李巖，陳志峰，王玕*

（1.廣東云舜綜合能源科技有限公司，韶關(guān) 512000；2.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800）

引言

在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，清潔能源日益受到重視，其中光伏發(fā)電由于其清潔、高效、可再生等特點，成為全球范圍內(nèi)廣泛研究和應(yīng)用的能源形式。然而，隨著分布式光伏系統(tǒng)規(guī)模的擴大，故障問題逐漸顯現(xiàn)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響。為了更好地理解各類故障，已有學(xué)者開展分布式光伏系統(tǒng)的故障分析、故障預(yù)警以及故障處理等方面的研究。

圖1 含分布式光伏的并網(wǎng)模型

文獻[1]探討了光伏系統(tǒng)中常見的孤島故障。該研究通過詳細(xì)的實驗分析，為孤島故障的產(chǎn)生機制和影響提供了深入理解。文獻[2]提出了一種基于無功功率控制的孤島檢測方法，這為孤島故障的早期檢測提供了新的思路。文獻[3]對光伏組件故障進行了深入研究，其中尤其針對光伏組件性能降低和熱斑效應(yīng)等問題進行了詳細(xì)的討論和分析。文獻[4]中研究者提出并驗證了一種基于機器學(xué)習(xí)的光伏組件故障識別算法，提高了故障識別的準(zhǔn)確性。文獻[5]中詳細(xì)介紹了逆變器開關(guān)管故障的類型和影響，并提出了一種有效的故障識別和處理方法。文獻[6]對逆變器的短路故障進行了深入的研究，為短路故障的預(yù)防和處理提供了理論依據(jù)。文獻[7]探討了缺相故障在分布式光伏系統(tǒng)中的影響，并提出了一種新穎的缺相故障檢測算法。文獻[8]中研究者提出并驗證了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警算法，盡管該算法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但在某些場景下顯示出了優(yōu)秀的性能。文獻[9]對比了不同故障識別方法的性能，其中包括基于特征提取的方法以及基于深度學(xué)習(xí)的方法。文獻[10]中作者提出了一種針對多種故障類型的綜合仿真模型，并對該模型的有效性進行了驗證。

通過對上述文獻的綜述，我們可以看到，盡管分布式光伏系統(tǒng)故障的研究已取得了一些進展，但仍存在許多問題需要解決，特別是在故障識別以及故障處理等方面。我們期望通過更深入的研究，可以為解決這些問題提供更有效的方法和工具。在此背景下，本文基于MATLAB/ Simulink 軟件搭建含分布式光伏電站的配網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺，對比分析光伏電源側(cè)不同故障對光伏并網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)電壓與電流波形的影響，為光伏接入的配電網(wǎng)保護控制提供分析基礎(chǔ)。

1 分布式光伏的故障仿真建模

為研究戶用光伏側(cè)故障識別技術(shù)，搭建了含分布式光伏的臺區(qū)模型，在MATLAB 平臺上仿真光伏組件故障、開關(guān)管信號故障、線路故障、短路故障等多種故障，用于獲取運行故障樣本，所搭建的臺區(qū)仿真模型如下圖所示[11]。

從光伏電池組件至臺區(qū)接入點的連接線上對不同設(shè)備元件設(shè)置故障參數(shù)來模擬故障狀態(tài)，在仿真模型中設(shè)置了4 種故障類型，故障類型仿真設(shè)置如表1 所示。

表1 異常工況（含故障）類型仿真設(shè)置

2 異常工況的仿真分析

基于MATLAB/Simulink 搭建含高比例分布式光伏的配網(wǎng)模型，模型仿真電路如圖2 所示。系統(tǒng)參數(shù)初始配置如表2 所示。異常工作前系統(tǒng)運行于穩(wěn)態(tài)，光伏并網(wǎng)運行，工作在MPPT 模式，最大發(fā)電功率為250 kW；本地初始負(fù)荷300 kW。1 s 時系統(tǒng)發(fā)生異常工作情況。異常工況按照表1 的設(shè)置，分別從光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流波形與負(fù)荷側(cè)電流波形展開故障特性分析[12]。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖2 含分布式光伏并網(wǎng)的simulink 模型

2.1 光伏電源DC 側(cè)短路故障特性

含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)，光伏電源側(cè)DC 端發(fā)生短路故障時，光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流波形與負(fù)荷側(cè)電流波形如圖3 所示。

圖3 光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流波形與負(fù)荷側(cè)電流波形

從圖3（a）中可以看出，1 s 內(nèi)系統(tǒng)正常運行，配網(wǎng)側(cè)單相對地電壓幅值為310 V。1 s 時光伏電源側(cè)DC端發(fā)生短路故障，系統(tǒng)電壓略微下降至304 V 穩(wěn)定；光伏并網(wǎng)側(cè)電流突增，由513 A 上升至3 865 A，為正常運行電流的7.5 倍；從圖3（b）中可以看出，本地用戶側(cè)電流相對穩(wěn)定，由645.6 A 略微下降至632.9 A 后穩(wěn)定運行。

