分布式光伏逆變器并網(wǎng)側(cè)短路暫態(tài)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(xué)研究院，江蘇南京 211103)

在能源枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，太陽(yáng)能被認(rèn)為是一種清潔能源，光伏發(fā)電作為替代能源的來(lái)源而廣泛地被接受，逐漸成為重要的電源形式。光伏發(fā)電大規(guī)模集中接入和分布式分散接入并舉是一種有效利用太陽(yáng)能的方式。目前，對(duì)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)影響的研究主要集中在間歇性出力對(duì)大系統(tǒng)運(yùn)行、同步、穩(wěn)定的影響[1-3]，以及中小容量并入低壓配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)、電壓穩(wěn)定性影響等方面[4-6]。與同步發(fā)電機(jī)的故障電流不同，光伏電源提供故障電流與逆變器電路結(jié)構(gòu)、控制策略以及閉環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)密切相關(guān)，光伏電源短路對(duì)電網(wǎng)的影響主要取決于光伏逆變器的最大電流和持續(xù)時(shí)間。對(duì)逆變器而言，短路故障會(huì)引起端口電壓的跌落，從而導(dǎo)致逆變器注入電網(wǎng)電流激增[7]。這一問(wèn)題是否對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響，目前尚無(wú)定論。

1 逆變器網(wǎng)側(cè)短路過(guò)程暫態(tài)分析

1.1 單相逆變器網(wǎng)側(cè)短路過(guò)程暫態(tài)分析

以簡(jiǎn)單的單相光伏逆變器為例進(jìn)行分析。在任一開關(guān)時(shí)刻，逆變器的開關(guān)邏輯狀態(tài)處于雙管導(dǎo)通和單管續(xù)流2 種狀態(tài)之一，如圖1、圖2 所示。

圖1 單相逆變器雙管導(dǎo)通運(yùn)行狀態(tài)

圖2 單相逆變器單管續(xù)流運(yùn)行狀態(tài)

從式（1）可看出，在雙管導(dǎo)通狀態(tài)下，故障電流與短路瞬間的初始電流大小、功率管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。由于逆變器直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓，故障的短路電流呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

從式（2）可看出，在單管續(xù)流狀態(tài)下，故障電流與短路瞬間初始電流大小、續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)短以及電網(wǎng)續(xù)流兩相的相位有關(guān)，故障的短路電流初始時(shí)刻可增可減。

綜上所述，在故障電流產(chǎn)生的第一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，故障電流的大小與逆變器開關(guān)狀態(tài)密切相關(guān)。尤其是當(dāng)逆變器為雙管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到故障電流的峰值大小。因此，在故障狀態(tài)下，逆變器閉環(huán)控制系統(tǒng)是否能夠及時(shí)響應(yīng)并修正開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)抑制故障電流峰值與持續(xù)時(shí)間極為關(guān)鍵。

1.2 三相逆變器網(wǎng)側(cè)短路過(guò)程暫態(tài)分析

對(duì)于三相逆變器，為分析結(jié)論的通用性，以常見的采用空間電壓矢量調(diào)制策略的三相光伏逆變器為例進(jìn)行分析。在任意時(shí)刻，逆變器的3個(gè)橋臂均有一個(gè)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，以圖3 所示的開關(guān)狀態(tài)為例（ub＜ua，ub＜uc），空間電壓矢量調(diào)制策略可分為5 段區(qū)間來(lái)考慮，如圖4 中所示的A，B，C，D，E。

圖3 空間矢量調(diào)制策略扇區(qū)劃分示意圖

圖4 空間矢量調(diào)制策略開關(guān)導(dǎo)通邏輯示意圖

在A，E 區(qū)間內(nèi)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)相同，電流的流向如圖5 所示，故障后電流的表達(dá)式為：

圖5 三相逆變器雙管導(dǎo)通示意圖

從式3、式4 可看出，在圖5 所示的開關(guān)狀態(tài)下短路發(fā)生后，故障電流ia，ic的幅值呈增大趨勢(shì)。

在B，D 區(qū)間內(nèi)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)相同，電流的流向如圖6 所示，故障后電流的表達(dá)式為：

圖6 三相逆變器單管續(xù)流示意圖

從式5、式6 可看出，在圖6 所示的開關(guān)狀態(tài)下短路發(fā)生后，故障電流ia的幅值呈增大趨勢(shì)，故障電流ic的幅值呈減小趨勢(shì)。

在C 區(qū)間內(nèi)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)相同，電流的流向如圖7 所示，故障后電流的表達(dá)式為：

圖7 三相逆變器雙管續(xù)流示意圖

從式7、式8 可看出，在圖7 所示的開關(guān)狀態(tài)下短路發(fā)生后，故障電流ia，ic的幅值呈減小趨勢(shì)。

從上分析可知，三相逆變器的開關(guān)狀態(tài)可視為2個(gè)單相逆變器的疊加，在不同的開關(guān)狀態(tài)下，三相逆變器可理解為雙管導(dǎo)通和單管續(xù)流狀態(tài)的組合。逆變器出口短路故障發(fā)生在不同的時(shí)刻，其導(dǎo)通狀態(tài)也是不一樣的，對(duì)故障電流的影響也有區(qū)別。

