光伏并网逆变器的开关管短路故障仿真与分析.pdf

湖南邮电职业技术学院学报第22卷第2期2023年6月Vol.22 No.2Jun.2023湖南邮电职业技术学院学报Journal of Hunan Post andTelecommunication College光伏并网逆变器的开关管短路故障仿真与分析严风1,2，陈子妍1,2,葛笑寒1*（1.河南科技大学应用工程学院，河南三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000）【摘要】深入剖析电压型逆变器的工作原理，研究了开关管不同的短路故障模式。综合考虑主电路和控制电路，在Simu-link中建立三相电压型光伏并网逆变器的仿真模型。选用三相输出电流作为检测量，对比了典型短路故障模式与正常运行模式时的输出电流波形。仿真结果表明，逆变器正常工作时的输出电流近似为正弦波，当开关管短路时三相输出电流会发生不同程度的畸变，且不同故障对应的电流波形差异明显，验证了利用输出电流实现短路故障诊断的可行性，为逆变故障监测和预防提供了理论基础。【关键词】光伏并网；逆变器；短路故障【doi:10.3969/j.issn.2095-7661.2023.02.010】【中图分类号】TM464【文献标识码】A【文章编号】2095-7661（2023）02-0038-04Simulation and Analysis of SwitchingTube Short Circuit Fault in Photovoltaic Grid Connected InvertersYAN Feng1,2,CHEN Ziyan1,2,GE Xiaohan1(1.College of Applied Engineering,Henan University of Science and Technology,Sanmenxia,Henan,China 472000;2.Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia,Henan,China 472000)Abstract:This paper thoroughly analyzed the working principle of voltage source inverters and studied different short-circuitfault modes of switch tubes.Considering the main circuit and control circuit comprehensively,a simulation model of a three-phasevoltage source photovoltaic grid connected inverter was established in Simulink.The three-phase output current was selected as thedetection quantity,and the output current waveforms under typical short-circuit fault modes and normal operation modes werecompared.The simulation results show that the output current of the inverter during normal operation is approximately a sine wave.When the switch tube is short circuited,the three-phase output current will experience varying degrees of distortion,and the currentwaveforms corresponding to different faults are significantly different.This verifies the feasibility of using output current to achieveshort-circuit fault diagnosis and provides strong theoretical support for subsequent monitoring and provides a theoretical basis formonitoring and preventing inverter faults.Keywords:photovoltaic grid connection;inverter;short circuit fault1 研究背景近年来，能源短缺和环境污染问题日益突出，光伏发电具有无噪声、无污染、适用范围广等优点，得到了广泛应用1。逆变器是光伏发电系统的核心组件，其开关管工作在高频状态发热严重，易发生故障且危害大2-3。现阶段的研究主要集中在逆变器开关器件的开路故障诊断方面，多采用电压信号作为特征量，例如文献4以三相线电压作为原始特征信号，利用小波变换对信号进行故障特征提取；文献5利用两相线电压作为故障特征收稿日期 2023-03-16作者简介 严风（1995），陕西渭南人，助教，硕士，研究方向：电力电子技术、新能源电力系统稳定分析与控制。基金项目 2020年河南省高校青年骨干教师培养计划“基于PLC 的实验实训网络平台研究与设计”（项目编号：2020GZGG076）；2022年三门峡市科技攻关项目“基于云平台的智能供水系统研究”（项目编号：2022002018）。38第2期光伏并网逆变器的开关管短路故障仿真与分析信息，通过比较两路线电压的幅值比和电压差来定位故障开关管。但关于逆变器开关器件的短路故障研究比较少，且研究方向主要集中在短路后的等效电路建模和开关耐受试验方面。文献6将时间尺度分为直流电压控制时间尺度和交流电流控制时间尺度，建立了逆变器输出短路电流的多时间尺度等效模型，文献7从试验的角度提出了一种光伏逆变器内部短路故障耐受性能试验方法。上述方法均缺乏一定的直观性，难以准确定位开关管的故障位置。综上，有必要对并网逆变器的模型和短路故障输出特性进行更深入研究，建立仿真模型并提取故障特征，根据仿真波形迅速确定故障类型与故障位置，从而及时预防、解决和排查短路问题。2 逆变器工作原理选取三相电压型逆变器为研究对象，结构如图1所示，Ud为直流侧电源电压，包含6个开关管Si（i=1，2，3，4，5，6），每个开关管由一个IGBT和一个反并联的二极管组成，基本工作方式是同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120，任一瞬间有三个桥臂同时导通8。