楊彥召

摘 要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器是一個(gè)重要的組成部分，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用。按照不同的劃分方式，逆變器可以分為不同的種類。本文通過(guò)對(duì)光伏逆變器的概念進(jìn)行闡釋，對(duì)光伏逆變器的短路特性進(jìn)行分析，指出發(fā)生故障的主要特征，能夠進(jìn)一步解決運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的主要問題，實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器；短路特性

中圖分類號(hào)：TM434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）12-0172-01

電源在電力系統(tǒng)中具有非常重要的地位，按照傳統(tǒng)說(shuō)法，電源指的是與電力系統(tǒng)相互聯(lián)系的同步發(fā)電機(jī)。在分布式發(fā)電技術(shù)的推動(dòng)下，電力系統(tǒng)中并入了越來(lái)越多的發(fā)電裝置，特別是由最突出的是電力電子元件組成的逆變型電源，在發(fā)電裝置中表現(xiàn)的異常明顯。在電力系統(tǒng)中，分布式電源的以越來(lái)越多的形式表現(xiàn)出來(lái)，在微電網(wǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電力電子元件及控制系統(tǒng)是逆變型分布式電源的主要組成部分，在發(fā)生故障的時(shí)候，與傳統(tǒng)電源的特性有不同的區(qū)別，帶來(lái)了給系統(tǒng)保護(hù)和分析方面的問題。

以分布式電源的并網(wǎng)方式為依據(jù)，分布式電源主要有以下三種：第一，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變流器并聯(lián)并網(wǎng)，組成了分布式電源，在某種程度上，屬于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；第二，通過(guò)變流器并網(wǎng)，形成了分布式電源，蓄電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等包含在內(nèi)；第三，僅僅由旋轉(zhuǎn)電機(jī)并網(wǎng)形成的電源，主要表現(xiàn)方式為小型同步發(fā)電機(jī)。最常見的形式是柴油發(fā)電機(jī)組，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，在動(dòng)力作用下，使同步發(fā)電機(jī)及時(shí)進(jìn)行發(fā)電的一種電源設(shè)備。

1 光伏逆變器簡(jiǎn)介

光伏逆變器也可稱為電源調(diào)整器，以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途為依據(jù)，逆變器主要分為以下兩種：一類是獨(dú)立式電源網(wǎng)，一類是合并網(wǎng)。以波形調(diào)制的方式為依據(jù)，逆變器分為四類，分別是方波逆變器、正弦波逆變器、階梯波逆變器以及組合式三相逆變器。在合并網(wǎng)應(yīng)用逆變器時(shí)，根據(jù)變壓器的有無(wú)情況，逆變器又分為兩類，分別是變壓器型逆變器和無(wú)變壓器型逆變器。

一般來(lái)講，整流指的是交流電在某種作用下轉(zhuǎn)化成為直流電的過(guò)程，整流狀態(tài)下的電路則被稱作整流電路。在整流發(fā)生并完成的全部過(guò)程中，應(yīng)用到的相關(guān)設(shè)備稱為整流設(shè)備。與此對(duì)應(yīng)，逆變指的是直流電轉(zhuǎn)化成為交流電的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中的電路稱為逆變電路，對(duì)逆變進(jìn)行操作的設(shè)備稱為逆變?cè)O(shè)備。

根據(jù)上述內(nèi)容可以看出，按照分類方式的不同，逆變器具有多種多樣的種類，在挑選逆變器的過(guò)程中，一定要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，保證逆變器的實(shí)用性。在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，逆變器效率對(duì)光伏電池容量的大小具有直接的決定作用。在整個(gè)逆變?cè)O(shè)備中，逆變開關(guān)電路處于核心地位，在操作逆變電路的過(guò)程中，將開關(guān)進(jìn)行連接與斷開，實(shí)現(xiàn)逆變的順利操作。

2 光伏逆變器的短路特性分析

2.1 理論分析

按控制方式進(jìn)行分類，光伏逆變器主要有以下幾種控制方法，分別是PI控制、閉環(huán)控制、滯環(huán)控制、重復(fù)控制、無(wú)差拍控制、空間矢量控制等。就電流的控制強(qiáng)度方面而言，并網(wǎng)光伏逆變器具有非常成熟的控制方法，在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的有效控制。作為閉環(huán)控制的外環(huán)控制，電壓調(diào)節(jié)器對(duì)逆變器直流側(cè)進(jìn)行控制，輸出電壓以跟蹤電壓為參照，或者在PI調(diào)節(jié)裝置的配合下，使有功輸入電流分量的參考值達(dá)到最精確的程度。對(duì)額定電壓外輸出的電流指令，主要由電流內(nèi)環(huán)的相應(yīng)裝置進(jìn)行有效控制。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)周邊環(huán)境（光照條件、溫度條件、水分條件）發(fā)生變化的時(shí)候，光伏發(fā)電輸出功率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。此時(shí)，MPPT控制器可以調(diào)整和控制逆變器輸入的電壓，使電壓值能夠與實(shí)際的工作相符合。直流工作電壓的參考值以及無(wú)功參考值是逆變器的控制要點(diǎn)，在一定作用下，最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鲀?nèi)環(huán)參考值。逆變器控制的特性是造成光伏系統(tǒng)故障的關(guān)鍵。因此，必須采取切實(shí)有效的措施，對(duì)光伏逆變器進(jìn)行保護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)的保護(hù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的故障，影響內(nèi)環(huán)電流的參考數(shù)值，想要保證電流處于可以控制的范圍之內(nèi)，必須使飽和模塊不生效，將增長(zhǎng)后的電路最大值限制在一定門檻內(nèi)。

