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前言

短路故障相对于其他故障类型来说是比较常见的,不同的设备的短路故障,大了讲都一样,细了说各有千秋,今天我们主要聊聊光伏逆变器的短路特征。


电力系统中的电源,传统意义是指的是并入电力系统的同步发电机。但随着分布式发电技术的发展,各种形式的发电装置并入电力系统。按照分布式电源并网的方式,我们大致可以分为以下三类:


➤通过旋转电机和变流器并联并网的电源,主要指双馈风力发电系统;


➤仅仅通过变流器并网的电源,主要包括直驱风力发电系统、光伏发电系统、蓄电池、微型燃气轮机等;


➤仅仅通过旋转电机并网的电源,主要是小型的同步发电机,常见的为快速响应的柴油发电机组。


接下来,我们主要聊到的是属于第二类的光伏系统中逆变器的短路特性。

 

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控制方式和特性

光伏逆变器的典型拓扑结构如下:

 

 

光伏逆变器的主要控制方法主要有:PI 控制、滞环控制、双闭环控制、空间矢量 PWM 控制、无差拍控制、重复控制、比例谐振控制等等。其中,在并网光伏逆变器中,较为成熟使用较多的当属电流型控制方式,一般采用双闭环控制。
在双闭环控制中,电压调节器作为外环控制,一方面控制逆变器直流侧输出电压 Udc 跟踪电压给定值 Udcref;另一方面通过 PI 调节器得到有功输入电流分量的参考值 id*和无功电流分量的参考值 iq*。电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。


光伏系统的短路故障特性主要取决于其控制方式的特点,为了保证在电力系统发生短路时的短路电流不超过逆变器的限定值,一般会在控制回路中的电流内环加入饱和模块。当发生故障时,内环参考电流将受到限制,通过设置饱和模块的上限,从而使得故障电流限制在允许得范围内,一般短路电流限制在额定电流得 1.2~1.5 倍。当饱和模块失效时,双环控制系统得外环控制会失效,系统变为纯电流控制。


系统发生短路时,逆变器的输出有两种情况:


①饱和模块不生效


远端故障时,系统的功率外环控制起决定性作用,有功电流增大,增大后的电流幅值在限幅门槛之内,所以此时的故障特性和负荷突然增加的响应式一致的,经过一个短暂的过渡过程,系统达到新的稳态,此时的输出功率仍然等于故障发生前的输出功率,系统相当于一个等功率源。


②饱和模块生效


近端故障时,由于端口电压降低,此时按照等功率源计算的话,为了保持功率不变,将输出较大电流;如果输出电流超过了逆变器的限制,电压外环将失去作用,双环控制变成纯电流控制。由于电流饱和控制模块在很短时间内便能够达到稳态值,在进入稳态后电网扰动电压消失,光伏系统的输出电流值和电流饱和模块的设定值相等。


上述两种情况,故障发生后都会存在一个短暂的过渡过程,此过程中可能会产生一定量的谐波,过程的时间长短主要取决于系统直流侧电容的大小、双环控制中外环控制的参数、直流侧输入功率等因素。

 

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不同故障时的特点

下面我们来看下,升压变高压侧三相故障、升压变低压侧三相故障、相间故障和单相故障时的逆变器输出特征。故障前逆变器输出正序电流均为 276A,没有零序和负序电流。


①升压变高压侧三相故障


发生此故障时,低压侧电流电压波形如下图所示:

 

 

故障过程中存在 10ms 的过渡过程,过程结束后,电流和电压趋于稳定,逆变器稳定后输出的正序电流为 544A,功率方向为正方向。


②升压变低压侧三相故障


发生此故障时,低压侧电流电压波形如下图所示:

 

 

同样存在 10ms 的过渡过程,过程结束后,电流电压趋于稳定,逆变器稳定后输出的正序电流为 549A,功率方向为正。故障电流和升压变高压侧三相故障基本相同。


③升压变低压侧两相间故障


发生此故障时,低压侧电流电压波形如下图所示:

 

 

10ms 的过渡过程,该段时间内基波幅值不稳定。过渡结束后,电流和电压的基波幅值趋于稳定;逆变器稳定后输出的正序电流为 560A,功率方向为正。非故障相电流和故障相电流幅值基本相同,稳定后无零序和负序分量。


④低压侧单相故障


发生此故障时,低压侧电流电压波形如下图所示:

 

 

故障过程 20ms 电流基波幅值不稳定,之后基本稳定;故障 100ms 后逆变器稳定输出的正序电流为 445A,功率方向为正,故障电流略小于升压变高压侧三相故障时的电流。非故障相电流和故障相电流幅值基本相同,稳定后没有零序和负序分量。

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概括

光伏逆变器的短路故障特征主要有:


①无论何种类型故障,逆变器的输出功率方向能正确反映故障特征;


②故障过程中存在较短的过渡过程,该过程中存在一定的谐波分量;


③过渡过程中的时间以及峰值的影响因素很多,包括直流侧电容、功率外环参数、输入功率大小等;


④在电网对称和不对称的故障情况下,逆变器均只输出正序电流,没有零序和负序电流。故障过程中,无论是单相故障、两相故障或者三相故障,三相电流差别不大,无法通过电流选择故障相别;


⑤由于逆变器中限幅作用的影响,无法通过电流大小来区别故障发生的远近。