分布式光伏配网系统源侧故障仿真研究

李岩，陈志峰，王玕*

（1.广东云舜综合能源科技有限公司，韶关 512000；2.广州城市理工学院 电气工程学院，广州 510800）

引言

在全球能源结构转型的背景下，清洁能源日益受到重视，其中光伏发电由于其清洁、高效、可再生等特点，成为全球范围内广泛研究和应用的能源形式。然而，随着分布式光伏系统规模的扩大，故障问题逐渐显现，对系统稳定性和可靠性产生影响。为了更好地理解各类故障，已有学者开展分布式光伏系统的故障分析、故障预警以及故障处理等方面的研究。

图1 含分布式光伏的并网模型

文献[1]探讨了光伏系统中常见的孤岛故障。该研究通过详细的实验分析，为孤岛故障的产生机制和影响提供了深入理解。文献[2]提出了一种基于无功功率控制的孤岛检测方法，这为孤岛故障的早期检测提供了新的思路。文献[3]对光伏组件故障进行了深入研究，其中尤其针对光伏组件性能降低和热斑效应等问题进行了详细的讨论和分析。文献[4]中研究者提出并验证了一种基于机器学习的光伏组件故障识别算法，提高了故障识别的准确性。文献[5]中详细介绍了逆变器开关管故障的类型和影响，并提出了一种有效的故障识别和处理方法。文献[6]对逆变器的短路故障进行了深入的研究，为短路故障的预防和处理提供了理论依据。文献[7]探讨了缺相故障在分布式光伏系统中的影响，并提出了一种新颖的缺相故障检测算法。文献[8]中研究者提出并验证了一种基于神经网络的故障预警算法，尽管该算法需要大量的训练数据，但在某些场景下显示出了优秀的性能。文献[9]对比了不同故障识别方法的性能，其中包括基于特征提取的方法以及基于深度学习的方法。文献[10]中作者提出了一种针对多种故障类型的综合仿真模型，并对该模型的有效性进行了验证。

通过对上述文献的综述，我们可以看到，尽管分布式光伏系统故障的研究已取得了一些进展，但仍存在许多问题需要解决，特别是在故障识别以及故障处理等方面。我们期望通过更深入的研究，可以为解决这些问题提供更有效的方法和工具。在此背景下，本文基于MATLAB/ Simulink 软件搭建含分布式光伏电站的配网系统仿真平台，对比分析光伏电源侧不同故障对光伏并网侧与用户侧电压与电流波形的影响，为光伏接入的配电网保护控制提供分析基础。

1 分布式光伏的故障仿真建模

为研究户用光伏侧故障识别技术，搭建了含分布式光伏的台区模型，在MATLAB 平台上仿真光伏组件故障、开关管信号故障、线路故障、短路故障等多种故障，用于获取运行故障样本，所搭建的台区仿真模型如下图所示[11]。

从光伏电池组件至台区接入点的连接线上对不同设备元件设置故障参数来模拟故障状态，在仿真模型中设置了4 种故障类型，故障类型仿真设置如表1 所示。

表1 异常工况（含故障）类型仿真设置

2 异常工况的仿真分析

基于MATLAB/Simulink 搭建含高比例分布式光伏的配网模型，模型仿真电路如图2 所示。系统参数初始配置如表2 所示。异常工作前系统运行于稳态，光伏并网运行，工作在MPPT 模式，最大发电功率为250 kW；本地初始负荷300 kW。1 s 时系统发生异常工作情况。异常工况按照表1 的设置，分别从光伏并网侧电压电流波形与负荷侧电流波形展开故障特性分析[12]。

表2 系统参数

图2 含分布式光伏并网的simulink 模型

2.1 光伏电源DC 侧短路故障特性

含高比例分布式光伏的配电网，光伏电源侧DC 端发生短路故障时，光伏并网侧电压电流波形与负荷侧电流波形如图3 所示。

图3 光伏并网侧电压电流波形与负荷侧电流波形

从图3（a）中可以看出，1 s 内系统正常运行，配网侧单相对地电压幅值为310 V。1 s 时光伏电源侧DC端发生短路故障，系统电压略微下降至304 V 稳定；光伏并网侧电流突增，由513 A 上升至3 865 A，为正常运行电流的7.5 倍；从图3（b）中可以看出，本地用户侧电流相对稳定，由645.6 A 略微下降至632.9 A 后稳定运行。

