光伏發(fā)電系統(tǒng)故障特征研究

摘 要：隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光伏發(fā)電已成為新能源并網(wǎng)的主力軍。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略與傳統(tǒng)火力發(fā)電系統(tǒng)的不同，當(dāng)送出線路發(fā)生故障時(shí)，其控制策略下的電氣特征異于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)。因此，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略對(duì)其故障特征的影響有重大意義。建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而重點(diǎn)研究了控制策略的設(shè)計(jì)及其在不同故障條件下的應(yīng)用效果，通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，從幅值、相位、序分量等多個(gè)角度綜合分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)在故障期間的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略能夠有效調(diào)整故障電流的電氣特性，以適應(yīng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性需求。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；控制策略；故障特征；送出線路；電氣特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

近些年，中國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展西電東送、南電北送及新能源并網(wǎng)等工程。其中，新能源并網(wǎng)已經(jīng)成為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的重要支柱，且擁有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。目前，光伏發(fā)電已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷提升和發(fā)展，其發(fā)電效率已達(dá)到80%以上[3]，光伏發(fā)電裝機(jī)容量在新能源并網(wǎng)裝機(jī)容量中的占比逐漸上升。

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于柔性功率點(diǎn)跟蹤（FPPT）的光伏發(fā)電系統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策路，該策略能夠在用電負(fù)荷、并網(wǎng)調(diào)度功率需求或外界光照條件等因素發(fā)生變化時(shí)，確保光伏陣列始終在最佳狀態(tài)運(yùn)行，改善光伏發(fā)電系統(tǒng)VSG的運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于粒子群優(yōu)化算法與占向比擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）分段控制方法。文獻(xiàn)[6]提出了一種三相級(jí)聯(lián)H橋并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)參與電網(wǎng)頻率支撐的控制策略，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)在MPPT、限功率和支撐電網(wǎng)頻率3種模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[7]針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在低電壓穿越（LVRT）時(shí)的特性，提出了一種自適應(yīng)MPPT的LVRT優(yōu)化控制策略，通過(guò)自適應(yīng)最小均方差的電導(dǎo)增量法生成外環(huán)控制參照電壓，并在傳統(tǒng)控制模型上增加自適應(yīng)模塊，顯著提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)抑制擾動(dòng)的能力。

上述文獻(xiàn)集中于對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略進(jìn)行研究，并未從控制策略所導(dǎo)致的故障特征這一角度進(jìn)行詳細(xì)分析。光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略異于傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)而言，新能源的并網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)調(diào)峰、安全、電能質(zhì)量等方面帶來(lái)一系列問(wèn)題[8-9]。特別是在光伏發(fā)電并網(wǎng)的交流線路發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略下的電氣特征與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)存在較大差異[10-11]。基于此，本文分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障特征進(jìn)行研究，為未來(lái)光伏發(fā)電并網(wǎng)、繼電保護(hù)的研究提供參考。

1" 光伏發(fā)電能力與系統(tǒng)模型

以某300 MW的典型山地光伏電站為例進(jìn)行分析。該項(xiàng)目采用晶澳太陽(yáng)能有限公司生產(chǎn)的545 W光伏組件，直流側(cè)裝機(jī)容量為345 MW，容配比為1.15：1。通過(guò)PVsyst軟件對(duì)該光伏電站進(jìn)行發(fā)電量仿真模擬，得到其首年發(fā)電量損耗圖和日輸出功率曲線分別如圖1、圖2所示。

由圖1可知：綜合考慮光伏組件最佳安裝傾角、雙面光伏組件的發(fā)電量增益、山地復(fù)雜地形造成的陰影遮擋，以及不可避免因素等造成的發(fā)電量損失，該光伏電站理論上在首年可貢獻(xiàn)約50999萬(wàn)kWh的電量。由圖2可知：該光伏電站在12：00時(shí)輸出功率達(dá)到最大，約為300 MW。

根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，本光伏電站所用光伏組件的首年衰減率為2.00%，隨后每年衰減0.55%。僅考慮光伏組件衰減的影響，該光伏電站在全生命周期（25年）內(nèi)的預(yù)計(jì)發(fā)電量如表1所示。

由表1可知：該光伏電站25年的總發(fā)電量為1169209萬(wàn)kWh，年均發(fā)電小時(shí)數(shù)可達(dá)1355.6 h。基于此，將光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)工況的逆變型電源，等效模型如圖3所示。圖中：uSa、uSb、uSc分別為電網(wǎng)側(cè)A、B、C相電壓，isa、isb、isc分別為電網(wǎng)側(cè)A、B、C相電流；R為等效電阻；L為等效電感；N為中性點(diǎn)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓計(jì)算式為：

（1）

式中：uS，abc為電網(wǎng)側(cè)電壓；iS，abc為電網(wǎng)側(cè)電流；uPV，abc為光伏發(fā)系統(tǒng)電側(cè)電壓；t為光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

其中：

（2）

（3）

（4）

式中：uPVa、uPVb、uPVc分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)A、B、C相電壓。

