可再生能源的直流注入：

直流（DC）注入來自可再生能源——在電力質(zhì)量測量中，當(dāng)準(zhǔn)確性至關(guān)重要時(shí)

近年來，在電力和能源行業(yè)以及在配電和輸電網(wǎng)絡(luò)上，電力質(zhì)量測量越來越頻繁地進(jìn)行。這些測量主要關(guān)注經(jīng)典的特征參數(shù)，如電壓暫降、電壓瞬變和諧波。標(biāo)準(zhǔn)提供了配電網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的最大值。

- EN 50160：這是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)定電力系統(tǒng)電壓變化、電壓波動和閃變的限制。

- IEEE 519：這是美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的標(biāo)準(zhǔn)，涉及電力系統(tǒng)中諧波的控制和影響。

- Guideline G5/4：這是國際電工委員會（IEC）的指南，涉及電力系統(tǒng)電磁兼容性的測量技術(shù)和限值。

- D-A-CH-CZ – Technical Rules for the Assessment of Network Disturbances：這是德國、奧地利、瑞士和捷克的技術(shù)規(guī)則，用于評估電網(wǎng)干擾。

此外，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-2-2（針對公共低壓網(wǎng)絡(luò)）和IEC 61000-2-4（針對低壓和中壓工業(yè)安裝）評估配電網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品之間的兼容性。一個(gè)通常不被考慮或包含在標(biāo)準(zhǔn)中的重要電力質(zhì)量參數(shù)是直流偏移分量。

到目前為止，以下問題很少受到關(guān)注：

注入到電網(wǎng)的直流偏移量是多少？

應(yīng)該如何以可靠的方式測量和鑒定直流分量？

直流分量對剩余系統(tǒng)有何影響，以及可以做些什么來限制其存在？

標(biāo)準(zhǔn)化中的直流限制

在德國，直流分量可以在《低壓技術(shù)安裝指南》（TAR）低壓部分的5.4.4.9點(diǎn)“向低壓電網(wǎng)注入直流電流”中找到。這里特別指出：

5.4.4.9 向低壓網(wǎng)絡(luò)注入直流電流

轉(zhuǎn)換器注入的直流電流不得超過其額定電流的0.5%或最大20毫安（應(yīng)選擇較高值）。

注1：直流電流的測量基于DIN EN 61000-4-7（VDE 0847-4-7）標(biāo)準(zhǔn)，測量周期為10個(gè)基本振蕩周期。

注2：直流電流可能導(dǎo)致電纜腐蝕損壞，對其他設(shè)備造成損害，以及變壓器和其他電感器的飽和。

標(biāo)準(zhǔn)文本明確列出了轉(zhuǎn)換器作為不希望出現(xiàn)的直流電源。在其他國家也可以找到直流分量的最大值。以下表格列出了三個(gè)例子。

表1：國家標(biāo)準(zhǔn)中的直流限制

轉(zhuǎn)換器上的直流測量

2019年IEEE的一份出版物檢查了三種典型太陽能逆變器的直流分量。結(jié)果如下表所示。

表2：轉(zhuǎn)換器上的直流測量 - 參數(shù)

A型和B型超過了德國新低壓指令（TAR）規(guī)定的20毫安直流電流的限制。

轉(zhuǎn)換器中的直流源

轉(zhuǎn)換器中有多個(gè)直流源，如下圖所示的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)圖所示。

圖1：LCL型并網(wǎng)電壓源轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單元證書與例行測試

通常，直流分量的測試已經(jīng)在當(dāng)前低壓電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備單元證書的標(biāo)準(zhǔn)中成為強(qiáng)制性要求。直流分量的測量在IEEE Std 1547.1-2020標(biāo)準(zhǔn)下的5.9.2項(xiàng)中有所描述。在德國預(yù)標(biāo)準(zhǔn)VDE V 0124-1005中，測試在5.2.6.1項(xiàng)下有所描述。

然而，一般來說，單元證書是一種類型測試，其中只測試整個(gè)系列中的一個(gè)單元作為示例。

輸出直流分量的根本原因可能來自多種來源，如制造質(zhì)量或安裝功率晶體管的不對稱性，這些可能會因設(shè)備而略有不同。為了了解真實(shí)的直流貢獻(xiàn)，應(yīng)由逆變器制造商重新建立對每個(gè)生產(chǎn)的逆變器進(jìn)行例行測試。因此，即使擁有好的單元證書的逆變器也不能排除作為向電網(wǎng)輸出功率時(shí)的寄生直流源。

