光伏逆变器短路故障分析

光伏逆变器短路故障分析

白明超

国家电投集团承德新能源发电有限公司  067000

 摘要：本文针对一种并网小型光伏电站仿真短路能源电流计算输出特性进行了讨论，提出一种并网小型光伏电站仿真短路电流计算结果等效虚拟模型，并基于仿真计算平台， 通过结合相关案例对电站短路电流计算结果模型进行仿真对比和分析比较，从而验证了该短路电流计算等效模型的准确性和有效性。实验表明，基于光伏逆变发电技术的光伏发电装置的短路稳压电流饱和输出特性主要特点取决于光伏逆变器短路电流输出饱和控制模块的电流限值。

关键词：光伏并网模型；等效短路模型计算；等效短路模型；

引言：随着社会的进步与发展，以光伏为代表的绿色清洁能源的有效开发利用已然成为社会各界关注的焦点。在我国绿色清洁能源的开发中光伏电站的建设具有绝对的代表性，其中分布式并网光伏电站的建设和运营在满足当地的供电负荷和可靠性的需求上，又同时对节能减排等方面具有重要的积极作用。但是，分布式并网光伏电站的接入在改变电网原有拓扑结构和潮流方向的同时，也给电网带来了一些负面影响，主要体现在规划设计、电能质量、运行控制、安全保护、配电自动化、电能交易等方面。

一、光伏逆变器的短路特性分析与计算

随着我国社会的不断发展，如何有效利用以光伏为主要代表的绿色清洁能源使其利用率最大化逐步成为我国社会各界密切关注的一个焦点。在我国当下，绿色清洁能源的综合开发主要采用”大规模集中式开发，远距离输送和"分布式开发，就地消纳"相结合的开发模式。其中分布式光伏并网大型光伏电站的开工建设和投入运营在有效满足本地的光伏供电系统负荷和电网可靠性提高需求的前提下，实现有效节能低碳减排等各个方面也都具有重要的积极意义。

为了保证电力系统在发生短路时短路电流不超过逆变器的限定值，当前解决方式一般采取在控制回路中的电流内环加入饱和模块。当发生意外故障时，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。双环控制系统会在饱和模块失效时得外环控制从而失效，系统此刻变为纯电流控制。

二、光伏电站等效短路计算模型

光伏逆变器的短路故障特征体现在：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。光伏电站主要为逆流阀变型分布式光伏电源。

光伏逆变器短路后，电压电流外环的驱动反馈控制回路将被完全破坏，双环中的控制反馈回路也将变成了单独的。当电流外环控制反馈回路，进入参考端的电流将变为一个不稳定值。

三、光伏逆变器短路电流3次谐波及对保护的影响分析

在直流变压器中的差动电流保护中，电流和互感器电压饱和保护是必须并且要充分考虑的特殊保护问题。变压器区外短路故障时，如果发生短路差动电流频率过大，则容易直接造成短路电流通过互感器短路饱和，使得短路电流通过互感器二次侧的短路电流产生波形从而出现短路畸变，产生短路差流，可能直接引起短路差动电流保护的误动作。

基波保护角的判据技术方面，由于现在电流短路互感器在严重饱和时，电流短路互感器的二次短路电流仍然具有较大的基波分量，而由于电流短路互感器严重饱和时，二次波的电流短路波形可能会因此出现明显的基波间断性偏角；而光伏光电逆变器用户提供的电流短路二次电流基波幅值一般不会小于2倍额定值， 也不会因此出现明显间断性的角。

为了有效防止电源变压器上的区内电流故障因为时差和制动特性保护被误触或闭锁，从而导致区内故障不能及时切除，目前电子工程技术应用中一般的谐波处理故障方法主要是：分别设置高、低2种不同斜向频率的中高比率电流制动保护特性，当区内谐波闭锁判据不能满足时，闭锁依靠低值和高比率电流差动特性保护，依靠具有抗电流饱和干扰能力更强的高电压值和低比率电流差动特性保护才能切除区内故障。在这类传统供电系统中，使得高压低值和大比率高压差动电流保护闭锁的主要谐波因素为电流电压互感器即在饱和时所产生，而由于电流电压互感器在饱和时电流短路动作电流必然很大，所以故障区内短路故障区的电流电压互感器在饱和时仍然具有很大的电流动作短路电流，压低值和大比率高压差动电流保护闭锁能可靠利用动作电流切除短路故障。但在光伏并网供电系统中，闭锁高于低值差动比率低的差动电流保护的三次短路谐波并不一定由大电流差动互感器供电饱和故障造成，而且由于受光伏逆变器动作限幅增大的影响，光伏侧同时提供的三次短路保护电流很小，如果切断联络线时间较长或者供电系统较弱，则系统侧同时提供的三次短路保护电流也不大，此时每当发生光伏变压器保护区内供电故障时，将可能造成保护区内所有故障电源无法及时切除，威胁影响到光伏变压器供电设备的安全和系统的稳定正常运行。为了有效解决上述技术问题，可以从电源逆变器技术控制、保护技术判据两两个方面入手提出一套相应的技术应对实施策略。

结束语：

在今后的配网建设规划中应进一步加大主、配网之间，以及与地方城市建设规划的有效衔接力度，加强配网的网架结构研究和建设，试点开展电缆旁路作业减少检修停电范围，根据国网公司要求探讨配网状态检修，制定实施方案，深化配电自动化实用化应用，提升自动化和智能化水平继续提高城市供电可靠性。

参考文献：

 [1] 韩宇晨，姚晓东.基于主元分析优化的光伏逆变电路故障诊断[J].新一代信息技术.2019，(22).7~20.

[2] 杨艳玲.分析光伏逆变器常见故障及处理方法[J].电子制作.2019，(16).81-82，64.

[3] 习伟，张哲，陈卫，等.光伏逆变器短路特性分析[J].电力系统保护与控制.2015，(7).70-75.白明超，1992.05.03,男，满族,吉林省长春市九台区,大学本科,值班员，助理工程师,光伏发电运行维护