光伏发电系统孤岛运行状态的故障特性分析

李盛伟，李永丽，孙景钌，金 强，李旭光，邓 哲

(1. 天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2. 天津市电力公司技术中心，天津 300384；3. 南华大学电气工程学院，衡阳 421001)

能源短缺、环境污染以及连锁故障在大电网中的屡次发生，是电力生产和安全稳定运行不可回避的问题，因此，可再生能源的开发与利用成为国内外近来研究热点[1-3]，其中，随着光伏材料工艺的不断突破，光伏发电(photovoltaic，PV)系统以其能源取之不尽用之不竭的特点，成为节能减排的重要技术手段之一[4]．

PV系统可以广泛分布于电网各处，包括电网虚弱的末梢，还可以与其他新能源以及储能装置组合构建微电网来为用户提供安全、灵活的电力服务[5-6]．因此，为了发挥其最大功效，PV系统应当设计为既可以并网发电，也可以孤岛运行．然而，由于PV系统的容量与配电系统相比一般较小，在并网运行时，线路故障特征受其影响也较小．但是在其孤岛运行时，线路的故障特征完全由 PV系统的容量所限制，与并网运行时完全不同，原有的保护将会有拒动作的可能性．因此，必须要对 PV系统孤岛运行时的故障输出特性进行分析，并制定相应的保护配置方案，以保证电网安全稳定运行．

笔者首先对接入到 380,V/50,Hz的低压配电网的三相 PV系统在线路发生不同类型故障时的故障特征进行了理论分析，然后在 PSCAD/EMTDC中建立了 PV系统的精确模型，进行了仿真分析，最终分析了PV系统孤岛运行方式下的故障特征．

1 PV系统建模

一个典型的 PV系统主要包括 3部分：光伏阵列、DC-DC升压电路、逆变器，其结构如图1所示．据此，本文在 PSCAD/EMTDC中搭建了PV系统的实时仿真模型．

模型中采用阿波莱APM36P100W光伏组件500片，构建50×10的50 kW光伏阵列．PV系统的最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)采用电导增量法[7]，由Boost升压电路实现．

在不同的光照强度下，PV系统模型中光伏阵列的输出特性如图2(a)所示．当光照强度发生阶跃变化(在 0.5,s时由1,000,W/m2降到了750,W/m2，又在1.0,s降到 500,W/m2，在1.5,s时又恢复到1,000,W/m2)时，MPPT的控制响应由图 2(b)所示．然而，实际中的光照强度变化时间常数至少在秒级．因此，光伏阵列的输出功率在故障暂态分析时可以认为是恒定的，在后文的分析中，均是认为光伏阵列工作在标准测试环境(AM1.5，1,000 W/m2，25,℃)下．

PV系统在孤岛运行时由于要维持电压和频率的稳定，因此逆变器只能采用V-f控制模式，据此，本文搭建了三相三线制逆变器的仿真模型，并与前文建立的光伏阵列与升压电路模型共同构成了 PV系统的仿真模型．在此基础上，对 PV系统并网及孤岛运行时不同类型的故障进行理论与仿真分析，以给出其孤岛运行状态下的基频输出特性，并与配网故障特性做对比．进行验证的故障类型有三相金属性接地短路、BC两相相间短路和A相单相接地短路，用于故障分析的系统电路如图3所示．由于PV系统容量与配电系统相比非常小，因此在后文中为了简化并网运行时的分析，忽略掉PV系统的影响．

图2 光伏阵列输出特性及MPPT控制特性Fig.2 Characteristics of PV array and MPPT control

图3 故障分析电路Fig.3 Fault analysis circuit

2 对称性故障特性分析与仿真

当如图3所示的电路中开关S打开时，PV系统带负载进入孤岛运行，无故障时，保护 1处的电压电流可以描述为

PV系统输出的有功功率与无功功率为

式中φ1为ZLine+ ZLoad的阻抗角．

以三相金属性接地短路为例，若故障发生在线路MN末端，由于 380,V低压配电网线路主要呈阻性，因此可以近似认为线路的电抗值为零，同时，若忽略掉增大的故障电流在PV系统等效内阻ZS上的损耗，再考虑到 PV系统在故障前后输出的有功功率 P不变，保护1处的电压电流有效值在故障前后的关系可以近似描述为

式中：U和I分别为故障前电压电流的有效值；U′和I′分别为故障后电压电流的有效值．

而在由配电网为负载供电时，保护安装点的电压电流向量在故障前后的关系由欧姆定律可得

比较式(3)与式(4)可以发现，由于式(3)中根号的存在，PV系统并网运行时保护 1处的故障电流值要大于PV系统孤岛运行时的故障电流，而 PV系统孤岛时保护 1处的故障电压也要低于并网时．仿真结果如图4所示．

图4 PV系统并网与孤岛运行时对称性故障电压电流对比Fig.4 Fault voltages and currents comparison between PV systems grid-connected and islanding operations

由图 4可以看出，在 PV系统孤岛运行时，与并网运行相比较，线路三相短路故障时电流增大的并不多，过电流原理的保护将无法动作，而保护 1处的电压跌落却是非常明显的．