當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，逆變器會(huì)出現(xiàn)以下兩種不同的情況：第一，飽和模塊不發(fā)生作用，遠(yuǎn)端故障系統(tǒng)功率在故障的過(guò)程中是主要控制因素。有功電流在一定作用下不斷增大，在增大的過(guò)程中被限制，因此，故障特性會(huì)隨之不斷顯現(xiàn)出來(lái)，短暫的時(shí)間過(guò)后，光伏系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，輸出功率處于恒定值，沒有發(fā)生明顯的改變，系統(tǒng)與等功源的功效等同。第二，飽和模塊發(fā)揮了自身的效用，如果出現(xiàn)了近端故障，端口電壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大大降低，以等功源為參考依據(jù)，對(duì)電流電壓的數(shù)值進(jìn)行記錄，并結(jié)合相關(guān)的算法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。此時(shí)，電流的輸出數(shù)值會(huì)變大，當(dāng)輸出電流量超過(guò)了額定值后，電壓外環(huán)將不再發(fā)生效用，雙環(huán)對(duì)電流進(jìn)行直接控制。在這種情況下，飽和模塊引發(fā)動(dòng)作，系統(tǒng)狀態(tài)不斷回穩(wěn)，干擾的電壓在系統(tǒng)內(nèi)逐漸消失，輸出的電流值回歸正常。

2.2 仿真分析

仿真分析中，光伏逆變器的故障表現(xiàn)的比較集中而且非常明顯，通常有以下幾種故障：第一，升壓變高壓側(cè)三相故障。當(dāng)這種發(fā)生以后，會(huì)有10ms的過(guò)渡時(shí)間，之后電流電壓會(huì)逐漸回穩(wěn)，此時(shí)，逆變器輸出的正序電流也趨于穩(wěn)定，功率的方向由負(fù)方向轉(zhuǎn)變?yōu)檎较?。第二，升壓變低壓?cè)三項(xiàng)故障，在故障出現(xiàn)并且經(jīng)過(guò)過(guò)渡期之后，電壓開始出現(xiàn)回穩(wěn)，逆變器輸出的正序電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，正方向?yàn)榇藭r(shí)功率的方向。第三，升壓變低壓側(cè)亮相故障，這種故障發(fā)生時(shí)，在過(guò)渡期內(nèi)，基波值有很大的波動(dòng)性，之后會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，輸出正方向的正序電流。此外，沒有出現(xiàn)故障的電流與故障的電流值相同，在數(shù)值穩(wěn)定后，不會(huì)出現(xiàn)零序分量以及負(fù)序分量。第四，低壓側(cè)故障，故障發(fā)生后，在20ms內(nèi)電流基波波動(dòng)較為明顯，穩(wěn)定后開始發(fā)生變化，100ms后，逆變器穩(wěn)定輸出正方向的正序電流。與其他故障相比，這種故障下的電流較小，并且沒有發(fā)生故障的電流與發(fā)生故障的電流值一致，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，不會(huì)出現(xiàn)零序分量以及負(fù)序分量。

2.3 測(cè)試對(duì)比分析

在理論分析與仿真分析之后，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出結(jié)論，三相短路是逆變器并網(wǎng)電壓降低到額定電壓值20%的主要原因。發(fā)生短路的時(shí)候，電流的峰值瞬間達(dá)到穩(wěn)定電流的2.8倍，并且能夠持續(xù)了2.5ms，在順利實(shí)現(xiàn)過(guò)渡后，電流在隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷趨于穩(wěn)定。在測(cè)試對(duì)比分析之后，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析、仿真分析的結(jié)果完全相符，具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。

3 光伏逆變器的主要故障特征

在理論分析、仿真試驗(yàn)之后，可以得出光伏逆變器的主要故障特征，包含以下幾點(diǎn)：

（1）在反映故障特征的過(guò)程中，逆變器的種類并不是最終的決定因素，各種光伏逆變器輸出的功率方向具有一定的規(guī)律。（2）當(dāng)故障發(fā)生的時(shí)候，存在一個(gè)短時(shí)間的過(guò)渡期，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，一定的諧波分量起到了不同程度的作用。（3）在過(guò)渡過(guò)程中，直流側(cè)內(nèi)容、功率外環(huán)參數(shù)、輸入功率大小等因素都會(huì)影響到時(shí)間和峰值的大小及波動(dòng)情況。（4）如果電網(wǎng)的故障出現(xiàn)了對(duì)稱和不對(duì)稱的情況，對(duì)于逆變型分布式電源來(lái)說(shuō)，輸出的是正序電流，不存在負(fù)序和零序電流。在出現(xiàn)故障的整個(gè)過(guò)程中，單相故障、兩相故障和三相故障的電流沒有明顯差別。因此，在判斷故障區(qū)別的時(shí)候，通過(guò)選擇電流的順序是行不通的。（5）逆變器中的振幅具有一定的限制范圍，因此，在區(qū)別故障發(fā)生距離的時(shí)候，以電流為判斷依據(jù)是不合適的，并不能進(jìn)行準(zhǔn)確有效的判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏逆變器在光伏電力系統(tǒng)中具有非常重要的作用，選擇合適的逆變器對(duì)促進(jìn)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行極為關(guān)鍵。在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，光伏逆變器發(fā)揮了強(qiáng)大的性能，但同時(shí)也出現(xiàn)了一系列不可避免的問題。正確認(rèn)識(shí)光伏逆變器的特性，結(jié)合實(shí)際情況，在理論分析、仿真分析、測(cè)試對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行仔細(xì)分析，提高光伏逆變器的使用性能，促進(jìn)光伏電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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