光伏发电系统故障特性研究

光伏发电系统故障特性研究

任琳,刘博宇

国电投（天津）分布式能源有限公司  天津市300380

摘要：随着工业的发展，化石能源逐渐枯竭，光伏发电是应对能源危机的有效解决途径，也是目前新能源发电的重要研究方向之一。近年来，光伏发电发展迅速，越来越多的光伏并网运行，考虑到光伏发电易受诸多因素的干扰，造成并网后功率的扰动，同时电网的波动对光伏发电的输出也会造成一定程度的影响，因此对电源侧及电网侧扰动下的光伏发电的特性的研究尤为必要。

关键词：光伏；发电系统；故障特性

在能源短缺、环境恶化和气候变暖等问题日益突出的背景下，电力工业是关系国计民生的基础产业，电力工业的发展事关国家经济和国家可持续发展战略。经济、清洁、可再生的新能源作为解决能源危机和可持续发展两大难题的有效途径而受到学者们的广泛关注。光伏并网发电系统是通过 VSI 将直流转换成交流，致使有大量电力电子器件的引入，使得光伏发电并网系统在故障发生初期和故障切除过程中的暂态特性极为复杂。

一、光伏并网故障特性研究现状

光伏发电并网系统通过电压源型逆变器将直流电转换成交流电，大量电力电子器件的引入，使得光伏并网发电系统的在故障发生初期和故障切除过程中暂态特性极为复杂。针对光伏并网发电系统故障状态下谐波分量的引入，通过实验论证了光伏并网系统中存在谐波电流注入问题。[2］基于电网故障状态下电流内环的典型设计，指出低电压穿越控制条件下内环控制在线性区和非线性区工况下产生不同的暂态过程，其中在非线性工作区短路瞬间由于饱和现象导致闭环系统的性能下降，在交流侧产免长达1个工频周波的短路暂态尖峰电流。在此基础上分析了光伏并网系统故障谐波电流对变压器保护的影响，并逆变器控制角度提出改进策略，研究结论对于优化变压器保护配置，维护系统安全稳定运行具有理论参考和实践意义。

二、光伏发电系统工作原理

光伏发电系统的整体结构，光伏电池发电原理是晶体硅的光生伏特效应，当太阳光照射到电池表面时，可将接收到的太阳能转化为电能。光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、升压器、控制器和逆变器组成”。光伏阵列产生的直流电流经过Boost升压后，再送人光伏逆变器将直流电流逆变为交流电流，最后通过变压器实现并网。

光伏电池一般是方形硅晶体薄片，实际运用中为满足太阳能电池的应用需求，提高输出电压和功率，需要将单体太阳能电池以一定的方式串、并联起来，使得光伏组件具有特定的输出电压和功率以匹配光伏逆变器的输出。为了防止热斑效应损坏太阳能电池板，同时较小程度的影响组件的输出，一般一串或者两串组件并联一个旁路二极管”。每块组件在出厂计算标况下输出参数时，都忽略了太阳能电池片的元件性能的差异，而实际中每块太阳能电池片的规格和性能很难保持一致，且光伏组件的工作环境不可能一直处于标况的环境下，因此当外部环境变化较大时便不能依靠厂家提供的参数来判断光伏组件的输出特性。

三、光伏发电系统故障检测  

光伏发电相关技术均得到了长足的进步，其中，最具代表性的是光伏发电技术。其优势主要是能够解决各地区日照长度、太阳能储量不均的情况，通过对各构件进行科学布设的方式，使太阳能得到充分开发，由此来保证光伏发电的经济效益。但由于我国引入光伏发电技术的时间较晚，在利用该技术对光伏发电相关项目进行开发时，仍有亟待解决的问题存在，例如，有关人员未能做到严格管控组件质量，导致不达标组件进入项目，使发电系统的稳定性和安全性受到负面影响；太阳能不稳定，光伏发电期间极易出现电网波动的情况，进而使发电系统难以正常运行；在储存电能、并网的过程中，光伏电网的电压不固定，这一问题同样影响着光伏发电优势的发挥。现阶段，对于光伏发电系统故障检测需要解决的问题主要包括以下两个：（1）若供电系统因故停止运行，但光伏发电仍处于供电状态，会造成孤岛现象。一般来说，孤岛现象主要分为非计划性和计划性两类，非计划孤岛往往难以预测。此外，考虑到主网难以做到有效控制孤岛输电频率和电压，随着孤岛现象存在时间的增加，其他设备受损的概率将大幅提高，并且产生的故障问题会严重影响光伏发电系统的运行。（2）集中进行供电的配电网均存在电力辐射的情况，若配电网处于正常运行状态，其电压将沿功率传输方向缓慢下降，但运用光伏发电技术后，电网内将形成多个电源节点，同时传输功率潮流的变化方向也发生了改变，使各节点对应电压不断变化，因而会产生故障问题，若不尽快解决该问题，将导致电压偏压持续增大，进而对电网的安全性造成不利影响。

