光伏逆变器的短路特性分析

杨彦召

摘 要：在光伏发电系统中，光伏逆变器是一个重要的组成部分，对电力系统的正常运行起着非常关键的作用。按照不同的划分方式，逆变器可以分为不同的种类。本文通过对光伏逆变器的概念进行阐释，对光伏逆变器的短路特性进行分析，指出发生故障的主要特征，能够进一步解决运行过程中出现的主要问题，实现更大的经济效益与社会效益。

关键词：光伏发电；逆变器；短路特性

中图分类号：TM434 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0172-01

电源在电力系统中具有非常重要的地位，按照传统说法，电源指的是与电力系统相互联系的同步发电机。在分布式发电技术的推动下，电力系统中并入了越来越多的发电装置，特别是由最突出的是电力电子元件组成的逆变型电源，在发电装置中表现的异常明显。在电力系统中，分布式电源的以越来越多的形式表现出来，在微电网中发挥着至关重要的作用。电力电子元件及控制系统是逆变型分布式电源的主要组成部分，在发生故障的时候，与传统电源的特性有不同的区别，带来了给系统保护和分析方面的问题。

以分布式电源的并网方式为依据，分布式电源主要有以下三种：第一，旋转电机和变流器并联并网，组成了分布式电源，在某种程度上，属于双馈风力发电系统；第二，通过变流器并网，形成了分布式电源，蓄电池、光伏发电系统、直驱风力发电系统、微型燃气轮机等包含在内；第三，仅仅由旋转电机并网形成的电源，主要表现方式为小型同步发电机。最常见的形式是柴油发电机组，简单来说，就是将柴油机作为原动机，在动力作用下，使同步发电机及时进行发电的一种电源设备。

1 光伏逆变器简介

光伏逆变器也可称为电源调整器，以在光伏发电系统中的用途为依据，逆变器主要分为以下两种：一类是独立式电源网，一类是合并网。以波形调制的方式为依据，逆变器分为四类，分别是方波逆变器、正弦波逆变器、阶梯波逆变器以及组合式三相逆变器。在合并网应用逆变器时，根据变压器的有无情况，逆变器又分为两类，分别是变压器型逆变器和无变压器型逆变器。

一般来讲，整流指的是交流电在某种作用下转化成为直流电的过程，整流状态下的电路则被称作整流电路。在整流发生并完成的全部过程中，应用到的相关设备称为整流设备。与此对应，逆变指的是直流电转化成为交流电的过程，在这个过程中的电路称为逆变电路，对逆变进行操作的设备称为逆变设备。

根据上述内容可以看出，按照分类方式的不同，逆变器具有多种多样的种类，在挑选逆变器的过程中，一定要结合实际情况，对相关数据进行仔细分析，保证逆变器的实用性。在光伏发电产业中，逆变器效率对光伏电池容量的大小具有直接的决定作用。在整个逆变设备中，逆变开关电路处于核心地位，在操作逆变电路的过程中，将开关进行连接与断开，实现逆变的顺利操作。

2 光伏逆变器的短路特性分析

2.1 理论分析

按控制方式进行分类，光伏逆变器主要有以下几种控制方法，分别是PI控制、闭环控制、滞环控制、重复控制、无差拍控制、空间矢量控制等。就电流的控制强度方面而言，并网光伏逆变器具有非常成熟的控制方法，在闭环控制的基础上，实现对电流的有效控制。作为闭环控制的外环控制，电压调节器对逆变器直流侧进行控制，输出电压以跟踪电压为参照，或者在PI调节装置的配合下，使有功输入电流分量的参考值达到最精确的程度。对额定电压外输出的电流指令，主要由电流内环的相应装置进行有效控制。

一般来说，当周边环境（光照条件、温度条件、水分条件）发生变化的时候，光伏发电输出功率也会相应发生改变。此时，MPPT控制器可以调整和控制逆变器输入的电压，使电压值能够与实际的工作相符合。直流工作电压的参考值以及无功参考值是逆变器的控制要点，在一定作用下，最终转变为电流内环参考值。逆变器控制的特性是造成光伏系统故障的关键。因此，必须采取切实有效的措施，对光伏逆变器进行保护，最终实现对光伏系统的保护。如果系统出现不同程度的故障，影响内环电流的参考数值，想要保证电流处于可以控制的范围之内，必须使饱和模块不生效，将增长后的电路最大值限制在一定门槛内。