2.2 逆變器開關(guān)管信號源故障特性

光伏電源并網(wǎng)逆變器由開關(guān)管與控制信號組成，開關(guān)管需要接收來自控制端的開斷信號，當(dāng)信號傳輸故障造成A 相開關(guān)管信號源中斷時，光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形如圖4 所示。

圖4 光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形

從圖4（a）中可以看出，當(dāng)信號傳輸故障造成A相開關(guān)管信號源中斷時，光伏并網(wǎng)側(cè)電壓波形穩(wěn)定，單相對地電壓幅值為308 V。光伏并網(wǎng)側(cè)A 相、C 相電流波形在故障后發(fā)生畸變；B 相電流在故障后增加至1 199 A，為正常運行時的2.3 倍；此外，故障后A 相、C 相電流波形同相，與B 相電流波形反相。對光伏并網(wǎng)側(cè)A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值342.9 A，總諧波失真量占基波的27.76 %，最高諧波出現(xiàn)在0 次諧波和12 次諧波處。從圖4（b）中可以看出，用戶側(cè)三相電壓與三相電流波形穩(wěn)定，1 s 時C 相電流波形波峰處有微小畸變，A 相開關(guān)管信號源中斷對用戶側(cè)影響較小。

2.3 逆變器開關(guān)管斷路故障特性

當(dāng)線路故障導(dǎo)致A 相所在線路的開關(guān)管斷路時，逆變器內(nèi)發(fā)生斷路故障。光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形如圖5 所示。

圖5 光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形

從圖5（a）中可以看出，1 s 過程中系統(tǒng)正常運行，光伏并網(wǎng)側(cè)單相對地電壓幅值為308.4 V，電流值為517.3 A。1 s 時發(fā)生A 相開關(guān)管斷路故障，三相電壓維持穩(wěn)定，幅值在310 V 左右；三線電流波形發(fā)生畸變，A 相電流上升至774.7 A，B 相電流上升至923.9 A。用戶側(cè)三相電流波形如圖5（b）所示，電流波形穩(wěn)定，幅值維持在645 A。對光伏并網(wǎng)側(cè)A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值326.5 A，總諧波失真量占基波的48.37 %，最高諧波出現(xiàn)在0 次諧波和2 次諧波處。

2.4 光伏電源故障離網(wǎng)運行特性

當(dāng)線路故障導(dǎo)致光伏電源離網(wǎng)運行時，光伏電源與本地負(fù)荷聯(lián)合運行。光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形如圖6 所示。

圖6 光伏并網(wǎng)側(cè)電壓電流與用戶側(cè)電流仿真波形

從圖6（a）中可以看出，并網(wǎng)運行時，光伏側(cè)單相對地電壓幅值為310 V，1 s 時系統(tǒng)發(fā)生脫網(wǎng)故障，三相電壓下降至280 V 附近。光伏側(cè)三相電流由516.2 A上升至587.5 A。用戶側(cè)三相電流由645.6 A 下降至584 A。由于光伏最大發(fā)電功率為250 kW，用戶側(cè)負(fù)荷300 kW，光伏離網(wǎng)后，光伏電源與本地負(fù)荷聯(lián)合運行時，用戶側(cè)電壓與電流均下降，功率降低至250 kW 附近。對光伏并網(wǎng)側(cè)A 相電流波形開展FFT 分析，故障時A 相電流基波幅值574.2 A，總諧波失真量占基波的4.59 %，最高諧波出現(xiàn)在2 次諧波處。

3 結(jié)論

本文在考慮含高比例分布式光伏配網(wǎng)的基礎(chǔ)上，從仿真模型的角度分析光伏電源側(cè)在故障發(fā)生時配網(wǎng)的電壓與電流特性，通過對比仿真得出以下結(jié)論：

1）并網(wǎng)運行時，光伏電源側(cè)發(fā)生短路、短路、信號源中斷等故障時，不會影響到用戶側(cè)，由于并網(wǎng)運行用戶側(cè)電壓與電流穩(wěn)定。

2）當(dāng)故障導(dǎo)致光伏離網(wǎng)時，光伏仍以最大功率發(fā)電，當(dāng)?shù)陀谟脩魝?cè)負(fù)荷功率時，光伏側(cè)輸出電壓降低，電流上升，用戶側(cè)負(fù)荷降低功率與光伏發(fā)電量動態(tài)平衡。

3）并網(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)逆變器開關(guān)管線路故障或信號傳輸故障時，光伏側(cè)輸出電壓波形基本保持穩(wěn)定，輸出電流波形發(fā)生畸變，電流間相序發(fā)生較大變化，且電流中直流分量和2 次、12 次諧波含量較高，對電網(wǎng)負(fù)荷用電質(zhì)量影響較大。