分布式光伏配網系統源側故障仿真研究

李巖，陳志峰，王玕*

（1.廣東云舜綜合能源科技有限公司，韶關 512000；2.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣州 510800）

引言

在全球能源結構轉型的背景下，清潔能源日益受到重視，其中光伏發電由于其清潔、高效、可再生等特點，成為全球范圍內廣泛研究和應用的能源形式。然而，隨著分布式光伏系統規模的擴大，故障問題逐漸顯現，對系統穩定性和可靠性產生影響。為了更好地理解各類故障，已有學者開展分布式光伏系統的故障分析、故障預警以及故障處理等方面的研究。

圖1 含分布式光伏的并網模型

文獻[1]探討了光伏系統中常見的孤島故障。該研究通過詳細的實驗分析，為孤島故障的產生機制和影響提供了深入理解。文獻[2]提出了一種基于無功功率控制的孤島檢測方法，這為孤島故障的早期檢測提供了新的思路。文獻[3]對光伏組件故障進行了深入研究，其中尤其針對光伏組件性能降低和熱斑效應等問題進行了詳細的討論和分析。文獻[4]中研究者提出并驗證了一種基于機器學習的光伏組件故障識別算法，提高了故障識別的準確性。文獻[5]中詳細介紹了逆變器開關管故障的類型和影響，并提出了一種有效的故障識別和處理方法。文獻[6]對逆變器的短路故障進行了深入的研究，為短路故障的預防和處理提供了理論依據。文獻[7]探討了缺相故障在分布式光伏系統中的影響，并提出了一種新穎的缺相故障檢測算法。文獻[8]中研究者提出并驗證了一種基于神經網絡的故障預警算法，盡管該算法需要大量的訓練數據，但在某些場景下顯示出了優秀的性能。文獻[9]對比了不同故障識別方法的性能，其中包括基于特征提取的方法以及基于深度學習的方法。文獻[10]中作者提出了一種針對多種故障類型的綜合仿真模型，并對該模型的有效性進行了驗證。

通過對上述文獻的綜述，我們可以看到，盡管分布式光伏系統故障的研究已取得了一些進展，但仍存在許多問題需要解決，特別是在故障識別以及故障處理等方面。我們期望通過更深入的研究，可以為解決這些問題提供更有效的方法和工具。在此背景下，本文基于MATLAB/ Simulink 軟件搭建含分布式光伏電站的配網系統仿真平臺，對比分析光伏電源側不同故障對光伏并網側與用戶側電壓與電流波形的影響，為光伏接入的配電網保護控制提供分析基礎。

1 分布式光伏的故障仿真建模

為研究戶用光伏側故障識別技術，搭建了含分布式光伏的臺區模型，在MATLAB 平臺上仿真光伏組件故障、開關管信號故障、線路故障、短路故障等多種故障，用于獲取運行故障樣本，所搭建的臺區仿真模型如下圖所示[11]。

從光伏電池組件至臺區接入點的連接線上對不同設備元件設置故障參數來模擬故障狀態，在仿真模型中設置了4 種故障類型，故障類型仿真設置如表1 所示。

表1 異常工況（含故障）類型仿真設置

2 異常工況的仿真分析

基于MATLAB/Simulink 搭建含高比例分布式光伏的配網模型，模型仿真電路如圖2 所示。系統參數初始配置如表2 所示。異常工作前系統運行于穩態，光伏并網運行，工作在MPPT 模式，最大發電功率為250 kW；本地初始負荷300 kW。1 s 時系統發生異常工作情況。異常工況按照表1 的設置，分別從光伏并網側電壓電流波形與負荷側電流波形展開故障特性分析[12]。

