變器的短路特征。

電力系統(tǒng)中的電源，傳統(tǒng)意義是指的是并入電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)。但隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，各種形式的發(fā)電裝置并入電力系統(tǒng)。按照分布式電源并網(wǎng)的方式，我們大致可以分為以下三類：

?通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變流器并聯(lián)并網(wǎng)的電源，主要指雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；

?僅僅通過變流器并網(wǎng)的電源，主要包括直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等；

?僅僅通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)并網(wǎng)的電源，主要是小型的同步發(fā)電機(jī)，常見的為快速響應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組。

接下來，我們主要聊到的是屬于第二類的光伏系統(tǒng)中逆變器的短路特性。

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控制方式和特性
光伏逆變器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

光伏逆變器的主要控制方法主要有：PI 控制、滯環(huán)控制、雙閉環(huán)控制、空間矢量 PWM 控制、無差拍控制、重復(fù)控制、比例諧振控制等等。其中，在并網(wǎng)光伏逆變器中，較為成熟使用較多的當(dāng)屬電流型控制方式，一般采用雙閉環(huán)控制。
在雙閉環(huán)控制中，電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)控制，一方面控制逆變器直流側(cè)輸出電壓 Udc 跟蹤電壓給定值 Udcref；另一方面通過 PI 調(diào)節(jié)器得到有功輸入電流分量的參考值 id*和無功電流分量的參考值 iq*。電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制。

光伏系統(tǒng)的短路故障特性主要取決于其控制方式的特點(diǎn)，為了保證在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時的短路電流不超過逆變器的限定值，一般會在控制回路中的電流內(nèi)環(huán)加入飽和模塊。當(dāng)發(fā)生故障時，內(nèi)環(huán)參考電流將受到限制，通過設(shè)置飽和模塊的上限，從而使得故障電流限制在允許得范圍內(nèi)，一般短路電流限制在額定電流得 1.2~1.5 倍。當(dāng)飽和模塊失效時，雙環(huán)控制系統(tǒng)得外環(huán)控制會失效，系統(tǒng)變?yōu)榧冸娏骺刂啤?/p>

系統(tǒng)發(fā)生短路時，逆變器的輸出有兩種情況：

①飽和模塊不生效

遠(yuǎn)端故障時，系統(tǒng)的功率外環(huán)控制起決定性作用，有功電流增大，增大后的電流幅值在限幅門檻之內(nèi)，所以此時的故障特性和負(fù)荷突然增加的響應(yīng)式一致的，經(jīng)過一個短暫的過渡過程，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，此時的輸出功率仍然等于故障發(fā)生前的輸出功率，系統(tǒng)相當(dāng)于一個等功率源。

②飽和模塊生效

近端故障時，由于端口電壓降低，此時按照等功率源計算的話，為了保持功率不變，將輸出較大電流；如果輸出電流超過了逆變器的限制，電壓外環(huán)將失去作用，雙環(huán)控制變成純電流控制。由于電流飽和控制模塊在很短時間內(nèi)便能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后電網(wǎng)擾動電壓消失，光伏系統(tǒng)的輸出電流值和電流飽和模塊的設(shè)定值相等。

上述兩種情況，故障發(fā)生后都會存在一個短暫的過渡過程，此過程中可能會產(chǎn)生一定量的諧波，過程的時間長短主要取決于系統(tǒng)直流側(cè)電容的大小、雙環(huán)控制中外環(huán)控制的參數(shù)、直流側(cè)輸入功率等因素。

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不同故障時的特點(diǎn)
下面我們來看下，升壓變高壓側(cè)三相故障、升壓變低壓側(cè)三相故障、相間故障和單相故障時的逆變器輸出特征。故障前逆變器輸出正序電流均為 276A，沒有零序和負(fù)序電流。

①升壓變高壓側(cè)三相故障

發(fā)生此故障時，低壓側(cè)電流電壓波形如下圖所示：

故障過程中存在 10ms 的過渡過程，過程結(jié)束后，電流和電壓趨于穩(wěn)定，逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為 544A，功率方向為正方向。

②升壓變低壓側(cè)三相故障

發(fā)生此故障時，低壓側(cè)電流電壓波形如下圖所示：

同樣存在 10ms 的過渡過程，過程結(jié)束后，電流電壓趨于穩(wěn)定，逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為 549A，功率方向為正。故障電流和升壓變高壓側(cè)三相故障基本相同。

③升壓變低壓側(cè)兩相間故障

發(fā)生此故障時，低壓側(cè)電流電壓波形如下圖所示：

10ms 的過渡過程，該段時間內(nèi)基波幅值不穩(wěn)定。過渡結(jié)束后，電流和電壓的基波幅值趨于穩(wěn)定；逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為 560A，功率方向為正。非故障相電流和故障相電流幅值基本相同，穩(wěn)定后無零序和負(fù)序分量。

④低壓側(cè)單相故障

發(fā)生此故障時，低壓側(cè)電流電壓波形如下圖所示：

故障過程 20ms 電流基波幅值不穩(wěn)定，之后基本穩(wěn)定；故障 100ms 后逆變器穩(wěn)定輸出的正序電流為 445A，功率方向為正，故障電流略小于升壓變高壓側(cè)三相故障時的電流。非故障相電流和故障相電流幅值基本相同，穩(wěn)定后沒有零序和負(fù)序分量。

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概括
光伏逆變器的短路故障特征主要有：

①無論何種類型故障，逆變器的輸出功率方向能正確反映故障特征；

②故障過程中存在較短的過渡過程，該過程中存在一定的諧波分量；

③過渡過程中的時間以及峰值的影響因素很多，包括直流側(cè)電容、功率外環(huán)參數(shù)、輸入功率大小等；

④在電網(wǎng)對稱和不對稱的故障情況下，逆變器均只輸出正序電流，沒有零序和負(fù)序電流。故障過程中，無論是單相故障、兩相故障或者三相故障，三相電流差別不大，無法通過電流選擇故障相別；

⑤由于逆變器中限幅作用的影響，無法通過電流大小來區(qū)別故障發(fā)生的遠(yuǎn)近。