四、光伏发电系统故障的定位方法 

4.1光伏电源解合环

当前光伏发电系统运转过程中，结合对应的逆变器设备能够确保对电网系统实施高效化、自动化的检验操作，并且完成对应的并网发电操作管理，确保对应的太阳能光伏发电系统能够稳定、高效地运转，而当需要进行相应的退网操作时，必须完成对光伏板的电流开关进行有效管控，将相应的直流开关进行断开处理之后再通过检验，确认相关设备停止运行之后再将逆变器另一侧的交流开关实施断路管控，根据实际的工作状况来对相关设备进行必要的停电处理，直到完全实现对整个光伏电源的断开处理即可。如果相应的开关处于打开或者是合并的情况，可以直接对逆变器进行停止处理，或者是直接断开交流开关，也具备类似的管控功效，但是仅限于当前并网容量较小的状况时才能够执行相应的操作。

4.2孤岛保护

要使光伏发电存在的不足得到弥补，关键是明确问题成因，同时制订相应的改进方案。研发孤岛保护相关技术的初衷主要是杜绝并网期间两者出现短暂失联，导致光伏电网失去独立运行的能力。对该技术加以运用，可在极大程度上提高光伏电网的稳定性及安全性，通过主动切断连接设备的方式，使维护及检查工作得到高效开展。若存在计划外的孤岛运行情况，则要对电网处于该工况时对电气设备、工作人员所产生的影响进行分析，从而制订切实可行的预控计划，同时针对常见事故，拟定相应的处理方案，为光伏电网的长期运行提供保障。

4.3科学调压

光伏发电的性质较为特殊，极易由于自然光能的影响而出现发电不稳定的情况。对电力资源进行并网期间，频繁变化的光伏电压对电网所产生的影响有目共睹，若不尽快解决该问题，将在极大程度上降低项目的安全性。鉴于此，有关人员指出，应酌情引入调压技术。简单来说，就是利用电压调节器对电力进行控制，缩小电压波动范围。长期处于高效运行状态的发电系统较易发生线路轻载或类似情况，以往在电网末端安装调压设备的方法，会导致光伏电网在并网期间所形成电压超出限值，进而使并网效果和可靠性受到负面影响。为避免上述情况出现，有关人员最终决定以发电系统呈现出的运行状态为依据，在储能阶段增设调压器，利用调压器对电压波动加以控制。事实证明，此举可使发电系统具有更加理想的稳定性及安全性，需要引起重视。

结束语

在开展工作的时候应该根据实际情况科学的进行分析，找出产生故障的原因，有针对性的进行方案的制定，进行故障问题的解决。光伏发电系统并网工作开展的时候最为重要的就是设计工作的开展，对后期的运行有着非常重要的影响，所以工作人员应该进行严格的把关，按照相关标准要求进行操作，确保在后期运行的时候能够正常的开展工作满足需求。光伏发电系统在进行安装的时候有着属于自身的接线标准，但是实际在安装使用的时候很多用户都不能满足标准化的接线要求，导致在实际工作开展的时候容易出现故障问题，影响着光伏发电系统的正常供电，因此相关人员在进行安装的时候应该对每个环节进行严格的管控，保证能够严格的按照标准进行操作，在一定程度长有效的提升光伏发电系统的工作效率。

参考文献：

［1］赵争鸣，雷一，贺凡波．大容量并网光伏电站技术综述[J］．电力系统自动化，2019，35(12)：07．

［2］王震，鲁宗相，段晓波．分布式光伏发电系统的可靠性模型及指标体系[J］．电力系统自动化，20l8，35(15)：18—24．