浅谈含光伏电源的配电系统及漏电流的量测问题

2023-05-03 16:34:00 浙江巨磁智能技术有限公司 浏览次数 118

一、背景

随着“双碳”政策的大力推动和相关措施的落实细化,我国可再生能源已进入高质量跃升发展的新阶段。其中,以光伏发电为代表的分布式电源(Distribute Generation, DG)因其清洁、高效、即插即用的特点,在经济发展中逐渐占据重要战略地位。

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根据国家发改委能源研究所的预测,到2025年,光伏总装机规模将达到7.3亿千瓦,占全国总装机的24%;2035年光伏发电量将成为所有电源类型的第一位;到2050年,光伏将成为中国的第一大电源,光伏发电总装机规模将达到50亿千瓦,占全国总装机的59%。未来太阳能光伏发电将在我国乃至世界能源消费中占有重要的地位。


在光伏能源产业快速发展,配电网中新能源渗透率不断上升的同时,含光伏电源的配用电系统中的漏电保护问题成为用电安全的关键。“电流传感器”作为能源产业发展的重要细分环节,其核心技术承载着精确控制和高效节能的重要使命,对推动绿色转型升级的落地来说至关重要。

 

二、含光伏电源的配电系统漏电保护问题

光伏电源接入后,其与储能装置、能量转换装置、交直流负载及保护装置共同组成了一个小型的发配电系统,如图1所示。由于含光伏电源的配电系统包含直流环节设备,在电流的传输中不同于传统的交流传输,其传输过程中可能产生的漏电流形态也更加复杂。含光伏电源的配电系统的普及,在改善能源产业结构的同时,也面临着更加严峻的用电安全挑战。


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图1 含光伏电源的配电网示意图


含光伏电源的配电系统中,相较于“PV绝缘故障”问题,“漏电流故障”问题更常见,并且很有可能伴随出现漏保设备跳闸(若系统有安装)等现象。主要表现为:逆变器和电网断开,进入保护模式,屏幕显示“漏电流故障01/02/03/04”报错信息,如图2,同时可能引起漏保设备动作(若系统有安装)。


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图2 漏电流故障报错


该故障说明逆变器和漏电保护检测到光伏系统对地有漏电流产生。根据国家标准(NBT 32004-2018)6.7.2要求,若该故障发生,逆变器必须立即停止工作,进入保护模式,从而保护人身和设备安全,如图3所示。


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图3 漏电流故障进入保护模式示意图


三、含光伏电源的配电系统漏电流量测方法

目前,漏电保护技术的发展方向主要集中在量测方法、保护方法和漏电保护产品的研发三个方面。电流传感器作为漏电保护器电流量测部分的核心,如何有效的提取出微弱的电流信号,成为漏电流的量测研究的重难点。


考虑到含光伏电源的配电系统包含直流设备,为解决含有直流信号的剩余电流检测问题,本文主要对直流漏电流的量测问题进行介绍比较,主要包括直流电流互感器、霍尔电流传感器和磁通门电流传感器三种量测方法。


3.1直流电流互感器

直流电流互感器主要通过被测电流对带有铁芯线圈的感抗的变化,间接地改变激磁电流,来反映被测电流的大小,原理示意图如图4所示。


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图4 直流电流互感器原理图


目前在电力系统中,直流电流互感器的作用除了用于测量直流电流之外,也大量的用于整流系统中,充当电流反馈元件,或者用于控制和保护其他元件。


3.2霍尔电流传感器

霍尔电流传感器的主要器件是霍尔元件,霍尔元件可以感应通电导线周围的磁场,把磁场按一定比例转化成电压输出。霍尔电流传感器的优势是可以测量任何波形的电流,缺点是温漂问题比较严重。由于霍尔器件为半导体材料制成,外界环境温度变化时会影响器件的载流子浓度,进而影响测量值精确度。因此在一些需要高可靠性的应用场合,霍尔电流传感器具有一定的劣势。


霍尔闭环电流互感器原理如图5所示,该线路主要由磁电转换部分、放大部分及驱动补偿线路部分等组成,整个测量回路形成闭环系统。


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图5 霍尔闭环电流互感器原理图


3.3磁通门传感器

磁通门技术的基本原理是利用软磁性材料易于磁饱和的特性,通过周期性的交流激励信号使磁芯达到或近似达到周期性的磁饱和状态,且磁饱和频率为激励信号频率的两倍。当没有外加磁场时,相邻两次的磁饱和波形完全相同,当外加磁场或外加电流产生的磁场通过磁芯时,相当于给磁芯中的磁场外加一个偏置,改变了其相邻两次磁饱状态的深度(或改变其到达时间),由此便可测量外加磁场或电流。电压激励型磁通门如图6所示。


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图6 电压激励型磁通门


对以上三种漏电流量测方法进行比较,分析结果如表1所示。


表1 电流量测方法对比

量测方法

电流类型

量测范围

量测精度

抗干扰能力

温度特性

性价比

直流电流互感法

脉动直流

10~20kHz(或更高)

