电能质量测量的准确性很重要时的可再生能源的直流电注入

2023-11-20

TDK推出下一代HVC系列
作者：DANISENSE A/S Roland Buerger
近年来，在电力和能源行业以及配电网和运输网中，电能质量测量越来越频繁。这些测量主要集中在经典的特性参数上，如电压骤降、电压瞬变和谐波。配电网质量标准提供了最大值。

EN 50160
IEEE 519
Guideline G5/4
D-A-CH-CZ –网络干扰评估技术规则

此外，配电网络和产品之间的兼容性可以根据IEC 61000-2-2标准（适用于公共低压网络）和IEC 61000-4-4标准（适用于中低压工业装置）进行评估。DC偏移分量是一个重要的电能质量参数，它通常不被考虑也不包括在标准中。
到目前为止，以下问题通常很少受到关注：
有多少DC偏移被注入电网？
应如何以可靠的方式测量和鉴定DC组件？
DC组件如何影响剩余系统？如何限制其存在？

标准化中的DC限值

在德国，DC分量可在技术安装指南（TAR）低压第5.4.4.9将直流电送入低压电网中找到。这里具体说一下：
5.4.4.9向低压电网输送直流电
转换器不得注入超过其额定电流的0.5%或最大20 mA（应选择更高的值）的直流电。
注1：直流电流的测量基于10个基本振荡周期的DIN EN 61000-4-7（VDE 0847-4-7）
注2：直流电流会对电缆造成腐蚀性损坏，对其他设备造成损坏，还会对变压器和其他电感器造成饱和。
标准文本明确地将转换器列为不需要的DC电源。DC分量的最大值也可在其他国家/地区找到。下表列出了三个示例。

表1：国家标准中的DC限值

转换器上的DC测量

IEEE 2019年的一份出版物研究了三种典型太阳能逆变器的DC分量。结果如下表所示。

表2：转换器的DC测量参数

根据最新的德国低压指令（TAR），Types A和B超过了20 mA DC的限制。

转换器中的DC电源
转换器中有几个DC电源，如下图所示的转换器系统。

图1：LCL型并网电压源转换器的拓扑结构

机组证书与常规测试

从规范上讲，在现行的低压电网发电厂机组证书标准中，DC分量的测试已经是强制性的。DC分量测量见IEEE Std 1547.1-2020第5.9.2项。在德国预标准VDE V 0124-100中，该试验在5.2.6.1中进行了描述。
然而，一般来说，机组证书是一种类型测试，其中整个系列中只有一个机组作为示例进行测试。输出DC分量的根本原因可能来自许多来源，例如安装的功率晶体管的构建质量或不对称性，这些因素可能因设备而异。为了了解实际DC贡献，逆变器制造商应重新建立对每个生产的逆变器的常规测试。因此，即使是具有无可挑剔的机组证书的逆变器，在向电网输出电力时，也不能排除其作为寄生DC电源的可能性。

用于机组证书和电能质量测量的测量设备

事实上，电网连接点的电压质量不仅因地点而异，而且随时间而变化。因此，在电网电压条件差的情况下，例如，已经存在的DC分量可能对转换器的DC电流分量产生负面影响。用于现场电能质量测量的Rogowski线圈只能检测电流信号中的AC分量。由于测量的不确定性，带有霍尔元件的电流钳通常是不够的。因此，丹麦Danisense公司的高精度磁通门电流传感器被用于认证公司的测量实验室。这些传感器在丹麦由该公司自己的IEC 17025认证测量实验室直接校准，并提供必要的校准证书。

图2:Danisense DS50UB-10V磁通门传感器，具有低初级电流的电压输出和精度数据
在最初的试点项目中，这些磁通门传感器也与高精度电能质量分析仪一起使用。对于并网发电厂中小型DC分量的苛刻测量，电能质量分析仪（PQA）应具有非常好的信噪比，否则低于或高于标称频率的较小电平将在噪声中丢失。

图3：不同信噪比的PQ分析仪

同时，PQA应提供补偿电流传感器可能的DC偏移的可能性，以便即使是最小的电平也能非常准确地测量。使用Neo-Messtechnik的电能质量分析仪PQA8000H可以连接磁通门传感器。除了非常好的信噪比之外，FFT分析的频率参数也可以自由选择。根据IEC 61000-4-7的标准分组通常过于粗略，无法进行进一步分析，尤其是在低频范围内。因此，PQA也可以用于高压网络中，以检测0到1Hz范围内的地磁感应准直流。
具有高精度磁通门传感器的DC测量也可以直接在转换器中进行。对于较小的额定电流，磁通门传感器可作为PCB安装，因此变频器可以自己检查输出电流。

图4：Danisense DP50IP-B可编程磁通门转换器，最大50 A

工厂证书

如果几个经过认证的光伏模块和逆变器组合在一起形成一个大型发电厂，除了制造商的单个机组证书外，还需要工厂证书。在德国，所有大于135kW的发电厂都需要工厂证书。然后，连接点通常位于中压水平，以最大限度地减少输电损耗。变压器之后不再需要DC测量。然而，低压侧的DC电流会显著缩短变压器的寿命。因此，在变压器的整个使用寿命期间，低压侧的DC测量肯定符合工厂运营商的利益，以最大限度地减少工厂的停机时间和维护成本。
除了光伏转换器，风能领域的强大转换器也可以产生DC分量。电厂认证不再需要DC测量，因为中压变压器在大多数情况下都包含在风能电厂中，如下图所示。

图5：带中压变压器的风力涡轮机的工厂证书

变压器和DC注入

变压器的磁芯单向饱和会产生更高的励磁电流，从而导致磁芯过热。此外，还会发生振动、噪音和热应力，最终缩短变压器的寿命。下图显示了由叠加低频振荡引起的半波饱和。

图6：变压器的半波饱和

此外，在半波饱和期间，变压器变为非线性操作装置。在这里，变压器的磁性操作范围被推入饱和范围。滞后曲线的线性范围为左侧。结果，中压侧的电压信号的失真因数增加。

结论

可再生能源应用中的功率转换器技术不仅存在潜在的谐波源。近年来，越来越多的调查报告表明，DC注入也发生在许多情况下。除了逆变器之外，非线性负载还可以产生DC分量。电机和变压器等感应设备的设计不适用于处理这些负载。尽管转换器制造商方面做出了一些努力来最小化DC分量，但当使用AC/DC传感器时，在低压网络中的电能质量测量过程中，经常并且越来越多地检测到不可忽略的DC分量。

图7：Danisense磁通门电流传感器与Neo-Messtechnik的PQA8000组合

可靠、高性能的电流传感器和非常好的PQA是这种高要求测量成功的基本要求。
www.danisense.com
参考文献
Salas, Vicente & Olías, Emilio & Alonso Abella, Miguel & Chenlo, F. & Barrado, A.. (2006). DC Current Injection into the Network from PV Grid Inverters. 2. 2371 - 2374. 10.1109/WCPEC.2006.279668.