2.2 逆变器开关管信号源故障特性

光伏电源并网逆变器由开关管与控制信号组成，开关管需要接收来自控制端的开断信号，当信号传输故障造成A 相开关管信号源中断时，光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形如图4 所示。

图4 光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形

从图4（a）中可以看出，当信号传输故障造成A相开关管信号源中断时，光伏并网侧电压波形稳定，单相对地电压幅值为308 V。光伏并网侧A 相、C 相电流波形在故障后发生畸变；B 相电流在故障后增加至1 199 A，为正常运行时的2.3 倍；此外，故障后A 相、C 相电流波形同相，与B 相电流波形反相。对光伏并网侧A 相电流波形开展FFT 分析，故障时A 相电流基波幅值342.9 A，总谐波失真量占基波的27.76 %，最高谐波出现在0 次谐波和12 次谐波处。从图4（b）中可以看出，用户侧三相电压与三相电流波形稳定，1 s 时C 相电流波形波峰处有微小畸变，A 相开关管信号源中断对用户侧影响较小。

2.3 逆变器开关管断路故障特性

当线路故障导致A 相所在线路的开关管断路时，逆变器内发生断路故障。光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形如图5 所示。

图5 光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形

从图5（a）中可以看出，1 s 过程中系统正常运行，光伏并网侧单相对地电压幅值为308.4 V，电流值为517.3 A。1 s 时发生A 相开关管断路故障，三相电压维持稳定，幅值在310 V 左右；三线电流波形发生畸变，A 相电流上升至774.7 A，B 相电流上升至923.9 A。用户侧三相电流波形如图5（b）所示，电流波形稳定，幅值维持在645 A。对光伏并网侧A 相电流波形开展FFT 分析，故障时A 相电流基波幅值326.5 A，总谐波失真量占基波的48.37 %，最高谐波出现在0 次谐波和2 次谐波处。

2.4 光伏电源故障离网运行特性

当线路故障导致光伏电源离网运行时，光伏电源与本地负荷联合运行。光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形如图6 所示。

图6 光伏并网侧电压电流与用户侧电流仿真波形

从图6（a）中可以看出，并网运行时，光伏侧单相对地电压幅值为310 V，1 s 时系统发生脱网故障，三相电压下降至280 V 附近。光伏侧三相电流由516.2 A上升至587.5 A。用户侧三相电流由645.6 A 下降至584 A。由于光伏最大发电功率为250 kW，用户侧负荷300 kW，光伏离网后，光伏电源与本地负荷联合运行时，用户侧电压与电流均下降，功率降低至250 kW 附近。对光伏并网侧A 相电流波形开展FFT 分析，故障时A 相电流基波幅值574.2 A，总谐波失真量占基波的4.59 %，最高谐波出现在2 次谐波处。

3 结论

本文在考虑含高比例分布式光伏配网的基础上，从仿真模型的角度分析光伏电源侧在故障发生时配网的电压与电流特性，通过对比仿真得出以下结论：

1）并网运行时，光伏电源侧发生短路、短路、信号源中断等故障时，不会影响到用户侧，由于并网运行用户侧电压与电流稳定。

2）当故障导致光伏离网时，光伏仍以最大功率发电，当低于用户侧负荷功率时，光伏侧输出电压降低，电流上升，用户侧负荷降低功率与光伏发电量动态平衡。

3）并网状态下，当逆变器开关管线路故障或信号传输故障时，光伏侧输出电压波形基本保持稳定，输出电流波形发生畸变，电流间相序发生较大变化，且电流中直流分量和2 次、12 次谐波含量较高，对电网负荷用电质量影响较大。