图1三相电压型逆变器结构图对于U相输出来说，当S1导通时，uAN=Ud/2，当S4导通时，uAN=-Ud/2，uAN的波形是幅值为Ud/2的矩形波，B、C两相的情况和A相类似。负载线电压uAB、uBC、uCA可由式（1）求出：uAB=uAN-uBNuBC=uBN-uCNuCA=uCN-uAN（1）负载的相电压分别为：uAN=uAN-uNNuBN=uBN-uNNuCN=uCN-uNN（2）把公式（2）中的各式相加可得：uNN=13()uAN+uBN+uCN-13()uAN+uBN+uCN（3）设负载为三相对称负载，则有uAN+uBN+uCN=0，故可得：uNN=13()uAN+uBN+uCN（4）负载参数已知时，可以由uAN的波形求出A相电流ia的波形。根据公式（1）公式（4）可得出所有情况下的负载相电压和线电压，见表1。为了便于描述工作模式，将三相桥臂的开关导通状态分别用TA、TB和TC表示，TA=1则表示A相的上桥臂导通，下桥臂关断，TA=0表示A相的上桥臂关断，下桥臂导通；另外两相同理。表1开关工作状态与输出电压表TATBTC0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1uAN/V023Ud-13Ud-23Ud23Ud13Ud13Ud0uBN/V0-13Ud23Ud13Ud-13Ud-23Ud13Ud0uBN/V0-13Ud-13Ud13Ud-13Ud13Ud-23Ud0uAB/V0Ud-Ud-UdUdUd00uBC/V00Ud00-UdUd0uCA/V0-Ud0Ud-Ud0-Ud03 光伏并网逆变器的建模策略3.1 三相电压型逆变器主电路模型逆变器交流侧列写状态方程如下：Lia=uA-uaLib=uB-ubLic=uC-uc（5）其 中，uA、uB、uC为 滤 波 器 的 输 入 电 压，ua、ub、uc为滤波器的输出电压，ia、ib、ic为经滤波后的输出电流。对公式(5)进行dq变换得到：Lid=Liq+utd-udLiq=-Lid+utq-uq（6）式（6）中，指电源频率，id、iq分别为电流ia、ib、ic的dq轴电流分量，utd和utq为电压ua、ub、uc的dq轴分量，ud和uq为逆变器所连接电网电压的dq轴分量，dq坐标系由锁相环（PLL）确定。3.2 三相电压型逆变器控制电路模型光伏系统的逆变器控制包括电压外环控制和电流内环控制，如图2、图3所示。图2电压外环控制框图39湖南邮电职业技术学院学报第22卷图3电流内环控制框图电压外环为电流内环产生参考电流，电流内环产生逆变器控制的参考电压，从而生成PWM脉冲9。设光伏电站功率因数为1，令iqref=0。在图2、图3中，udref表示参考电压，为给定值，取udref=700 V。kp1、ki1、kp2和ki2为pi控制器参数。utdref和utqref为电流内环所产生的dq轴参考电压。由图2、图3可得逆变器控制电路的数学模型：iv=ki1(uDCref-uDC)idref=iv+kp1(uDCref-uDC)（11）uid=ki2(idref-id)uiq=ki2(iqref-iq)utdref=uid+kp2(idref-id)-Liq+udutqref=uiq+kp2(iqref-iq)+Lid+uq（12）4 逆变器短路模式仿真分析为了使短路故障特征直观化与可视化，在MATLAB/Simulink中搭建了如图4所示的仿真模型。逆变器采用三相桥式结构，控制方式采用电压电流双环控制。在开关管发生短路故障时，三相电流能够反映所有开关管的状态，而且基于三相电流的故障诊断方法与逆变器的各项参数无关，可以直接获取输出端的相电流信号，具有很强的抗干扰能力，因此选用逆变器输出的三相电流作为开关管短路故障的特征信号。图4光伏并网逆变器仿真结构图4.1 正常运行模式逆变器正常运行时三相电流ia、ib、ic的波形和谐波分析结果如图5、图6所示，由图可知，正常工作模式下，占比最高的谐波幅值仅为基波幅值的1.16%，波形近似于正弦波。图5正常运行输出电流波形图图6正常运行电流谐波分析结果图4.2 短路运行模式根据短路故障发生的位置和开关管个数可以将故障分为单管短路、双管短路和多管短路等三大类，共计62种短路故障模式，具体分类见表2。在t=0时刻设置不同的开关管短路故障，0.06秒后故障解除，选择单管、双管和多管故障模式各一，得到经典故障模式下逆变器三相输出电流的波形，如图7图9所示。40第2期光伏并网逆变器的开关管短路故障仿真与分析表2逆变器开关管短路模式分类表短路故障类型单管短路双管短路多管短路同组同相不同组、不同相三管四管五管六管故障开关管序号1/2/3/4/5/613/15/35/24/26/4614/25/3616/12/34/36/54/56123/124/1234/1235/12345/12346/123456故障种类6636201551图7单管（S1）短路时输出电流波形图图8双管（S1、S3）短路时输出电流波形图图9多管（S1、S2、S3）短路时输出电流波形图由仿真波形可知，当发生开关管短路故障时，逆变器的三相输出电流均发生畸变，且不同故障模式对应的电流波形各不相同。因此，可以通过监测逆变器输出的三相电流信号来实现开关管短路故障模式的诊断。5 结论本研究所搭建的逆变器仿真模型能够模拟各种开关管故障模式，不同故障情况下三相输出电流波形各不相同，差异明显。研究结果表明，所建模型能够迅速确定开关管短路故障类型及故障位置，验证了通过逆变器三相输出电流实现短路故障诊断的可行性，也为逆变器短路故障的诊断、监测和预防提供了理论基础。【参考文献】1李俊峰，李广.中国能源、环境与气候变化问题回顾与展望J.环境与可持续发展，2020（5）:8-17.2习伟，张哲，陈卫，等.光伏逆变器短路特性分析J.电力系统保护与控制，2015（7）:70-75.3庄岩，徐伟明，李树卿，等.分布式光伏电压型逆变器控制系统的研究J.电气开关，2019（4）:55-57，63.4李高原，帕孜来 马合木提，赵智强，等.基于EWT-WOA-SVM的三电平逆变器早期故障诊断J.三峡大学学报（自然科学版），2023（2）:82-88.5WU X，CHEN C Y，CHEN T F，et al.A fast and robustdiagnostic method for multiple open-circuit faults of voltage-source inverters 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