摘要：分布式光伏电源接入配电网是可再生能源得以充分利用的有效途径。本文从光伏发电系统的内部结构和控制策略出发，仿真分析并网逆变器在配电网发生短路故障及逆变器自身故障时输出电流的变化特性。
关键词：光伏电源；配电网；短路电流
近年来，随着能源利用与环境保护的问题越来越受到重视，光伏发电等新能源在世界范围内得到了快速发展及广泛应用，并成为21世纪电力工业的主要发展方向。
一、分布式光伏电源概述
分布式光伏电源作为一种并网发电的形式，主要应用于中、低压配电网络中，一般以10千伏及以下电压等级接入公用电网或离网运行。由于光伏电源本身对一次能源不可控，若不配备电能存储设备，将存在随机性及波动性的发电特性。
分布式光伏电源一般由光伏发电环节、DC-DC变换环节、逆变器环节和滤波环节四部分组成。发电环节将太阳光照能源通过光伏电池转化为直流电能；DC-DC变换环节将发电环节输出的直流电转化为后级逆变器环节所需的幅值相对稳定的直流电；逆变器环节则将直流电逆变为频率与电网电压同步、幅值与电网电压相适应的交流电；滤波环节主要滤除逆变输出电流中的高频分量，保障分布式光伏电源的电能质量。
二、分布式光伏电源对配电网短路电流的影响
分布式光伏电源输出有功功率和无功功率的大小主要受控于光伏并网逆变器的容量。图1为分布式光伏电源在不同运行策略下的功率图，图中Spv表示光伏并网逆变器的容量。
图1分布式光伏电源运行策略
配电网发生短路故障时，由于短路电流是感性的无功电流，系统主电源提供的短路电流和电压相差近90°的相角。分布式光伏电源运行在策略l时，功率因数恒定且为1，输出有功功率，无功功率基本为0。在锁相环和PQ解耦控制的作用下，光伏电源输出电流仍与端口电压保持接近为0的相位差，导致光伏电源提供的短路电流同系统主电源的短路电流相差近9O°的相角，矢量合成后的短路电流增大的幅值较小。分布式光伏电源运行在策略2时，功率因数为滞后性质，向系统输出感性的无功功率，此时光伏电源提供的短路电流中含有很大的无功分量，即向系统注入感性无功电流。同时，光伏电源提供的短路电流同系统主电源的短路电流的相角差小于90°，矢量合成后的短路电流增大的幅值较大。分布式光伏电源运行在策略3时，功率因数为超前性质，由于系统短路电流是感性的无功电流，而光伏电源从电网吸收感性的无功电流，从而导致光伏电源提供的短路电流同系统短路电流的相角差大于9O°，导致短路点的短路电流减小。
三、仿真分析
1、仿真系统试验参数。以分布式光伏电源接入电网的并网点为考察点，考察点之前的系统等效为一个无穷大电源与内阻抗的串联，考察点接有一定的负荷，在考察点进行三相短路和两相相间短路故障仿真，并进行相应的故障电流分析。
1）系统电源。额定电压为10kV，频率为50Hz，短路容量为100MVA，理论上稳态短路电流有效值为5.77kA。电源内阻抗采用阻感串并联的RRL型式，参数分别为电感0.003H、串联电阻0.2Ω、并联电阻5Ω。
2）分布式光伏电源并网发电系统。额定容量为1MW，并网点电压为10kV，频率为50Hz，额定电流为57.7A，允许过电流倍数为1.3。
2、三相对称短路时的短路电流。光伏电源接入配电网后，短路点的短路电流有所增大，光伏供出的短路电流控制在其额定电流的1.32倍。
光伏并网点下游线路4km处发生三相短路时，线路电阻和电抗分别为0.2Ω/km和0.4Ω/km。同时，光伏接入配电网后，短路点的短路电流有所增大，但主电源供出的短路电流有所减小，光伏供出的短路电流控制在其额定电流的1.3倍以内。
3、两相不对称短路时的短路电流。仿真分析了光伏并网点发生两相不对称短路(短路电阻0.1Ω)情况下光伏接入前后的短路电流，由此可知，来自主电源的两相短路电流比三相短路电流小，其值为三相短路电流的0.866倍，但光伏电源供出的短路电流并没有相应减小，其值仍然控制在光伏额定电流的1.3倍。
