【導讀】短路故障相對于其他故障類(lèi)型來(lái)說(shuō)是比較常見(jiàn)的，不同的設備的短路故障，大了講都一樣，細了說(shuō)各有千秋，今天我們主要聊聊光伏逆變器的短路特征。
1、前言
短路故障相對于其他故障類(lèi)型來(lái)說(shuō)是比較常見(jiàn)的，不同的設備的短路故障，大了講都一樣，細了說(shuō)各有千秋，今天我們主要聊聊光伏逆變器的短路特征。
電力系統中的電源，傳統意義是指的是并入電力系統的同步發(fā)電機。但隨著(zhù)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。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(lèi)：
通過(guò)旋轉電機和變流器并聯(lián)并網(wǎng)的電源，主要指雙饋風(fēng)力發(fā)電系統；
僅僅通過(guò)變流器并網(wǎng)的電源，主要包括直驅風(fēng)力發(fā)電系統、光伏發(fā)電系統、蓄電池、微型燃氣輪機等；
僅僅通過(guò)旋轉電機并網(wǎng)的電源，主要是小型的同步發(fā)電機，常見(jiàn)的為快速響應的柴油發(fā)電機組。
接下來(lái)，我們主要聊到的是屬于第二類(lèi)的光伏系統中逆變器的短路特性。
2、控制方式和特性
光伏逆變器的典型拓撲結構如下：
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(wú)差拍控制、重復控制、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，電壓調節器作為外環(huán)控制，一方面控制逆變器直流側輸出電壓Udc跟蹤電壓給定值Udcref；另一方面通過(guò)PI調節器得到有功輸入電流分量的參考值id*和無(wú)功電流分量的參考值iq*。電流內環(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發(fā)生短路時(shí)的短路電流不超過(guò)逆變器的限定值，一般會(huì )在控制回路中的電流內環(huán)加入飽和模塊。當發(fā)生故障時(shí)，內環(huán)參考電流將受到限制，通過(guò)設置飽和模塊的上限，從而使得故障電流限制在允許得范圍內，一般短路電流限制在額定電流得1.2~1.5倍。當飽和模塊失效時(shí)，雙環(huán)控制系統得外環(huán)控制會(huì )失效，系統變?yōu)榧冸娏骺刂啤?/div>
系統發(fā)生短路時(shí)，逆變器的輸出有兩種情況：
①飽和模塊不生效
遠端故障時(shí)，系統的功率外環(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(mén)檻之內，所以此時(shí)的故障特性和負荷突然增加的響應式一致的，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的過(guò)渡過(guò)程，系統達到新的穩態(tài)，此時(shí)的輸出功率仍然等于故障發(fā)生前的輸出功率，系統相當于一個(gè)等功率源。
②飽和模塊生效
近端故障時(shí)，由于端口電壓降低，此時(shí)按照等功率源計算的話(huà)，為了保持功率不變，將輸出較大電流；如果輸出電流超過(guò)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(shí)間內便能夠達到穩態(tài)值，在進(jìn)入穩態(tài)后電網(wǎng)擾動(dòng)電壓消失，光伏系統的輸出電流值和電流飽和模塊的設定值相等。
上述兩種情況，故障發(fā)生后都會(huì )存在一個(gè)短暫的過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中可能會(huì )產(chǎn)生一定量的諧波，過(guò)程的時(shí)間長(cháng)短主要取決于系統直流側電容的大小、雙環(huán)控制中外環(huán)控制的參數、直流側輸入功率等因素。
3、不同故障時(shí)的特點(diǎn)
下面我們來(lái)看下，升壓變高壓側三相故障、升壓變低壓側三相故障、相間故障和單相故障時(shí)的逆變器輸出特征。故障前逆變器輸出正序電流均為276A，沒(méi)有零序和負序電流。
①升壓變高壓側三相故障
發(fā)生此故障時(shí)，低壓側電流電壓波形如下圖所示：
故障過(guò)程中存在10ms的過(guò)渡過(guò)程，過(guò)程結束后，電流和電壓趨于穩定，逆變器穩定后輸出的正序電流為544A，功率方向為正方向。
②升壓變低壓側三相故障
發(fā)生此故障時(shí)，低壓側電流電壓波形如下圖所示：
同樣存在10ms的過(guò)渡過(guò)程，過(guò)程結束后，電流電壓趨于穩定，逆變器穩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三相故障基本相同。
③升壓變低壓側兩相間故障
發(fā)生此故障時(shí)，低壓側電流電壓波形如下圖所示：
10ms的過(guò)渡過(guò)程，該段時(shí)間內基波幅值不穩定。過(guò)渡結束后，電流和電壓的基波幅值趨于穩定；逆變器穩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，穩定后無(wú)零序和負序分量。
④低壓側單相故障
發(fā)生此故障時(shí)，低壓側電流電壓波形如下圖所示：
故障過(guò)程20ms電流基波幅值不穩定，之后基本穩定；故障100ms后逆變器穩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三相故障時(shí)的電流。非故障相電流和故障相電流幅值基本相同，穩定后沒(méi)有零序和負序分量。
4、概括
光伏逆變器的短路故障特征主要有：
①無(wú)論何種類(lèi)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(guò)程中存在較短的過(guò)渡過(guò)程，該過(guò)程中存在一定的諧波分量；
③過(guò)渡過(guò)程中的時(shí)間以及峰值的影響因素很多，包括直流側電容、功率外環(huán)參數、輸入功率大小等；
④在電網(wǎng)對稱(chēng)和不對稱(chēng)的故障情況下，逆變器均只輸出正序電流，沒(méi)有零序和負序電流。故障過(guò)程中，無(wú)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(wú)法通過(guò)電流選擇故障相別；
⑤由于逆變器中限幅作用的影響，無(wú)法通過(guò)電流大小來(lái)區別故障發(fā)生的遠近。