將式（1）～式（4）轉(zhuǎn)換為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可得：

（5）

式中：id、iq分別為d軸、q軸電流；uPVd、uPVq分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)d軸、q軸電壓；uSd、uSq分別為電網(wǎng)側(cè)d軸、q軸電壓；ω為角頻率。

對(duì)式（5）使用拉氏變換，得到其在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

（6）

由于上述公式中均有id和iq，對(duì)其采用比例-積分調(diào)節(jié)（PI）控制，可得：

（7）

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；id，ref為d軸電流目標(biāo)值；iq，ref為q軸電流目標(biāo)值。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，交流系統(tǒng)功率的計(jì)算式為：

（8）

式中：P為有功功率；Q為無(wú)功功率。

當(dāng)d軸以電網(wǎng)電壓向量定位時(shí)，可得到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率計(jì)算式為：

（9）

式中：uS為電網(wǎng)電壓矢量幅值。

由此可知，可以通過(guò)控制d軸、q軸電流來(lái)單獨(dú)控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率。

2" 故障特征分析

在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器的最大輸出電流一般為其額定電流的1.1倍，并且配備抑制負(fù)序電流的控制策略。此時(shí)，當(dāng)交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)三相電壓、光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)三相電壓、電網(wǎng)側(cè)三相電流將包含正、負(fù)序分量，可表示為：

（10）

式中：u+S為電網(wǎng)側(cè)電壓正序分量；u-S為電網(wǎng)側(cè)電壓負(fù)序分量；u+PV為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)電壓正序分量；u-PV為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)電壓負(fù)序分量；i+S為電網(wǎng)側(cè)電流正序分量；i-S為電網(wǎng)側(cè)電流負(fù)序分量。

將上式轉(zhuǎn)化到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得：

（11）

式中：u+Sd 、u+Sq分別為電網(wǎng)側(cè)d軸、q軸電壓正序分量；u-Sd 、u-Sq分別為電網(wǎng)側(cè)d軸、q軸電壓負(fù)序分量；u+PVd 、u+PVq分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)d軸、q電壓正序分量；u-PVd 、u-PVq分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)d軸、q軸電壓負(fù)序分量；i+d、i+q分別為d軸、q軸電流正序分量；i-d 、i-q分別為d軸、q軸電流負(fù)序分量。

根據(jù)式（11）得到交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)正負(fù)序電流解耦后的控制器，如圖4所示。圖中：上角標(biāo)“+”“-”分別代表正序、負(fù)序。

當(dāng)采取抑制負(fù)序電流的控制策略時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)送出線路發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障電流如圖5所示。

由圖5可知：光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流為三相對(duì)稱電流（為抑制負(fù)序和YnD型變壓器阻斷零序電流共同產(chǎn)生的結(jié)果），其幅值約為額定電流的1.1倍；而電網(wǎng)側(cè)故障電流幅值為額定電流的十幾倍。

為了防止因送出線路發(fā)生故障而產(chǎn)生的電壓跌落影響到功率傳輸，光伏發(fā)電系統(tǒng)需具備故障穿越能力[12]，即在電網(wǎng)發(fā)生外部故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)能根據(jù)故障點(diǎn)電壓跌落程度，調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)；在故障電流幅值受限的情況下，優(yōu)先輸出感性無(wú)功功率以支撐和穩(wěn)定輸電線路的電壓。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度，故障期間閉鎖逆變器的功率外環(huán)控制器，電流內(nèi)環(huán)控制器的指令由下式給定：

（12）

式中：UN為送出線路的額定電壓；UPCC為并網(wǎng)點(diǎn)電壓；PN為故障前光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率。

故障穿越時(shí)電流的控制策略（即限幅方式）如圖6所示，圖中：IPV為光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)電流；iq，lim、id，lim分別為q軸、d軸故障電流限值。

為了研究故障穿越條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出的故障特征，仿真模擬送出線路發(fā)生BC相金屬性接地故障時(shí)A相電流的電流故障特征，如圖7所示。圖中：I +為正序A相電流；I 0為零序A相電流。

由于故障電流中正序電流由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，兩種控制策略下電流幅值都被限制，零序電流只與送出線路的零序阻抗和變壓器漏抗有關(guān)，因此，僅比較正序電流和零序電流的夾角即可比較兩種控制策略下各相故障電流幅值的大小，夾角小的電流幅值大。

由圖7a、圖7c可知：在故障期間，因負(fù)序電流被抑制至零，正序電流的幅值受到限制，導(dǎo)致零序電流在故障電流中占據(jù)主導(dǎo)地位，各相電流的相位趨于一致。對(duì)比兩種控制策略下各相故障電流幅值的大小，采用無(wú)功電流優(yōu)先控制策略（即故障穿越策略）下A相故障電流幅值小于正常控制策略下的A相故障電流幅值，而其B、C相故障電流幅值大于傳統(tǒng)控制策略下的B、C相故障電流幅值。