用于單元證書和電力質(zhì)量測量的測量設(shè)備

事實(shí)上，電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓質(zhì)量不僅因地點(diǎn)而異，而且隨時(shí)間變化。因此，在電網(wǎng)電壓條件較差的情況下，例如，已經(jīng)存在的直流分量可能會對轉(zhuǎn)換器的直流電流分量產(chǎn)生負(fù)面影響。在現(xiàn)場電力質(zhì)量測量中使用的羅戈夫斯基線圈只能檢測電流信號中的交流分量。帶有霍爾元件的電流鉗通常由于測量不確定性而不夠準(zhǔn)確。因此，在認(rèn)證公司的測量實(shí)驗(yàn)室中使用丹麥公司Danisense生產(chǎn)的高精度磁通門電流傳感器。這些傳感器在丹麥直接在公司自己的IEC 17025認(rèn)證測量實(shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)，并提供必要的校準(zhǔn)證書。

圖2：Danisense DS50UB-10V磁通門傳感器，帶有電壓輸出和低初級電流的精度數(shù)據(jù)。

在最初的試點(diǎn)項(xiàng)目中，這些磁通門傳感器也與高精度電力質(zhì)量分析儀一起使用。對于并網(wǎng)電廠中小直流分量的苛刻測量，電力質(zhì)量分析儀（PQA）應(yīng)具有非常好的信噪比，否則低于或高于額定頻率的較小水平將在噪聲中丟失。

圖3：具有不同信噪比的PQ分析儀

同時(shí)，PQA（電力質(zhì)量分析儀）應(yīng)該提供補(bǔ)償電流傳感器可能的直流偏移的可能性，以便即使是最小的水平也能非常準(zhǔn)確地測量。使用Neo Messtechnik的PQA8000H電力質(zhì)量分析儀，可以連接磁通門傳感器。除了非常好的信噪比外，F(xiàn)FT分析的頻率參數(shù)也可以自由選擇。通常按照IEC 61000-4-7進(jìn)行的分組對于進(jìn)一步分析來說往往太粗糙，特別是在低頻范圍內(nèi)。因此，PQA也可以在高壓電網(wǎng)中使用，以檢測從0到1赫茲范圍內(nèi)由地球磁場引起的準(zhǔn)直流電流。

使用高精度磁通門傳感器也可以直接在轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行直流測量。對于較小額定電流，磁通門傳感器可作為PCB安裝，以便變頻器可以自行檢查輸出電流。

圖4：Danisense DP50IP-B - 可編程磁通門傳感器，最高可達(dá)50安培

電廠證書

如果將多個(gè)經(jīng)過認(rèn)證的光伏模塊和逆變器組合成一個(gè)大型發(fā)電廠，除了制造商的個(gè)別單元證書外，還需要一個(gè)電廠證書。在德國，所有大于135千瓦的電廠都需要電廠證書。連接點(diǎn)通常位于中壓級別，以最小化傳輸損失。變壓器之后不再需要直流測量。然而，低壓側(cè)的直流電流可以顯著縮短變壓器的壽命。因此，在低壓側(cè)進(jìn)行直流測量絕對符合電廠運(yùn)營商的利益，以在整個(gè)變壓器的使用壽命期間最小化停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

除了光伏轉(zhuǎn)換器外，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的強(qiáng)大轉(zhuǎn)換器也可能產(chǎn)生直流分量。由于在大多數(shù)情況下風(fēng)力發(fā)電廠包括中壓變壓器，因此這里不再需要進(jìn)行直流測量以獲得電廠證書，如下圖所示。

圖5：帶有自有中壓變壓器的風(fēng)力渦輪機(jī)電廠證書

變壓器和直流注入

遭受單向飽和的磁芯的變壓器會產(chǎn)生更高的激勵(lì)電流，這可能導(dǎo)致磁芯過熱。此外，還可能發(fā)生振動、噪音和熱應(yīng)力，最終縮短變壓器的壽命。下圖顯示了由疊加的低頻振蕩引起的半波飽和。

圖6：變壓器的半波飽和

此外，在半波飽和期間，變壓器變成一個(gè)非線性運(yùn)行設(shè)備。在這里，變壓器的磁操作范圍被推入飽和范圍。磁滯曲線的線性范圍變小。因此，中壓側(cè)電壓信號的畸變因子增加。

結(jié)論

在可再生能源應(yīng)用中的電力轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅受到諧波的潛在源的影響。近年來，越來越多的調(diào)查報(bào)告顯示，在許多情況下也發(fā)生了直流注入。除了逆變器，非線性負(fù)載也可以產(chǎn)生直流分量。感應(yīng)設(shè)備如電動機(jī)和變壓器并未設(shè)計(jì)來處理這些負(fù)載。盡管轉(zhuǎn)換器制造商方面做出了一些努力來最小化直流分量，但在使用交流/直流傳感器進(jìn)行低壓網(wǎng)絡(luò)的電力質(zhì)量測量時(shí)，仍然經(jīng)常檢測到不可忽視的直流分量。

圖7：Danisense磁通門電流傳感器與Neo Messtechnik的PQA8000組合使用

可靠的高性能電流傳感器和非常好的PQA是這項(xiàng)要求苛刻的測量成功的基本要求。