分布式光伏逆變器并網側短路暫態特性分析

文 珊，陳 兵

(1.南京供電公司，江蘇南京 210008；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

在能源枯竭、環境污染日益嚴重的今天，太陽能被認為是一種清潔能源，光伏發電作為替代能源的來源而廣泛地被接受，逐漸成為重要的電源形式。光伏發電大規模集中接入和分布式分散接入并舉是一種有效利用太陽能的方式。目前，對光伏發電對電網影響的研究主要集中在間歇性出力對大系統運行、同步、穩定的影響[1-3]，以及中小容量并入低壓配電網對繼電保護、電壓穩定性影響等方面[4-6]。與同步發電機的故障電流不同，光伏電源提供故障電流與逆變器電路結構、控制策略以及閉環調節參數密切相關，光伏電源短路對電網的影響主要取決于光伏逆變器的最大電流和持續時間。對逆變器而言，短路故障會引起端口電壓的跌落，從而導致逆變器注入電網電流激增[7]。這一問題是否對繼電保護產生影響，目前尚無定論。

1 逆變器網側短路過程暫態分析

1.1 單相逆變器網側短路過程暫態分析

以簡單的單相光伏逆變器為例進行分析。在任一開關時刻，逆變器的開關邏輯狀態處于雙管導通和單管續流2 種狀態之一，如圖1、圖2 所示。

圖1 單相逆變器雙管導通運行狀態

圖2 單相逆變器單管續流運行狀態

從式（1）可看出，在雙管導通狀態下，故障電流與短路瞬間的初始電流大小、功率管的導通時間長短有關。由于逆變器直流側電壓高于交流側電壓，故障的短路電流呈現增長趨勢。

從式（2）可看出，在單管續流狀態下，故障電流與短路瞬間初始電流大小、續流時間長短以及電網續流兩相的相位有關，故障的短路電流初始時刻可增可減。

綜上所述，在故障電流產生的第一個開關周期內，故障電流的大小與逆變器開關狀態密切相關。尤其是當逆變器為雙管導通狀態時，開關管導通時間的長短直接影響到故障電流的峰值大小。因此，在故障狀態下，逆變器閉環控制系統是否能夠及時響應并修正開關管的導通時間，對抑制故障電流峰值與持續時間極為關鍵。

1.2 三相逆變器網側短路過程暫態分析

對于三相逆變器，為分析結論的通用性，以常見的采用空間電壓矢量調制策略的三相光伏逆變器為例進行分析。在任意時刻，逆變器的3個橋臂均有一個開關處于導通狀態，以圖3 所示的開關狀態為例（ub＜ua，ub＜uc），空間電壓矢量調制策略可分為5 段區間來考慮，如圖4 中所示的A，B，C，D，E。

圖3 空間矢量調制策略扇區劃分示意圖

圖4 空間矢量調制策略開關導通邏輯示意圖

在A，E 區間內，逆變器的開關狀態相同，電流的流向如圖5 所示，故障后電流的表達式為：

圖5 三相逆變器雙管導通示意圖

從式3、式4 可看出，在圖5 所示的開關狀態下短路發生后，故障電流ia，ic的幅值呈增大趨勢。

在B，D 區間內，逆變器的開關狀態相同，電流的流向如圖6 所示，故障后電流的表達式為：

圖6 三相逆變器單管續流示意圖

從式5、式6 可看出，在圖6 所示的開關狀態下短路發生后，故障電流ia的幅值呈增大趨勢，故障電流ic的幅值呈減小趨勢。

在C 區間內，逆變器的開關狀態相同，電流的流向如圖7 所示，故障后電流的表達式為：

圖7 三相逆變器雙管續流示意圖

從式7、式8 可看出，在圖7 所示的開關狀態下短路發生后，故障電流ia，ic的幅值呈減小趨勢。

從上分析可知，三相逆變器的開關狀態可視為2個單相逆變器的疊加，在不同的開關狀態下，三相逆變器可理解為雙管導通和單管續流狀態的組合。逆變器出口短路故障發生在不同的時刻，其導通狀態也是不一樣的，對故障電流的影響也有區別。

2 逆變器電流閉環對暫態沖擊電流的影響

三相逆變器中采用最多的就是基于電網定向的矢量控制方法，該方法可實現并網電流的直軸分量與交軸分量的解耦控制，以此控制方法為例展開分析。基于電網定向的矢量控制方法其交直軸電流環結構一致，如圖8 所示。