4、分布式光伏电源不同出力对短路电流的影响。受自然条件变化的影响，光伏电源的最大出力是不确定的，在配电网发生短路时，光伏电源输出的短路电流也会随之有所不同。
设光伏电源10kV并网点的系统短路容量为100MVA，光伏电源的额定功率为5MW，若并网点发生三相短路，通过仿真得到日照强度分别为50、100、200、500、1000、1200W/m2时光伏电源供出的短路电流。由此可知：1）光照达到一定值(如额定值的20%以上)时，光伏电源提供的短路电流与额定光照时基本一致。2）当光照很小时，光伏电源提供的短路电流会显著减小。但若光伏电源带有储能时，输出的短路电流与光照无关。
四、光伏并网逆变器本身故障的影响
光伏电源在运行过程中可能发生异常或故障，导致输出电流的特性发生显著变化，影响或威胁着逆变器和配电网的安全稳定运行。因此，在逆变器中均设有必要的过电流保护和过电压保护。但逆变器可能出现某些异常情况，它并不引起变流器本身过电流或过电压，但却对配电网会产生严重影响，必须防范。
按故障发生的具体位置，逆变器的故障主要有IGBT器件开路、交流侧单相断线、交流侧三相短路等，具体如下：
1、IGBT器件开路。IGBT器件是一个可控的电力电子开关器件，在运行过程中，IGBT驱动信号丢失、门极损坏或IGBT器件烧毁，均可能造成IGBT器件不能正常开通、相当于开路的状态。通常，在IGBT模块中都集成有一个等容量的并联二极管，因此，IGBT器件开路包括IGBT器件本身开断但二极管仍然有效、IGBT与二极管全部开断二种情况。
图2(a)为IGBT器件本身开断时的三相交流电流仿真波形，图2(b)为IGBT模块开断时的三相交流电流仿真波形。1.5s时，A相上管开断，三相电流的基波幅值变化不大，但出现了严重的直流分量和波形畸变，将会对配电变压器的特性产生严重影响。
图2 IGBT器件开路时仿真波形
可见，发生IGBT开断故障时，三相电流本身并不显著增大，常规过流保护可能不起作用，逆变器有可能在此状态下持续运行一段时间。但从交流系统的角度来讲，这种状态必须避免，可通过检测三相电流不平衡度或直流分量来启动保护，封锁逆变器驱动信号。
2、单相断线或并网点出现缺相。在运行过程中，由于电网缺相、导体接触不良或一相上下桥臂的2个IGBT器件驱动信号同时丢失等原因，都能造成类似于交流缺相的状态。
图3(a)为交流侧单相断线时的三相交流电流仿真波形，图3(b)为A相上下桥臂IGBT同时丢失驱动信号时的三相交流电流仿真波形。这二种情况下，A相电流均为零，BC两相电流幅值基本不变，常规过流保护不起作用，可通过检测交流电流三相不平衡度来启动保护，封锁逆变器驱动脉冲，避免异常状态持续。
3、并网逆变器的过电流型故障。并网逆变器发生IGBT击穿熔通、死区时间设置不当引起的桥臂直通、直流侧短路等故障，均会引起交流侧电流的过电流现象。对逆变器的交流侧而言，发生上述故障均相当于桥式逆变器交流出口处的三相短路，此时主电源将通过并网逆变器的串联电抗器形成大电流回路。由于串联电抗器相对逆变器额定阻抗的电抗标幺值约为0.2，因此故障电流约为光伏额定电流的5倍。
图3单相断线时仿真波形
五、结语
随着传统能源的逐步枯竭，以光伏电站为代表的分布式电源技术将得到广泛的应用。同时，分布式发电技术的快速发展，为可再生能源的开发利用提供了条件。另外，分布式光伏电源接入配电网，必然会向短路点提供一定的短路电流，从而可能对配电自动化故障定位产生影响。
参考文献
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论文作者:付健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/17
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