傳感器在光伏并網(wǎng)發(fā)電中對(duì)直流注入量抑制的影響

近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在電力供應(yīng)中扮演的角色逐漸突顯，越來(lái)越多的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入到配電網(wǎng)中，對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)有了更高的要求，并網(wǎng)前輸出高質(zhì)量的電流才能保證光伏電源對(duì)配電網(wǎng)的不利影響減到最小。

　　光伏電源對(duì)配電網(wǎng)的影響主要包含：升高接人點(diǎn)電壓、引起電壓波動(dòng)、注入電流諧波和直流分量、直流側(cè)接地故障、非正常孤島等。

　　本文主要闡述直流注入量產(chǎn)生的原因、危害以及如何有效抑制。

　　一、直流分量產(chǎn)生的原因

　　直流分量產(chǎn)生的最根本原因是逆變器輸出的高頻SPWM波中含有一定的直流分量。逆變器輸出脈寬調(diào)制波中含有直流分量的原因可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

　?。?）給定正弦信號(hào)波中含有直流分量

　　這種情況多發(fā)生在模擬控制的逆變器中，正弦波給定信號(hào)由模擬器件產(chǎn)生，因?yàn)樗迷骷匦缘牟町?，給定正弦波信號(hào)本身就含有很小的直流分量。采用閉環(huán)波形反饋控制，輸出電流波形和給定波形基本一致，從而導(dǎo)致輸出交流電流中也含有一定程度的直流分量。

　?。?）脈沖分配及死區(qū)形成電路引起的直流分量

　　控制系統(tǒng)產(chǎn)生的SPWM信號(hào)需經(jīng)過(guò)脈沖分配及死區(qū)形成電路分相、設(shè)置死區(qū)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離、放大后驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。其中元件參數(shù)的分散性會(huì)引起死區(qū)時(shí)間不同，即各管每次導(dǎo)通時(shí)間中的損失不一致，從而逆變器輸出中包含直流分量。

　　（3）開(kāi)關(guān)管特性不一致

　　即使控制電路產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波完全對(duì)稱(chēng)，由于主電路中功率開(kāi)關(guān)管特性的差異，如導(dǎo)通時(shí)飽和壓降不同以及關(guān)斷時(shí)存儲(chǔ)時(shí)間的不一致等，這些均會(huì)造成輸出SPWM波正負(fù)的不對(duì)稱(chēng)，從而導(dǎo)致輸出電流中含有直流分量。

　?。?）控制系統(tǒng)反饋通道的零點(diǎn)漂移引起的直流分量

　　1）檢測(cè)元件的零點(diǎn)漂移：逆變器引入輸出反饋控制，不可避免要采用各種檢測(cè)元件，最常用的是電壓、電流霍爾傳感器。這些傳感器一般都存在零點(diǎn)和溫度漂移，由于這些漂移的存在，使得輸出電流中含有直流分量

　　2）A／D轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)漂移：在全數(shù)字控制的逆變器中，檢測(cè)元件檢測(cè)到的輸出電流還需經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并由處理器按一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。同檢測(cè)元件一樣，A／D轉(zhuǎn)換器也存在零點(diǎn)漂移，同樣會(huì)造成輸出交流電流中含有直流分量。

　　二、直流分量的危害

　　直流分量主要對(duì)配電網(wǎng)中的變壓器、電流式漏電斷路器、電流型變壓器、計(jì)量?jī)x表等造成不利影響。由于這些設(shè)備中都有磁芯，直流分量的存在容易造成磁路的飽和，引起電流式漏電斷路器誤動(dòng)作，變壓器或互感器飽和、發(fā)熱、產(chǎn)生諧波和噪音等，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行故障甚至癱瘓。

直流注入量的抑制是光伏并網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，IEEEStd.929-2000中規(guī)定，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流中直流分量必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%，美國(guó)的規(guī)定是不超過(guò)每相電流額定值的0.5%，國(guó)標(biāo)GB/Z19964-2005《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定直流分量不應(yīng)超過(guò)其交流額定值的1%，同時(shí)《500kW光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》中要求直流電流不應(yīng)大于逆變器輸出電流額定值的0.5%.

