光伏逆變器的短路特性分析

楊彥召

摘 要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器是一個重要的組成部分，對電力系統(tǒng)的正常運行起著非常關鍵的作用。按照不同的劃分方式，逆變器可以分為不同的種類。本文通過對光伏逆變器的概念進行闡釋，對光伏逆變器的短路特性進行分析，指出發(fā)生故障的主要特征，能夠進一步解決運行過程中出現(xiàn)的主要問題，實現(xiàn)更大的經濟效益與社會效益。

關鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器；短路特性

中圖分類號：TM434 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0172-01

電源在電力系統(tǒng)中具有非常重要的地位，按照傳統(tǒng)說法，電源指的是與電力系統(tǒng)相互聯(lián)系的同步發(fā)電機。在分布式發(fā)電技術的推動下，電力系統(tǒng)中并入了越來越多的發(fā)電裝置，特別是由最突出的是電力電子元件組成的逆變型電源，在發(fā)電裝置中表現(xiàn)的異常明顯。在電力系統(tǒng)中，分布式電源的以越來越多的形式表現(xiàn)出來，在微電網(wǎng)中發(fā)揮著至關重要的作用。電力電子元件及控制系統(tǒng)是逆變型分布式電源的主要組成部分，在發(fā)生故障的時候，與傳統(tǒng)電源的特性有不同的區(qū)別，帶來了給系統(tǒng)保護和分析方面的問題。

以分布式電源的并網(wǎng)方式為依據(jù)，分布式電源主要有以下三種：第一，旋轉電機和變流器并聯(lián)并網(wǎng)，組成了分布式電源，在某種程度上，屬于雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)；第二，通過變流器并網(wǎng)，形成了分布式電源，蓄電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)、直驅風力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機等包含在內；第三，僅僅由旋轉電機并網(wǎng)形成的電源，主要表現(xiàn)方式為小型同步發(fā)電機。最常見的形式是柴油發(fā)電機組，簡單來說，就是將柴油機作為原動機，在動力作用下，使同步發(fā)電機及時進行發(fā)電的一種電源設備。

1 光伏逆變器簡介

光伏逆變器也可稱為電源調整器，以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途為依據(jù)，逆變器主要分為以下兩種：一類是獨立式電源網(wǎng)，一類是合并網(wǎng)。以波形調制的方式為依據(jù)，逆變器分為四類，分別是方波逆變器、正弦波逆變器、階梯波逆變器以及組合式三相逆變器。在合并網(wǎng)應用逆變器時，根據(jù)變壓器的有無情況，逆變器又分為兩類，分別是變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器。

一般來講，整流指的是交流電在某種作用下轉化成為直流電的過程，整流狀態(tài)下的電路則被稱作整流電路。在整流發(fā)生并完成的全部過程中，應用到的相關設備稱為整流設備。與此對應，逆變指的是直流電轉化成為交流電的過程，在這個過程中的電路稱為逆變電路，對逆變進行操作的設備稱為逆變設備。

根據(jù)上述內容可以看出，按照分類方式的不同，逆變器具有多種多樣的種類，在挑選逆變器的過程中，一定要結合實際情況，對相關數(shù)據(jù)進行仔細分析，保證逆變器的實用性。在光伏發(fā)電產業(yè)中，逆變器效率對光伏電池容量的大小具有直接的決定作用。在整個逆變設備中，逆變開關電路處于核心地位，在操作逆變電路的過程中，將開關進行連接與斷開，實現(xiàn)逆變的順利操作。

2 光伏逆變器的短路特性分析

2.1 理論分析

按控制方式進行分類，光伏逆變器主要有以下幾種控制方法，分別是PI控制、閉環(huán)控制、滯環(huán)控制、重復控制、無差拍控制、空間矢量控制等。就電流的控制強度方面而言，并網(wǎng)光伏逆變器具有非常成熟的控制方法，在閉環(huán)控制的基礎上，實現(xiàn)對電流的有效控制。作為閉環(huán)控制的外環(huán)控制，電壓調節(jié)器對逆變器直流側進行控制，輸出電壓以跟蹤電壓為參照，或者在PI調節(jié)裝置的配合下，使有功輸入電流分量的參考值達到最精確的程度。對額定電壓外輸出的電流指令，主要由電流內環(huán)的相應裝置進行有效控制。

一般來說，當周邊環(huán)境（光照條件、溫度條件、水分條件）發(fā)生變化的時候，光伏發(fā)電輸出功率也會相應發(fā)生改變。此時，MPPT控制器可以調整和控制逆變器輸入的電壓，使電壓值能夠與實際的工作相符合。直流工作電壓的參考值以及無功參考值是逆變器的控制要點，在一定作用下，最終轉變?yōu)殡娏鲀拳h(huán)參考值。逆變器控制的特性是造成光伏系統(tǒng)故障的關鍵。因此，必須采取切實有效的措施，對光伏逆變器進行保護，最終實現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的保護。如果系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的故障，影響內環(huán)電流的參考數(shù)值，想要保證電流處于可以控制的范圍之內，必須使飽和模塊不生效，將增長后的電路最大值限制在一定門檻內。

