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摘要：电力系统中的电源，传统意义是指并入电力系统的同步发电机。随着分布式发电技术的发展，各种形式的发电装置并入电力系统，特别是由电力电子元件构建的逆变型电源，作为分布式电源的主要形式越来越多的应用于电力系统中，成为了微电网中的主要电源。逆变型分布式电源由于含有电力电子元件及控制系统，因而故障时产生不同于传统电源的特性，给系统分析和保护带来新的问题。通过对光伏逆变器的理论分析、仿真分析以及对比测试，研究光伏逆变器故障特性。光伏逆变器是光伏发电中的一个重要组成部分，分析其短路特性能够更好地帮助预防及解决、排查短路问题，并从理论分析、仿真分析及对比测试环节研究光伏逆变器故障特性。
关键词：光伏发电；逆变器；短路故障；特性
在能源枯竭、环境污染日益严重的今天，太阳能被认为是一种清洁能源，光伏发电作为替代能源的来源而广泛地被接受，逐渐成为重要的电源形式。光伏发电大规模集中接入和分布式分散接入并举是一种有效利用太阳能的方式。目前，对光伏发电对电网影响的研究主要集中在间歇性出力对大系统运行、同步、稳定的影响，以及中小容量并入低压配电网对继电保护、电压稳定性影响等方面。与同步发电机的故障电流不同，光伏电源提供故障电流与逆变器电路结构、控制策略以及闭环调节参数密切相关，光伏电源短路对电网的影响主要取决于光伏逆变器的最大电流和持续时间。对逆变器而言，短路故障会引起端口电压的跌落，从而导致逆变器注入电网电流激增。这一问题是否对继电保护产生影响，目前尚无定论。
一、光伏逆变器
光伏逆变器又叫电源调整器，行业内依照逆变器在光伏发电系统中的用途将逆变器分为独立式电源网以及合并网。若依据波形调制的方式进行分类，可将逆变器分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器以及组合式三相逆变器，在合并网用逆变器的系统下，根据变压器的有无情况可以细分为变压器型逆变器以及无变压器型逆变器。通常情况下，把交流电转化成为直流电的过程称作整流，完成了整流的电路则称作是整流电路，在整流实现过程中所应用到的设备称为整流设备。同样的，将直流电转化成为交流电的过程称为是逆变，完成逆变的电路称作是逆变电路，用于逆变操作的设备称作是逆变设备。综上，逆变器具有多种分类，在对于逆变器种类选择的过程中需要提高警惕、仔细分析。尤其在光伏发电产业中，逆变器效率决定了光伏电池容量的大小。逆变开关电路是整个逆变设备的要核，行业内简称为逆变电路。逆变电路通过电子开关的连接与断开，实现逆变操作。
二、光伏逆变器的短路特性
1、理论分析，光伏逆变器在控制上主要的控制法有 PI 控制、滞环控制、闭环控制、空间矢量控制、无差拍控制、重复控制等。并网光伏逆变器对于电流的控制较为成熟，一般情况下应用闭环控制法。电压调节器作为闭环控制的外环控制，控制逆变器直流侧 输出电压跟踪电压定制，也通过 PI 调节装置获取有功输入电流分量的参考值以及无功电流分量参考值。电流内环的主要作用于一招电压外还输出的电流指令进行控制。通常情况下，光伏发电输出功率伴随周边环境的变化而变化，当光照条件、温度条件发生变化时。MPPT 控制器对逆变器输入的电压进行调整，使电压满足工作需求。总结出逆变器的控制要点在与直流工作电压的参考值以及无功参考值，最后转变为电流内环参考值。光伏系统的故障特性来自于逆变器控制的特性，因此要对光伏系统施加保护措施，其保护的要点就在于逆变器保护。当系统发生故障时，内环的参考电流会受到一定的影响，设置包和模块上线，能够限制电流在可控范围内。光伏系统出现故障，逆变器存在两种情况，第一种是饱和模块不动作的情况下，远端故障系统功率外还控制是主导因素，当有功电流增大时，增大的电流被限制，因此故障特性与符合增加一直，经过度后光伏系统回稳，但输出功率未变，系统等效与等功源。第二种情况则是包和模块生效产生动作，在近端故障的情况下，端口电压会降低，依照等功源计算，会加大电流 输出，当输出电流超限，电压外环会失效，双环控制成为了电流控制。此时模块引发动作，使系统回稳，系统回稳后干扰电压消失，系统输出电流回归正常。
