一文讀懂光伏逆變器短路時電路會出現的特征

前言

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

電力系統中的電源，傳統意義是指的是并入電力系統的同步發電機。但隨著分布式發電技術的發展，各種形式的發電裝置并入電力系統。按照分布式電源并網的方式，我們大致可以分為以下三類：

●通過旋轉電機和變流器并聯并網的電源，主要指雙饋風力發電系統；

●僅僅通過變流器并網的電源，主要包括直驅風力發電系統、光伏發電系統、蓄電池、微型燃氣輪機等；

●僅僅通過旋轉電機并網的電源，主要是小型的同步發電機，常見的為快速響應的柴油發電機組。

接下來，我們主要聊到的是屬于第二類的光伏系統中逆變器的短路特性。

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、滯環控制、雙閉環控制、空間矢量PWM控制、無差拍控制、重復控制、比例諧振控制等等。其中，在并網光伏逆變器中，較為成熟使用較多的當屬電流型控制方式，一般采用雙閉環控制。

在雙閉環控制中，電壓調節器作為外環控制，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PI調節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*。電流內環的作用主要是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制。

光伏系統的短路故障特性主要取決于其控制方式的特點，為了保證在電力系統發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環加入飽和模塊。當發生故障時，內環參考電流將受到限制，通過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，雙環控制系統得外環控制會失效，系統變為純電流控制。

系統發生短路時，逆變器的輸出有兩種情況：

①飽和模塊不生效

遠端故障時，系統的功率外環控制起決定性作用，有功電流增大，增大后的電流幅值在限幅門檻之內，所以此時的故障特性和負荷突然增加的響應式一致的，經過一個短暫的過渡過程，系統達到新的穩態，此時的輸出功率仍然等于故障發生前的輸出功率，系統相當于一個等功率源。

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，電壓外環將失去作用，雙環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便能夠達到穩態值，在進入穩態后電網擾動電壓消失，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，故障發生后都會存在一個短暫的過渡過程，此過程中可能會產生一定量的諧波，過程的時間長短主要取決于系統直流側電容的大小、雙環控制中外環控制的參數、直流側輸入功率等因素。

不同故障時的特點

下面我們來看下，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，沒有零序和負序電流。

①升壓變高壓側三相故障

發生此故障時，低壓側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

發生此故障時，低壓側電流電壓波形如下圖所示：

同樣存在10ms的過渡過程，過程結束后，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

發生此故障時，低壓側電流電壓波形如下圖所示：

10ms的過渡過程，該段時間內基波幅值不穩定。過渡結束后，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，穩定后無零序和負序分量。

④低壓側單相故障

發生此故障時，低壓側電流電壓波形如下圖所示：

故障過程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，穩定后沒有零序和負序分量。

概括

光伏逆變器的短路故障特征主要有：

●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；

●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；

●過渡過程中的時間以及峰值的影響因素很多，包括直流側電容、功率外環參數、輸入功率大小等；

●在電網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；

●由于逆變器中限幅作用的影響，無法通過電流大小來區別故障發生的遠近。