圖8 逆變器閉環控制框圖

通常，為保證電流環需要具有良好的電流跟蹤性能，電流環采用典型I 型系統的設計方法，按照理想的二階系統的最佳整定方法對PI 參數進行計算，各參數取值為：

根據上述計算公式可得圖8 所示的閉環傳遞函數：

當開關頻率足夠高時，可忽略s 二階量，電流內環可近似為慣性環節，即：

式（13）表明，逆變器的電流環可近似為慣性環節，其時間常數為3Ts。通常分布式光伏發電逆變器的開關頻率在10 kHz 左右，Ts為0.1 ms。

從物理意義上來看，在逆變器并網側發生短路時，電感兩端電壓突變引起磁勢失衡，并網電流突然增加，逆變器的控制環節檢測到電流突增后，閉環控制系統會迅速降低占空比，從而抑制并網電流增加。

3 試驗研究與分析

為進一步驗證上文的分析，利用程控交流源作為模擬電網，交流源輸出電壓的突變模擬逆變器網側的短路故障。為便于分析，將交流源突降的初始相位角設置為0°時（相對于A 相）發生三相對稱跌落，光伏出力為5 kW，4 kW，2.5 kW，1 kW 不同工況下進行了試驗，試驗數據如表1 所示。光伏逆變器5 kW 出力時20%跌落的試驗波形如圖9 所示。

表1 不同輸出功率在20%跌落深度的試驗數據A

圖9 逆變器5 kW 輸出20%跌落的試驗波形

從試驗結果可看出，逆變器在不同工況下的短路沖擊電流大小不同。由于短路時刻的初始電流由逆變器輸出功率決定，因此輸出功率越大沖擊電流也越大。受內部控制參數的影響，試驗的沖擊電流峰值出現的時刻均在短路故障發生0.2 s 后，且持續的時間幾乎都是相同的。短路沖擊電流的大小與電壓跌落深度也密切相關。在光伏輸出功率1 kW的條件下，分別進行電壓跌落深度為80%，60%，40%和20%的試驗，沖擊電流大小與跌落深度之間的關系如表2 所示。跌落深度為20%的試驗波形如圖10 所示。

表2 相同輸出功率不同跌落深度的試驗數據 A

圖10 逆變器1 kW 輸出20%跌落的試驗波形

從試驗結果可以看出，逆變器跌落深度不同短路沖擊電流大小也不同。逆變器短路沖擊電流大小與網側故障點的距離密切相關，故障點越遠，沖擊電流小。受內部控制參數的影響，試驗的沖擊電流峰值同樣出現的時刻均在短路故障發生0.2 s 后，且持續的時間幾乎都是相同的。根據對逆變器開關管導通邏輯的分析可以得出短路時刻相位角與短路電流大小也密切相關。在光伏輸出功率1 kW的條件下，分別進行了A 相電壓相位角在0°，18°，36°，54°，72°，90°的條件下進行跌落深度為20%的試驗，A 相沖擊電流大小與跌落深度之間的關系如表3 所示。跌落深度為20%的試驗波形如圖11 所示。

表3 不同相位角下跌落試驗數據 A

圖11 逆變器在90°時電壓跌落20%的試驗波形

從試驗結果可看出，逆變器短路故障發生時刻的相位角與電流的大小也有影響。對于三相對稱短路故障而言，沖擊電流的最大值發生在90°相角處，偏離90°相角越遠，沖擊電流越小。受內部控制參數的影響，試驗的沖擊電流峰值同樣出現的時刻均在短路故障發生0.2 s 后，且持續的時間幾乎都是相同的。

4 結束語

（1）逆變器的沖擊電流的大小與輸出功率、電壓跌落深度與跌落相位角密切相關；

（2）針對逆變器網側不同短路故障，沖擊電流峰值出現的時刻與持續的時間幾乎都是相同的，主要受內部控制參數的影響；

（3）單一逆變器網側短路電流尖峰持續的時間很短，對繼電保護沒有影響。多臺逆變器同時發生短路故障時，由于內部控制參數的不一致性，其暫態特征需更進一步分析。

[1]李衛良，黃 堃，陳 璐，等.采用可控負荷平滑光伏發電功率波動的需求響應策略[J].江蘇電機工程，2014，33（2）：40-43.

[2]王 曉，羅 安，鄧才波，等.基于光伏并網的電能質量控制系統[J].電網技術，2012，36(4)：68-73.

[3]劉東冉，陳樹勇，馬 敏，等.光伏發電系統模型綜述[J].電網技術，2011，35(8)：47-52.

[4]李寧峰，于國才.屋頂太陽能光伏發電系統的設計[J].江蘇電機工程，2012，31(3)：43-45.

[5]王立娜，周克亮，盧聞州，等.離網型組合蓄能光伏發電系統[J].江蘇電機工程，2009，28(S1)：53-57.

[6]劉 偉，彭 冬，卜廣全，等.光伏發電接入智能配電網后的系統問題綜述[J].電網技術，2009，33(19)：1-6.

[7]劉 健，林 濤，同向前，等.分布式光伏電源對配電網短路電流影響的仿真分析[J].中國電機工程學報，2013，37(8)：1-6.