3 非对称性故障特性分析与仿真

对如图3所示的故障分析电路分别进行两相相间短路故障和单相接地短路故障仿真，故障点依旧在线路MN的末端，保护1处的相电压和相电流有效值分别如图5和图6所示．

图5 两相相间短路时的保护1处的电压和电流Fig.5 Phase-to-phase fault voltages and currents of Fig. 5 relay 1

图6 单相接地短路时的保护1处的电压和电流Fig.6 Single line fault voltages and currents of relay 1

由图5和图6可见，孤岛运行情况下在发生非对称性故障时，故障相电流的变化依旧较小，同时，故障相电压的跌落也并不明显，故障时保护1处的电压有效值依旧在可允许运行的范围之内．因此电压和电流原理的保护在发生非对称性故障时将无法正确动作．

三相对称系统在发生不对称故障时可以采用对称分量法进行分析[8]．由于逆变器三相之间存在一定的耦合关系，在外部出现不对称故障时，其供出的不对称电流必然会造成三相等效电动势的不对称，因此在序网络中必然会出现负序的等效电动势．文献[9]基于对称分量法和戴维南等效定律推导了三相逆变电源的序网络等效模型，笔者基于此等效模型对PV系统孤岛运行时的序网络故障特征进行分析．对于如图 3所示的故障分析电路，当开关 S打开时，其序网络等效电路如图7所示．图7中的、分别表示两相短路时PV系统的正序、负序等效电动势．

下文对两相相间短路和单相接地短路故障进行序分量的理论和仿真分析，以给出在 PV系统孤岛运行下发生不对称故障时的故障序分量特征．

图7 PV系统孤岛运行时的序网络等效电路Fig.7 Equivalent sequence network circuits

3.1 两相相间短路故障

对于 PV系统孤岛运行时发生在线路 MN末端的两相相间短路，以 A相为基准相，用序分量表示边界条件为

图8 PV系统并网运行时的负序等效网络Fig.8 Negative sequence equivalent circuit of PV system Fig.8 grid-connected operation

由图 7(a)可知，故障点的正序电压，以及故障支路正序电流分别为

当三相逆变器、线路与负载参数对称，且不考虑线路相间的互感时，逆变器、线路与负载的正负序等效阻抗相等．因此，由式(5)～式(7)可以求得保护 1处的负序电流和电压为

而当 PV系统并网运行发生故障时，由于配电系统具有相对较大的短路容量，可以近似忽略 PV系统对故障特征的影响．因此除了系统内阻抗发生变化外，PV系统并网运行时正序和零序等效网络与图7(a)和(c)一致，负序等效电路如图8所示．

图 8中的 Z′S2为配电系统的负序等效内阻抗，其值与配电系统的正序内阻抗 Z′S1相同．由等效网络及式(5)所示的序分量边界条件可以求得并网运行时保

护1处的负序电流和电压为

在 PV系统孤岛运行时，由边界条件式(5)可知，故障点处正序与负序电流方向相反，正负序电压相同，因此必然有，由式(8)可知保护1处的负序电流满足

此外由于负载阻抗一般要远大于线路阻抗和系统内阻，因此由式(9)可得

由于 PV系统并网运行时的等效系统内阻远小于孤岛时的内阻，即 ZS′ ＜＜ZS，因此比较式(10)与式(11)可以发现，PV系统孤岛运行时的故障电流负序分量要远小于并网运行时．

对于负序电压，同理可由式(8)与式(9)得到

同理，通过式(12)的比较可以分析故障电压的序分量特征为：PV系统孤岛状态下的负序故障电压要远大于其并网运行时．

对图 3所示故障分析电路进行两相相间短路仿真，结果如图9所示，仿真结果验证了上述故障特征.

图9 PV系统两相相间短路故障的负序分量对比Fig.9 Negative sequence voltages and currents compari- son for PV system phase-to-phase fault

3.2 单相接地短路

采用同样的方法可以对单相接地短路故障进行理论和仿真分析，仿真结果如图10所示．

由此可以得到与两相相间故障一致的结论，即：发生非对称性故障时，在 PV系统孤岛运行状态下的负序故障电流较其并网运行状态要小得多，而负序故障电压则要远大于其并网运行状态．

图10 PV系统单相接地短路故障的负序分量对比Fig.10 Negative sequence voltages and currents com-Fig.10 pareson for PV system single line fault

4 结 论

(1) PV系统在孤岛运行时，由于短路容量较小造成了故障情况下电流增幅较小，从而会导致原有的过电流原理的保护装置不再适用．

(2) PV系统孤岛运行且线路上发生对称性故障时，相比于并网运行状态，由于短路容量较小导致保护安装处的相电压跌落非常明显．

(3) 由于逆变器三相间存在一定的耦合关系，PV系统孤岛运行且线路上发生非对称性故障时，在负网络等效电路中 PV 系统存在一个负序等效电动势．因此与并网运行状态相比，保护安装处的负序电压升高较为明显，且负序电流较小．

(4) 适宜用低电压及负序电压原理的保护作为线路的主保护，以保障线路的安全运行．

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