2、光伏阵列的模型。光伏阵列的模型是一个电流受电压控制的受控直流电流源，其电流－电压特性方程为：
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式中，ipv为光伏阵列发出的直流电流；upv为光伏阵列等效PN节电压；I0为PN节的反向饱和电流；q为电子电荷量，取1.602×10－19 C；取1.38×10－23 J/K；T为PN节的温度，K；A为理想因子；ns为光伏阵列中太阳能电池组件的串联个数；np为光伏阵列串数；Iph为单个电池组件的短路电流，为了使光伏阵列发出最大有功功率，通常通过MPPT动态跟踪光伏阵列的电压，MPPT输出电压提供给电压控制器，通过电压控制器使缓冲电容器电压稳定在不同光照水平下最大功率点所对应的电压。
3、仿真分析。在仿真分析中存在集中光伏逆变器故障特征。第一种是 升压变高压侧三相故障，在发生故障时，在 10 ms 过渡后，电流电压回稳，逆变器输出正序电流稳定，功率方向为正方向。第二种故障是升压变低压侧三项故障，在故障过渡后，电压回稳，逆变器输出正序电流稳定，功率方向为正方向。第三种是升压变低压侧亮相故障，过渡中内基波值不稳定，过渡后趋于稳定，输出正序电流，方向为正方向。未故障的电流与故障的电流值相同，在稳定后无零序分量以及负序分量。第四种故障是低压侧故障，故障发生 20 ms 内电流基波不稳定，在之后趋于稳定，故障发生 100 ms 后逆变器稳定输出正序电流，功率是正方向，电流相比其他故障要小，未故障的电流与故障的电流值相同，在稳定后无零序分量以及负序分量。
4、测试对比分析。依靠理论分析与仿真分析进行短路实验，结果是三相短路导致逆变器并网电压降低到额定电压的 20%。短路瞬间峰值 故障电流在稳定电流的 2.8 倍并持续了 2.5 ms。在过渡后电 流回稳。对比实际测试结果与理论分析、仿真分析的结果相吻合。
5、对短路瞬间电流产生。光伏逆变器中集成了LC滤波器。在线路发生三相短路故障时，滤波电容Cf经过故障线路对地形成放电通道，其放电电流的特征为高频、衰减的。基于Matlab/Simulink仿真得到的波形特征，可以看出与实测波形相似。仿真发现，去除滤波电容，只采用耦合电感滤波时，尖峰电流不复存在；在DIgSILENT中的仿真也表明当去除滤波电容时，尖峰电流并不明显，当加大滤波电容时，尖峰电流显著变大，从而证明了尖峰电流主要是由滤波电容放电所引起。由于短路瞬间电流尖峰为高频分量，持续时间很短，只有几毫秒，一般会被计算机保护装置中的前置低通滤波器滤除，计算机保护中的数字滤波算法也能滤除一部分干扰，因此对继电保护性能没有影响
通过实验分析，得出光伏逆变器故障特征包括：无论什么类型的故障，都能够从功率输出防线反应故障特征。故障中存在短时间过渡，这段时间存在谐波分量。诸多对过渡的 时间以及峰值都会有影响。在电网的对称以及不对称故障下，逆变型分布的电源输出正序电流。故障中无论是几相故障，其电流差别都不大。由于逆变器的限制，不能通过故障电流的大小预测故障远近。
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