表2 系統參數

圖2 含分布式光伏并網的simulink 模型

2.1 光伏電源DC 側短路故障特性

含高比例分布式光伏的配電網，光伏電源側DC 端發生短路故障時，光伏并網側電壓電流波形與負荷側電流波形如圖3 所示。

圖3 光伏并網側電壓電流波形與負荷側電流波形

從圖3（a）中可以看出，1 s 內系統正常運行，配網側單相對地電壓幅值為310 V。1 s 時光伏電源側DC端發生短路故障，系統電壓略微下降至304 V 穩定；光伏并網側電流突增，由513 A 上升至3 865 A，為正常運行電流的7.5 倍；從圖3（b）中可以看出，本地用戶側電流相對穩定，由645.6 A 略微下降至632.9 A 后穩定運行。

2.2 逆變器開關管信號源故障特性

光伏電源并網逆變器由開關管與控制信號組成，開關管需要接收來自控制端的開斷信號，當信號傳輸故障造成A 相開關管信號源中斷時，光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形如圖4 所示。

圖4 光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形

從圖4（a）中可以看出，當信號傳輸故障造成A相開關管信號源中斷時，光伏并網側電壓波形穩定，單相對地電壓幅值為308 V。光伏并網側A 相、C 相電流波形在故障后發生畸變；B 相電流在故障后增加至1 199 A，為正常運行時的2.3 倍；此外，故障后A 相、C 相電流波形同相，與B 相電流波形反相。對光伏并網側A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值342.9 A，總諧波失真量占基波的27.76 %，最高諧波出現在0 次諧波和12 次諧波處。從圖4（b）中可以看出，用戶側三相電壓與三相電流波形穩定，1 s 時C 相電流波形波峰處有微小畸變，A 相開關管信號源中斷對用戶側影響較小。

2.3 逆變器開關管斷路故障特性

當線路故障導致A 相所在線路的開關管斷路時，逆變器內發生斷路故障。光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形如圖5 所示。

圖5 光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形

從圖5（a）中可以看出，1 s 過程中系統正常運行，光伏并網側單相對地電壓幅值為308.4 V，電流值為517.3 A。1 s 時發生A 相開關管斷路故障，三相電壓維持穩定，幅值在310 V 左右；三線電流波形發生畸變，A 相電流上升至774.7 A，B 相電流上升至923.9 A。用戶側三相電流波形如圖5（b）所示，電流波形穩定，幅值維持在645 A。對光伏并網側A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值326.5 A，總諧波失真量占基波的48.37 %，最高諧波出現在0 次諧波和2 次諧波處。

2.4 光伏電源故障離網運行特性

當線路故障導致光伏電源離網運行時，光伏電源與本地負荷聯合運行。光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形如圖6 所示。

圖6 光伏并網側電壓電流與用戶側電流仿真波形

從圖6（a）中可以看出，并網運行時，光伏側單相對地電壓幅值為310 V，1 s 時系統發生脫網故障，三相電壓下降至280 V 附近。光伏側三相電流由516.2 A上升至587.5 A。用戶側三相電流由645.6 A 下降至584 A。由于光伏最大發電功率為250 kW，用戶側負荷300 kW，光伏離網后，光伏電源與本地負荷聯合運行時，用戶側電壓與電流均下降，功率降低至250 kW 附近。對光伏并網側A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值574.2 A，總諧波失真量占基波的4.59 %，最高諧波出現在2 次諧波處。

3 結論

本文在考慮含高比例分布式光伏配網的基礎上，從仿真模型的角度分析光伏電源側在故障發生時配網的電壓與電流特性，通過對比仿真得出以下結論：

1）并網運行時，光伏電源側發生短路、短路、信號源中斷等故障時，不會影響到用戶側，由于并網運行用戶側電壓與電流穩定。

2）當故障導致光伏離網時，光伏仍以最大功率發電，當低于用戶側負荷功率時，光伏側輸出電壓降低，電流上升，用戶側負荷降低功率與光伏發電量動態平衡。

3）并網狀態下，當逆變器開關管線路故障或信號傳輸故障時，光伏側輸出電壓波形基本保持穩定，輸出電流波形發生畸變，電流間相序發生較大變化，且電流中直流分量和2 次、12 次諧波含量較高，對電網負荷用電質量影響較大。