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光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?

發(fā)布時間:2019-08-19 責任編輯:lina

【導讀】短路故障相對于其他故障類型來說是比較常見的,不同的設備的短路故障,大了講都一樣,細了說各有千秋,今天我們主要聊聊光伏逆變器的短路特征。
 
1、前言
短路故障相對于其他故障類型來說是比較常見的,不同的設備的短路故障,大了講都一樣,細了說各有千秋,今天我們主要聊聊光伏逆變器的短路特征。
 
電力系統(tǒng)中的電源,傳統(tǒng)意義是指的是并入電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機。但隨著分布式發(fā)電技術的發(fā)展,各種形式的發(fā)電裝置并入電力系統(tǒng)。按照分布式電源并網(wǎng)的方式,我們大致可以分為以下三類:
 
通過旋轉電機和變流器并聯(lián)并網(wǎng)的電源,主要指雙饋風力發(fā)電系統(tǒng);
僅僅通過變流器并網(wǎng)的電源,主要包括直驅風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池、微型燃氣輪機等;
僅僅通過旋轉電機并網(wǎng)的電源,主要是小型的同步發(fā)電機,常見的為快速響應的柴油發(fā)電機組。
 
接下來,我們主要聊到的是屬于第二類的光伏系統(tǒng)中逆變器的短路特性。
 
2、控制方式和特性
光伏逆變器的典型拓撲結構如下:
 
光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?
 
光伏逆變器的主要控制方法主要有:PI控制、滯環(huán)控制、雙閉環(huán)控制、空間矢量PWM控制、無差拍控制、重復控制、比例諧振控制等等。其中,在并網(wǎng)光伏逆變器中,較為成熟使用較多的當屬電流型控制方式,一般采用雙閉環(huán)控制。
 
在雙閉環(huán)控制中,電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)控制,一方面控制逆變器直流側輸出電壓Udc跟蹤電壓給定值Udcref;另一方面通過PI調(diào)節(jié)器得到有功輸入電流分量的參考值id*和無功電流分量的參考值iq*。電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制。
 
光伏系統(tǒng)的短路故障特性主要取決于其控制方式的特點,為了保證在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時的短路電流不超過逆變器的限定值,一般會在控制回路中的電流內(nèi)環(huán)加入飽和模塊。當發(fā)生故障時,內(nèi)環(huán)參考電流將受到限制,通過設置飽和模塊的上限,從而使得故障電流限制在允許得范圍內(nèi),一般短路電流限制在額定電流得1.2~1.5倍。當飽和模塊失效時,雙環(huán)控制系統(tǒng)得外環(huán)控制會失效,系統(tǒng)變?yōu)榧冸娏骺刂啤?/div>
 
系統(tǒng)發(fā)生短路時,逆變器的輸出有兩種情況:
①飽和模塊不生效
遠端故障時,系統(tǒng)的功率外環(huán)控制起決定性作用,有功電流增大,增大后的電流幅值在限幅門檻之內(nèi),所以此時的故障特性和負荷突然增加的響應式一致的,經(jīng)過一個短暫的過渡過程,系統(tǒng)達到新的穩(wěn)態(tài),此時的輸出功率仍然等于故障發(fā)生前的輸出功率,系統(tǒng)相當于一個等功率源。
 
②飽和模塊生效
近端故障時,由于端口電壓降低,此時按照等功率源計算的話,為了保持功率不變,將輸出較大電流;如果輸出電流超過了逆變器的限制,電壓外環(huán)將失去作用,雙環(huán)控制變成純電流控制。由于電流飽和控制模塊在很短時間內(nèi)便能夠達到穩(wěn)態(tài)值,在進入穩(wěn)態(tài)后電網(wǎng)擾動電壓消失,光伏系統(tǒng)的輸出電流值和電流飽和模塊的設定值相等。
 
上述兩種情況,故障發(fā)生后都會存在一個短暫的過渡過程,此過程中可能會產(chǎn)生一定量的諧波,過程的時間長短主要取決于系統(tǒng)直流側電容的大小、雙環(huán)控制中外環(huán)控制的參數(shù)、直流側輸入功率等因素。
 
3、不同故障時的特點
下面我們來看下,升壓變高壓側三相故障、升壓變低壓側三相故障、相間故障和單相故障時的逆變器輸出特征。故障前逆變器輸出正序電流均為276A,沒有零序和負序電流。
 
①升壓變高壓側三相故障
發(fā)生此故障時,低壓側電流電壓波形如下圖所示:
 
 光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?
 
故障過程中存在10ms的過渡過程,過程結束后,電流和電壓趨于穩(wěn)定,逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為544A,功率方向為正方向。
 
②升壓變低壓側三相故障
 
發(fā)生此故障時,低壓側電流電壓波形如下圖所示:
 
光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?
  
同樣存在10ms的過渡過程,過程結束后,電流電壓趨于穩(wěn)定,逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為549A,功率方向為正。故障電流和升壓變高壓側三相故障基本相同。
 
③升壓變低壓側兩相間故障
發(fā)生此故障時,低壓側電流電壓波形如下圖所示:
 
 光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?
 
10ms的過渡過程,該段時間內(nèi)基波幅值不穩(wěn)定。過渡結束后,電流和電壓的基波幅值趨于穩(wěn)定;逆變器穩(wěn)定后輸出的正序電流為560A,功率方向為正。非故障相電流和故障相電流幅值基本相同,穩(wěn)定后無零序和負序分量。
 
④低壓側單相故障
發(fā)生此故障時,低壓側電流電壓波形如下圖所示:
 
光伏逆變器短路時電路會出現(xiàn)哪些特征?
  
故障過程20ms電流基波幅值不穩(wěn)定,之后基本穩(wěn)定;故障100ms后逆變器穩(wěn)定輸出的正序電流為445A,功率方向為正,故障電流略小于升壓變高壓側三相故障時的電流。非故障相電流和故障相電流幅值基本相同,穩(wěn)定后沒有零序和負序分量。
 
4、概括
光伏逆變器的短路故障特征主要有:
 
①無論何種類型故障,逆變器的輸出功率方向能正確反映故障特征;
 
②故障過程中存在較短的過渡過程,該過程中存在一定的諧波分量;
 
③過渡過程中的時間以及峰值的影響因素很多,包括直流側電容、功率外環(huán)參數(shù)、輸入功率大小等;
 
④在電網(wǎng)對稱和不對稱的故障情況下,逆變器均只輸出正序電流,沒有零序和負序電流。故障過程中,無論是單相故障、兩相故障或者三相故障,三相電流差別不大,無法通過電流選擇故障相別;
 
⑤由于逆變器中限幅作用的影響,無法通過電流大小來區(qū)別故障發(fā)生的遠近。
 
 
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