2 逆變器電流閉環(huán)對(duì)暫態(tài)沖擊電流的影響

三相逆變器中采用最多的就是基于電網(wǎng)定向的矢量控制方法，該方法可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)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(wǎng)定向的矢量控制方法其交直軸電流環(huán)結(jié)構(gòu)一致，如圖8 所示。

圖8 逆變器閉環(huán)控制框圖

通常，為保證電流環(huán)需要具有良好的電流跟蹤性能，電流環(huán)采用典型I 型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，按照理想的二階系統(tǒng)的最佳整定方法對(duì)PI 參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)取值為：

根據(jù)上述計(jì)算公式可得圖8 所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，可忽略s 二階量，電流內(nèi)環(huán)可近似為慣性環(huán)節(jié)，即：

式（13）表明，逆變器的電流環(huán)可近似為慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為3Ts。通常分布式光伏發(fā)電逆變器的開關(guān)頻率在10 kHz 左右，Ts為0.1 ms。

從物理意義上來(lái)看，在逆變器并網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時(shí)，電感兩端電壓突變引起磁勢(shì)失衡，并網(wǎng)電流突然增加，逆變器的控制環(huán)節(jié)檢測(cè)到電流突增后，閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)迅速降低占空比，從而抑制并網(wǎng)電流增加。

3 試驗(yàn)研究與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上文的分析，利用程控交流源作為模擬電網(wǎng)，交流源輸出電壓的突變模擬逆變器網(wǎng)側(cè)的短路故障。為便于分析，將交流源突降的初始相位角設(shè)置為0°時(shí)（相對(duì)于A 相）發(fā)生三相對(duì)稱跌落，光伏出力為5 kW，4 kW，2.5 kW，1 kW 不同工況下進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。光伏逆變器5 kW 出力時(shí)20%跌落的試驗(yàn)波形如圖9 所示。

表1 不同輸出功率在20%跌落深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)A

圖9 逆變器5 kW 輸出20%跌落的試驗(yàn)波形

從試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(nèi)部控制參數(shù)的影響，試驗(yàn)的沖擊電流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻均在短路故障發(fā)生0.2 s 后，且持續(xù)的時(shí)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(guān)。在光伏輸出功率1 kW的條件下，分別進(jìn)行電壓跌落深度為80%，60%，40%和20%的試驗(yàn)，沖擊電流大小與跌落深度之間的關(guān)系如表2 所示。跌落深度為20%的試驗(yàn)波形如圖10 所示。

表2 相同輸出功率不同跌落深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù) A

圖10 逆變器1 kW 輸出20%跌落的試驗(yàn)波形

從試驗(yàn)結(jié)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(wǎng)側(cè)故障點(diǎn)的距離密切相關(guān)，故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，沖擊電流小。受內(nèi)部控制參數(shù)的影響，試驗(yàn)的沖擊電流峰值同樣出現(xiàn)的時(shí)刻均在短路故障發(fā)生0.2 s 后，且持續(xù)的時(shí)間幾乎都是相同的。根據(jù)對(duì)逆變器開關(guān)管導(dǎo)通邏輯的分析可以得出短路時(shí)刻相位角與短路電流大小也密切相關(guān)。在光伏輸出功率1 kW的條件下，分別進(jìn)行了A 相電壓相位角在0°，18°，36°，54°，72°，90°的條件下進(jìn)行跌落深度為20%的試驗(yàn)，A 相沖擊電流大小與跌落深度之間的關(guān)系如表3 所示。跌落深度為20%的試驗(yàn)波形如圖11 所示。

表3 不同相位角下跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù) A

圖11 逆變器在90°時(shí)電壓跌落20%的試驗(yàn)波形

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，逆變器短路故障發(fā)生時(shí)刻的相位角與電流的大小也有影響。對(duì)于三相對(duì)稱短路故障而言，沖擊電流的最大值發(fā)生在90°相角處，偏離90°相角越遠(yuǎn)，沖擊電流越小。受內(nèi)部控制參數(shù)的影響，試驗(yàn)的沖擊電流峰值同樣出現(xiàn)的時(shí)刻均在短路故障發(fā)生0.2 s 后，且持續(xù)的時(shí)間幾乎都是相同的。

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(guān)；

（2）針對(duì)逆變器網(wǎng)側(cè)不同短路故障，沖擊電流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻與持續(xù)的時(shí)間幾乎都是相同的，主要受內(nèi)部控制參數(shù)的影響；

（3）單一逆變器網(wǎng)側(cè)短路電流尖峰持續(xù)的時(shí)間很短，對(duì)繼電保護(hù)沒(méi)有影響。多臺(tái)逆變器同時(shí)發(fā)生短路故障時(shí)，由于內(nèi)部控制參數(shù)的不一致性，其暫態(tài)特征需更進(jìn)一步分析。

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