當光伏系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，逆變器會出現(xiàn)以下兩種不同的情況：第一，飽和模塊不發(fā)生作用，遠端故障系統(tǒng)功率在故障的過程中是主要控制因素。有功電流在一定作用下不斷增大，在增大的過程中被限制，因此，故障特性會隨之不斷顯現(xiàn)出來，短暫的時間過后，光伏系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此時，輸出功率處于恒定值，沒有發(fā)生明顯的改變，系統(tǒng)與等功源的功效等同。第二，飽和模塊發(fā)揮了自身的效用，如果出現(xiàn)了近端故障，端口電壓會在短時間內大大降低，以等功源為參考依據(jù)，對電流電壓的數(shù)值進行記錄，并結合相關的算法進行準確計算。此時，電流的輸出數(shù)值會變大，當輸出電流量超過了額定值后，電壓外環(huán)將不再發(fā)生效用，雙環(huán)對電流進行直接控制。在這種情況下，飽和模塊引發(fā)動作，系統(tǒng)狀態(tài)不斷回穩(wěn)，干擾的電壓在系統(tǒng)內逐漸消失，輸出的電流值回歸正常。

2.2 仿真分析

仿真分析中，光伏逆變器的故障表現(xiàn)的比較集中而且非常明顯，通常有以下幾種故障：第一，升壓變高壓側三相故障。當這種發(fā)生以后，會有10ms的過渡時間，之后電流電壓會逐漸回穩(wěn)，此時，逆變器輸出的正序電流也趨于穩(wěn)定，功率的方向由負方向轉變?yōu)檎较?。第二，升壓變低壓側三項故障，在故障出現(xiàn)并且經過過渡期之后，電壓開始出現(xiàn)回穩(wěn)，逆變器輸出的正序電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，正方向為此時功率的方向。第三，升壓變低壓側亮相故障，這種故障發(fā)生時，在過渡期內，基波值有很大的波動性，之后會呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，輸出正方向的正序電流。此外，沒有出現(xiàn)故障的電流與故障的電流值相同，在數(shù)值穩(wěn)定后，不會出現(xiàn)零序分量以及負序分量。第四，低壓側故障，故障發(fā)生后，在20ms內電流基波波動較為明顯，穩(wěn)定后開始發(fā)生變化，100ms后，逆變器穩(wěn)定輸出正方向的正序電流。與其他故障相比，這種故障下的電流較小，并且沒有發(fā)生故障的電流與發(fā)生故障的電流值一致，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，不會出現(xiàn)零序分量以及負序分量。

2.3 測試對比分析

在理論分析與仿真分析之后，在實驗的過程中總結了一定的經驗，對數(shù)據(jù)進行分析可以得出結論，三相短路是逆變器并網(wǎng)電壓降低到額定電壓值20%的主要原因。發(fā)生短路的時候，電流的峰值瞬間達到穩(wěn)定電流的2.8倍，并且能夠持續(xù)了2.5ms，在順利實現(xiàn)過渡后，電流在隨著時間的增長不斷趨于穩(wěn)定。在測試對比分析之后，最終的實驗結果與理論分析、仿真分析的結果完全相符，具有很強的說服力。

3 光伏逆變器的主要故障特征

在理論分析、仿真試驗之后，可以得出光伏逆變器的主要故障特征，包含以下幾點：

（1）在反映故障特征的過程中，逆變器的種類并不是最終的決定因素，各種光伏逆變器輸出的功率方向具有一定的規(guī)律。（2）當故障發(fā)生的時候，存在一個短時間的過渡期，這個時間段內，一定的諧波分量起到了不同程度的作用。（3）在過渡過程中，直流側內容、功率外環(huán)參數(shù)、輸入功率大小等因素都會影響到時間和峰值的大小及波動情況。（4）如果電網(wǎng)的故障出現(xiàn)了對稱和不對稱的情況，對于逆變型分布式電源來說，輸出的是正序電流，不存在負序和零序電流。在出現(xiàn)故障的整個過程中，單相故障、兩相故障和三相故障的電流沒有明顯差別。因此，在判斷故障區(qū)別的時候，通過選擇電流的順序是行不通的。（5）逆變器中的振幅具有一定的限制范圍，因此，在區(qū)別故障發(fā)生距離的時候，以電流為判斷依據(jù)是不合適的，并不能進行準確有效的判斷。

4 結語

光伏逆變器在光伏電力系統(tǒng)中具有非常重要的作用，選擇合適的逆變器對促進電力系統(tǒng)的正常運行極為關鍵。在經濟的發(fā)展及科學技術的推動下，光伏逆變器發(fā)揮了強大的性能，但同時也出現(xiàn)了一系列不可避免的問題。正確認識光伏逆變器的特性，結合實際情況，在理論分析、仿真分析、測試對比分析的基礎上，對實際問題進行仔細分析，提高光伏逆變器的使用性能，促進光伏電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，創(chuàng)造更大的經濟效益。

參考文獻

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