当光伏系统发生故障的时候，逆变器会出现以下两种不同的情况：第一，饱和模块不发生作用，远端故障系统功率在故障的过程中是主要控制因素。有功电流在一定作用下不断增大，在增大的过程中被限制，因此，故障特性会随之不断显现出来，短暂的时间过后，光伏系统逐渐趋于稳定状态。此时，输出功率处于恒定值，没有发生明显的改变，系统与等功源的功效等同。第二，饱和模块发挥了自身的效用，如果出现了近端故障，端口电压会在短时间内大大降低，以等功源为参考依据，对电流电压的数值进行记录，并结合相关的算法进行准确计算。此时，电流的输出数值会变大，当输出电流量超过了额定值后，电压外环将不再发生效用，双环对电流进行直接控制。在这种情况下，饱和模块引发动作，系统状态不断回稳，干扰的电压在系统内逐渐消失，输出的电流值回归正常。

2.2 仿真分析

仿真分析中，光伏逆变器的故障表现的比较集中而且非常明显，通常有以下几种故障：第一，升压变高压侧三相故障。当这种发生以后，会有10ms的过渡时间，之后电流电压会逐渐回稳，此时，逆变器输出的正序电流也趋于稳定，功率的方向由负方向转变为正方向。第二，升压变低压侧三项故障，在故障出现并且经过过渡期之后，电压开始出现回稳，逆变器输出的正序电流处于稳定状态，正方向为此时功率的方向。第三，升压变低压侧亮相故障，这种故障发生时，在过渡期内，基波值有很大的波动性，之后会呈现出稳定状态，输出正方向的正序电流。此外，没有出现故障的电流与故障的电流值相同，在数值稳定后，不会出现零序分量以及负序分量。第四，低压侧故障，故障发生后，在20ms内电流基波波动较为明显，稳定后开始发生变化，100ms后，逆变器稳定输出正方向的正序电流。与其他故障相比，这种故障下的电流较小，并且没有发生故障的电流与发生故障的电流值一致，达到稳定状态后，不会出现零序分量以及负序分量。

2.3 测试对比分析

在理论分析与仿真分析之后，在实验的过程中总结了一定的经验，对数据进行分析可以得出结论，三相短路是逆变器并网电压降低到额定电压值20%的主要原因。发生短路的时候，电流的峰值瞬间达到稳定电流的2.8倍，并且能够持续了2.5ms，在顺利实现过渡后，电流在随着时间的增长不断趋于稳定。在测试对比分析之后，最终的实验结果与理论分析、仿真分析的结果完全相符，具有很强的说服力。

3 光伏逆变器的主要故障特征

在理论分析、仿真试验之后，可以得出光伏逆变器的主要故障特征，包含以下几点：

（1）在反映故障特征的过程中，逆变器的种类并不是最终的决定因素，各种光伏逆变器输出的功率方向具有一定的规律。（2）当故障发生的时候，存在一个短时间的过渡期，这个时间段内，一定的谐波分量起到了不同程度的作用。（3）在过渡过程中，直流侧内容、功率外环参数、输入功率大小等因素都会影响到时间和峰值的大小及波动情况。（4）如果电网的故障出现了对称和不对称的情况，对于逆变型分布式电源来说，输出的是正序电流，不存在負序和零序电流。在出现故障的整个过程中，单相故障、两相故障和三相故障的电流没有明显差别。因此，在判断故障区别的时候，通过选择电流的顺序是行不通的。（5）逆变器中的振幅具有一定的限制范围，因此，在区别故障发生距离的时候，以电流为判断依据是不合适的，并不能进行准确有效的判断。

4 结语

光伏逆变器在光伏电力系统中具有非常重要的作用，选择合适的逆变器对促进电力系统的正常运行极为关键。在经济的发展及科学技术的推动下，光伏逆变器发挥了强大的性能，但同时也出现了一系列不可避免的问题。正确认识光伏逆变器的特性，结合实际情况，在理论分析、仿真分析、测试对比分析的基础上，对实际问题进行仔细分析，提高光伏逆变器的使用性能，促进光伏电力系统的平稳运行，创造更大的经济效益。

参考文献

[1]李红贤.三相光伏并网逆变器故障诊断研究[D].华北电力大学（北京），2016.

[2]习伟，张哲，陈卫等.光伏逆变器短路特性分析[J].电力系统保护与控制，2015，（07）：70-75.