较高

响应速度快

当负载电流较大时,载流导体在互感器磁芯中放置不对称容易产生假剩余电流。

霍尔电流传感器法

交直流

0~200kHz(或更高)

较高
响应速度慢

易受外界磁场影响;
受直流分量影响较大

较差

当温度变化时容易产生零点漂移

(<200ppm/ ℃ , 0~70℃)

较高

磁通门电流传感器法

交直流

0~10kHz(或更高)

较高
响应速度快

不受外界磁场影响;
抗干扰能力强

(典型值30ppm/ ℃ , -25~70℃)

较高


结合分析可以看出:磁通门电流传感器具有结构简单、小型化、功耗低、高稳定性、高抗震性、准确度高、漂移低、线性度好和防磁能力强等优点,磁通门传感器相较于霍尔原理传感器优势包括:

1、磁通门电流传感器通过对正负激励电流的差分信号进行放大,从而消除零点偏移误差和磁场干扰带来的误差,进而提高磁通门传感器的灵敏度和稳定性;而霍尔传感器的零点漂移问题主要来自于信号放大电路中的运放漂移,其温度漂移则因其半导体性质,半导体散射系数rH、载流子密度n和半导体片的厚度t均受温度影响,故霍尔传感器对温度较为敏感,进而影响检测精度。

2、磁通门磁芯无需开口切割,其结构更为完整,强度更高,耐用性更好,能够更好地抵御物理损坏和外部干扰,磁芯的输出稳定性更佳,可靠性更高;而霍尔传感器的霍尔元件在工作时需要与开口相连,灵敏度降低,生产成本也相对较高。


3、磁通门传感器在工作过程中产生的强磁场使得传感器对外界噪声和干扰的影响较小,更加不容易被干扰;而霍尔传感器由于其检测磁场的效应很小,通常需要使用放大器等电路进行增强,这些电路本身也会引入噪声和干扰。此外,霍尔传感器还易受环境温度、磁场方向等因素的影响。因此,磁通门传感器相比霍尔传感器具有更好的抗干扰性能。


四、含光伏电源的配电系统漏电故障案例分析

雨季来临,漏电故障频发。由于含光伏电源的配电系统容量较大,导致组件的平铺面积较大,系统本身就存在较强的电容特性,很容易受到环境湿度影响,产生系统容性漏电。特别是在早晚或者阴雨天气更为严重。通过电桥测试法检测晴天和雨后对地电容值,测试结果如图7和图8所示,雨后寄生电容约是晴天的3倍,考虑到光伏组件平铺面积的影响,该值差别会更大。除此之外,线缆外皮裸露、接地不良、汇流箱体密封性较差等问题也会导致系统漏电故障。

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图7 晴天-对地电容值为5~8nF                图8 雨后-对地电容值为15~20nF

含光伏电源的配电系统漏电故障的时常发生。考虑到光伏系统漏电流成分复杂,电流副值少,电流幅值小的特点,要求光伏漏电流必须采用Type B,也就是交直流漏电均能测量的电流传感器。


因此,我们可以在含光伏电源的配电系统中配置MAGTRON的漏电流传感器,实现高隔离电压等级B型漏电流检测。当光伏系统中产生漏电流时,可实现高边电流采样以使得保护装置快速关断。


该系列产品基于直流电流的开环磁通门传感器量测方法,同时满足交直流测试,其搭配自主研发的内部集成自检功能Self-Check模块的iFluxgate®芯片,量测精度达1~2%,响应速度快,能够有效实现含光伏电源的配电系统中复杂漏电流的可靠保护,且满足国标、欧标、美标规定,面对突发漏电故障时能够准确保护,在多级保护中具有选择性,解决了传统的漏电流检测的痛点,性价比很高。


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图9 Magtron RCMU系列漏电流传感器

 

参考文献

【1】吴平安, 张少海, 易志明. 直流系统漏电检测方法的比较[J]. 华北电力技术, 2003(02):52-54.

【2】王雪楠, 王亚飞. 基于磁调制原理的直流剩余电流测量装置[C]. 中国技术电工协会低

压电器专业委员会. 2010, No.15: 478-484.

【3】Min Yingzong. An AC/DC sensing method based on adaptive magnetic modulation

technology with double feedback properties[C], 2001 IEEE International Workshop on

Applied Measurements for Power System, 2011.9:48-52.

【4】李倩. 含光伏电源的配用电系统漏电保护的研究[D].河北工业大学,2019.

【5】卢志军. 基于磁通门式B型电流互感器的剩余电流检测技术研究[D].上海电机学院,2022.

【6】ZEINELDIN H, EL-SAADANY E, SALAMA M, Distributed generation micro-grid

operation: control and protection[C] // Proceedings of the Power Systems Conference:

Advanced metering, Protection, Control, Communication, and Distributed Resources,2006 PS’06:F, 2006, IEEE.