由圖7b可知：忽略負(fù)序電流，A相零序電流相位為91.956?，而A相正序電流相位為1.737?，兩者夾角為90.219?，這導(dǎo)致B相的正序電流相

位與零序電流相位夾角為149.781?，正序電流與零序電流互相抵消，使B相故障電流幅值低于額定電流的水平。此時(shí)，C相正序電流相位超過(guò)A相正序電流相位120?，C相的正序電流相位與零序電流相位夾角為29.781?，C相正序電流與零序電流的矢量和幅值大于額定電流的水平。

由圖7d可知：A相零序電流相位為92.015?，因采用無(wú)功電流優(yōu)先的控制策略，使其正序電流相位較正常控制策略的低，A相正序電流相位為-40.789?，兩者夾角為132.804?。B相的正序電流相位與零序電流相位夾角為107.196°，正序電流與零序電流矢量和幅值略大于額定電流的水平。而C相的正序電流相位與零序電流相位夾角為12.804?，所以C相正序電流與零序電流的矢量和幅值遠(yuǎn)大于額定電流的水平。因此，在圖7a中C相電流最大，B相電流最小；而在圖7c中，C相電流最大，A相電流最小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述分析一致。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，d軸電流與q軸電流應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：Ulim為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出故障電流幅值達(dá)到限值時(shí)對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值。

由式（13）可知：故障電流可分為3個(gè)階段。1）電壓降小于0.1 p.u.時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在正常條件下運(yùn)行，輸出恒定的有功功率。2）當(dāng)電壓降超過(guò)0.1 p.u.時(shí)，故障穿越控制策略發(fā)揮作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流完全由并網(wǎng)點(diǎn)電壓決定。3）光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流達(dá)到其最大允許值，此時(shí)可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)看為僅相位受控的壓控電流源。在前兩個(gè)階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以被看成幅值和相位都受控的壓控電流源。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，交流電流可迅速追蹤外環(huán)控制器輸出的參考電流，有id=id，ref、iq=iq，ref，因此對(duì)id、iq進(jìn)行dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系反變換，可得到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出短路電流為：

（14）

式中：θ1為A相短路電流的初相位，ξ為簡(jiǎn)化式。

ξ代表：

（15）

當(dāng)送出線路發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自身控制策略提供感性無(wú)功功率來(lái)支撐電壓的跌落，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，d軸、q軸電流會(huì)在額定的幅值內(nèi)，根據(jù)電壓跌落的不同程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。故障越嚴(yán)重，q軸電流與d軸電流的比值越大，則ξ值越小。所以，故障電流的相位會(huì)隨著電壓跌落程度的增大而減小。

分別對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)送出線路中各種短路故障進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出；光伏發(fā)電系統(tǒng)在送出線路故障時(shí)，其提供的短路電流呈現(xiàn)出幅值受限、無(wú)負(fù)序分量且能提供一定感性無(wú)功功率的特性。

綜上，光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略能夠有效調(diào)整故障電流電氣特性，以適應(yīng)電網(wǎng)穩(wěn)定性需求。

3" 結(jié)論

本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，并基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略及其在故障條件下的性能表現(xiàn)。通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略對(duì)故障電流的特征有顯著影響。當(dāng)送出線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的故障電流不包含負(fù)序分量，表現(xiàn)出對(duì)稱故障的特性。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)故障電流幅值受限，與電網(wǎng)側(cè)故障電流相比，其幅值較小。

2）光伏發(fā)電系統(tǒng)在故障初期可以被看成幅值和相位都受控的壓控電流源；當(dāng)故障電流達(dá)到其最大允許值時(shí)，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)看為僅相位受控的壓控電流源。

3）在故障穿越過(guò)程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)提供一定的感性無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)電壓，故障電流的相位會(huì)隨著電壓跌落程度的增大而減小。

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STUDY ON FAULT CHARACTERISTIC OF PV POWER"GENERATION SYSTEMS

Xu Shuo

（New Energy Technology Development Company of China Huadian Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100071，China）

Abstract：With the proposal of the \"emission peak and carbon neutrality\" goals and the rapid development and widespread application of PV power generation technology，PV power has become the main force in the integration of new energy into the grid. However，the control strategies of PV power systems differ from those of traditional thermal power generation systems. When faults occur in the transmission lines，the electrical characteristics under its control strategy are distinct from those of traditional synchronous generators. Therefore，studying the impact of the control strategies of PV power generation systems on their fault characteristics is of significant importance. A mathematical model of the PV power generation system based on the dq coordinate system is established in this paper，and the design of control strategies and their application effects under various fault conditions are studied in depth. Through theoretical analysis and simulation experiments，the performance of the PV power generation system during faults period is comprehensively analyzed from multiple perspectives，including amplitude，phase，and sequence components. The research results show that the control strategies of PV power generation systems can effectively adjust the electrical characteristics of fault current to meet the stability requirements of the power grid.

Keywords：PV power generation systems；control strategy；fault characteristics；outgoing line；electrical characteristics

通信作者：許碩（1995—），男，碩士，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)方面的研究。632582296@qq.com