一文读懂 光伏逆变器短路那点儿事

1、前言

短路故障相对于其他故障类型来说是比较常见的，不同的设备的短路故障，大了讲都一样，细了说各有千秋，今天我们主要聊聊光伏逆变器的短路特征。

电力系统中的电源，传统意义是指的是并入电力系统的同步发电机。但随着分布式发电技术的发展，各种形式的发电装置并入电力系统。按照分布式电源并网的方式，我们大致可以分为以下三类：

通过旋转电机和变流器并联并网的电源，主要指双馈风力发电系统;

仅仅通过变流器并网的电源，主要包括直驱风力发电系统、光伏发电系统、蓄电池、微型燃气轮机等;

仅仅通过旋转电机并网的电源，主要是小型的同步发电机，常见的为快速响应的柴油发电机组。

接下来，我们主要聊到的是属于第二类的光伏系统中逆变器的短路特性。

2、控制方式和特性

光伏逆变器的典型拓扑结构如下：

 

 

光伏逆变器的主要控制方法主要有：PI控制、滞环控制、双闭环控制、空间矢量PWM控制、无差拍控制、重复控制、比例谐振控制等等。其中，在并网光伏逆变器中，较为成熟使用较多的当属电流型控制方式，一般采用双闭环控制。

在双闭环控制中，电压调节器作为外环控制，一方面控制逆变器直流侧输出电压Udc跟踪电压给定值Udcref;另一方面通过PI调节器得到有功输入电流分量的参考值id*和无功电流分量的参考值iq*。电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。

光伏系统的短路故障特性主要取决于其控制方式的特点，为了保证在电力系统发生短路时的短路电流不超过逆变器的限定值，一般会在控制回路中的电流内环加入饱和模块。当发生故障时，内环参考电流将受到限制，通过设置饱和模块的上限，从而使得故障电流限制在允许得范围内，一般短路电流限制在额定电流得1.2~1.5倍。当饱和模块失效时，双环控制系统得外环控制会失效，系统变为纯电流控制。

系统发生短路时，逆变器的输出有两种情况：

①饱和模块不生效

远端故障时，系统的功率外环控制起决定性作用，有功电流增大，增大后的电流幅值在限幅门槛之内，所以此时的故障特性和负荷突然增加的响应式一致的，经过一个短暂的过渡过程，系统达到新的稳态，此时的输出功率仍然等于故障发生前的输出功率，系统相当于一个等功率源。

②饱和模块生效

近端故障时，由于端口电压降低，此时按照等功率源计算的话，为了保持功率不变，将输出较大电流;如果输出电流超过了逆变器的限制，电压外环将失去作用，双环控制变成纯电流控制。由于电流饱和控制模块在很短时间内便能够达到稳态值，在进入稳态后电网扰动电压消失，光伏系统的输出电流值和电流饱和模块的设定值相等。

上述两种情况，故障发生后都会存在一个短暂的过渡过程，此过程中可能会产生一定量的谐波，过程的时间长短主要取决于系统直流侧电容的大小、双环控制中外环控制的参数、直流侧输入功率等因素。

3、不同故障时的特点

下面我们来看下，升压变高压侧三相故障、升压变低压侧三相故障、相间故障和单相故障时的逆变器输出特征。故障前逆变器输出正序电流均为276A，没有零序和负序电流。

①升压变高压侧三相故障

发生此故障时，低压侧电流电压波形如下图所示：

 

 

故障过程中存在10ms的过渡过程，过程结束后，电流和电压趋于稳定，逆变器稳定后输出的正序电流为544A，功率方向为正方向。

②升压变低压侧三相故障

发生此故障时，低压侧电流电压波形如下图所示：

 

 

同样存在10ms的过渡过程，过程结束后，电流电压趋于稳定，逆变器稳定后输出的正序电流为549A，功率方向为正。故障电流和升压变高压侧三相故障基本相同。

③升压变低压侧两相间故障

发生此故障时，低压侧电流电压波形如下图所示：

 

 

10ms的过渡过程，该段时间内基波幅值不稳定。过渡结束后，电流和电压的基波幅值趋于稳定;逆变器稳定后输出的正序电流为560A，功率方向为正。非故障相电流和故障相电流幅值基本相同，稳定后无零序和负序分量。

④低压侧单相故障

发生此故障时，低压侧电流电压波形如下图所示：

 

 

故障过程20ms电流基波幅值不稳定，之后基本稳定;故障100ms后逆变器稳定输出的正序电流为445A，功率方向为正，故障电流略小于升压变高压侧三相故障时的电流。非故障相电流和故障相电流幅值基本相同，稳定后没有零序和负序分量。

4、概括

光伏逆变器的短路故障特征主要有：

①无论何种类型故障，逆变器的输出功率方向能正确反映故障特征;

②故障过程中存在较短的过渡过程，该过程中存在一定的谐波分量;

③过渡过程中的时间以及峰值的影响因素很多，包括直流侧电容、功率外环参数、输入功率大小等;

④在电网对称和不对称的故障情况下，逆变器均只输出正序电流，没有零序和负序电流。故障过程中，无论是单相故障、两相故障或者三相故障，三相电流差别不大，无法通过电流选择故障相别;

⑤由于逆变器中限幅作用的影响，无法通过电流大小来区别故障发生的远近。