光伏电站自动化系统故障分析

光伏电站自动化系统故障分析

何池茂

广东粤电安信电力检修安装有限公司

摘要：随着光伏电站在配电网中渗透率的不断提高，且在光伏电站低电压穿越(LVRT)控制特性的要求下，诸多故障分析方法已经不再适用。针对上述问题，首先通过分析光伏电站故障电流输出特性建立受并网点正序电压控制的电流源等值模型；在此基础上，分析在不同故障条件下含光伏电站的配电网节点电压方程，针对光伏电站输出电流与并网点正序电压间的非线性关系，提出双端搜索下的试根法配电网故障分析方法。最后，通过仿真验证算法的准确性，并比较光伏电站在LVRT控制策略与传统控制策略下配电网的故障特性，验证LVRT控制特性在故障时对电网的支撑作用。

关键词：配电网；光伏电站；低电压穿越控制；故障分析；双端搜索；试根法；

0 引言

随着光伏电站在配电网中的广泛接入，改变了传统配电网结构，给光伏电站并网的配电网故障特性分析带来较大影响。由于目前并网运行的光伏电源广泛采用PQ控制策略，故本文根据中国光伏接入电力系统规定，仅针对PQ控制策略下计及LVRT控制能力的光伏并网的配电网故障特性进行研究。根据并网光伏输出特性建立故障不脱网运行等值模型，分析对称故障与非对称故障下短路计算方法，比较在不同控制策略下配电网的故障特性^[1]。

1 LVRT控制策略

随着光伏电站在配电网渗透率的不断提高，为防止故障时光伏电站脱网引起的功率缺额导致相邻电站跳闸，从而扩大停电面积的问题发生，国家电网公司要求并网光伏电站在电网故障期间保持一定时间不脱网，并为电网稳定性提供支撑^[2]。当光伏并网的配电网发生故障时，有功、无功电流调整值均提高。按照并网规程要求，输出无功电流的同时应在逆变器限流范围内输出最大有功电流，以尽力维持电网的有功功率平衡。光伏并网正常稳态运行时，一般采用电压电流双闭环控制其输出功率恒定。故障时，为提高逆变器的响应速度，将功率一电压控制外环闭锁，根据并网点电压跌落情况，调整有功、无功电流参考值的大小以确保光伏并网运行稳定性。

2配电网故障稳态分析法

光伏电站由于采用逆变器接口并网，其暂态过渡过程非常短暂，在电网故障情况下，逆变器交流侧输出电流中在滤波器作用几乎不含衰减直流分量与倍频分量，故可近似认为光伏电站在系统发生故障时直接进入稳态输出^[3]。由于配电网为中性点不直接接地系统，零序电流无通路，在此仅分析两相短路与三相短路。负荷等效为恒阻抗模型，由于其阻抗值远大于线路阻抗，故在短路计算时可忽略不计。

2.1三相短路

在发生三相短路时，电流大小受故障前光伏电站出力大小以及故障时并网点电压的影响，由于故障时间较短，因此，光伏电站的出力无明显变化，根据是否达到逆变器输出电流控制边界的问题对于三相短路的各电气量可联立电气公式求解，但受光伏电源LVRT控制策略的影响，电流与电压之间存在着很强的非线性关系，使得该方程组不能通过传统的线性变换直接求解^[4]。由线性电路解的唯一性可知，仅存在唯一的电压值为故障方程组的解。考虑到受光伏电站控制策略影响，故障时对并网点电压有支撑的作用，针对故障方程组的特征，提出双侧搜索试根法的求解方法，由于并网点电压不同，求解光伏电站输出电流公式不同，因此，根据光伏电站输出电流为0时并网点电压值设定并网点故障电压值初始值，同时向两侧进行搜索，直至满足条件为止，通过计算机编程可实现上述方程组的快速准确求解，该方法有效解决了在并网点不同时，光伏电站输出电流计算公式不同导致计算困难的问题，同时，双侧搜索在保证收敛速度的同时，提高了计算速度。若按传统控制策略，光伏电站在故障期间不具备无功支撑功能，按照短路计算流程图计算时，由于光伏电站仅输出有功电流，无需根据并网点电压正序分量所在区间详细划分^[5]，搜索初始电流值为0时对应的电压边界值两者的中间值，同时向两侧进行搜索，首先达到收敛条件的退出运行，根据搜索结果求解各点电气量。

2.2两相故障

在线路距离节点处发生两相短路时，由于光伏电站故障等值模型为受并网点正序电压控制的电流源，因此，在两相故障发生时，光伏电站仅存在于正序等值网络中在两种控制策略下，光伏电站输出电流^[6]，只存在于正序网络中根据并网点电压跌落情况输出电流。对于两相短路故障特性与三相短路故障特性相同，对于故障时并网点电压的支撑，仍是LVRT控制下的光伏电站支撑作用较强，而对于上游保护灵敏度降低的影响更明显。两相故障时，两种控制策略下并网点序电压、光伏电流电流输出以及有功、无功电流输出值变化较大，在发生故障时，并网点正序电压下降，负序电压上升，LVRT控制策略仍对并网点电压具有支撑作用。故障前电流的输出不受控制策略影响，均输出有功分量，不包含无功电流。故障发生时，传统控制策略在约束条件下提高有功电流的输出^[7]，而在LVRT控制策略下光伏电站同时输出有功、无功电流以支撑并网点电压，从而提高在故障时系统的稳定性。

3结束语

本文提出一种适用于最新光伏电站接入电力系统规定章程的配电网短路计算方法，在计算过程中减少由于光伏电站输出电流与并网点电压存在的强耦合关系而导致计算困难的问题，根据线性电路解唯一性，采用试根法确定解的情况，同时通过双向搜索提高计算速度。光伏电源输出故障电流特性与传统发电机不同，在故障时只输出正序电流，无负序或零序电流。因此，其故障等值模型为受并网点正序电压控制的电流源，而不能传统地等效为含内阻抗恒定的电压源或电流源。LVRT控制策略的光伏电站，在对称或不对称电网电压跌落期间均能对电网提供无功支撑，并保证在逆变器不过流的前提下维持有功平衡。

参考文献

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【4】刘随生. 光伏电站中压小电阻接地系统单相接地故障分析[J]. 太阳能, 2019(12):41-45.

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