　　三、直流分量的抑制

　　直流分量的抑制可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)，在并網(wǎng)前采用隔離變壓器是抑制直流分量的有效方法。

　　但近十幾年來(lái)，由于技術(shù)的進(jìn)步以及成本的壓力，去除隔離變壓器可帶來(lái)更高的效率并減少生產(chǎn)成本，不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

　　對(duì)于不帶隔離變壓器的系統(tǒng)，通常會(huì)采用脈寬調(diào)制（Pulse-widthmod.ulatim，PWM）技術(shù)的光伏電源逆變器可以抑制直流分量輸出。

　　選用合理的檢測(cè)元件也可以有效減少直流分量。

　　四、直流分量的檢測(cè)

　　直流分量的檢測(cè)一般選用閉環(huán)電流傳感器，閉環(huán)電流傳感器具有精度高，線(xiàn)性誤差小受外界干擾小的特點(diǎn)。對(duì)于直流分量的檢測(cè)與一般的電流檢測(cè)不同，疊加在交流信號(hào)的的直流分量幅值都很小，對(duì)傳感器的要求也會(huì)更高。

　　電流傳感器一般都會(huì)有零點(diǎn)誤差、溫度漂移線(xiàn)性誤差，這些誤差都會(huì)對(duì)直流分量造成影響，有些可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)及軟件算法，有些則不避免地存在。選擇合適的傳感器，合理地使用傳感器，有效減少電流傳感器對(duì)直注分量的影響。

　　下面我們以CASR50-NP為例來(lái)分析，這些誤差對(duì)直流分量影響的程度，以及如何消除和減小影響。CASR系列是LEM針對(duì)光伏應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一款低溫漂、體積小的傳感器，有6A，15A，25A和50A四種規(guī)格。

　　線(xiàn)性誤差εl:±0.1%,零點(diǎn)失調(diào)值Vout:2.5±0.05,零點(diǎn)溫漂TCVout:±0.7ppm/K,增益溫漂TCV:max±40ppm/K.

　　這些參數(shù)在對(duì)分布式光伏逆變器并網(wǎng)中對(duì)直流分量會(huì)有多大影響呢，我們來(lái)逐一分析。

　　線(xiàn)性誤差：由于被測(cè)的有效電流是交流信號(hào)，那么在磁路中的磁滯曲線(xiàn)是一個(gè)對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，在正半周和負(fù)半周產(chǎn)生的線(xiàn)性誤差也是對(duì)稱(chēng)的，對(duì)于直流分量來(lái)說(shuō)，是可以相互抵消的，所以線(xiàn)性誤差的大小不會(huì)影響直流分量的注入量的大小。磁滯曲線(xiàn)見(jiàn)下圖所示。

　　零點(diǎn)漂移值：由于傳感器零點(diǎn)失調(diào)值是一固定值，在光伏電源系統(tǒng)中，可以通過(guò)軟件修正或去除零點(diǎn)失調(diào)值，以消除對(duì)直流注入量的影響。

溫漂：這個(gè)參數(shù)隨溫度的變化而變化，無(wú)法避免，直接對(duì)直流注入量產(chǎn)生影響，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中必須考慮。

　　由于檢測(cè)的信號(hào)中含有交流和直流信號(hào)民，傳感器的綜合誤差只是影響交流，直流量的通過(guò)積分來(lái)取得，這些誤差會(huì)在正、負(fù)半周抵消，見(jiàn)下圖示。綜合上述誤差分析，CASR輸出信號(hào)對(duì)影響直流注入量的參數(shù)主要是溫度漂移誤差。

　　以并網(wǎng)電流為30Arms，用CASR50-NP傳感器檢測(cè)并網(wǎng)電流，在85°C條件下的對(duì)直流分量有影響的誤差為：

　　總誤差=TCV_OUT+TCG=0.12%+0.24%=0.36%這個(gè)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于0.5%的要求，可以滿(mǎn)足逆變器對(duì)直流量測(cè)量的要求。

　　結(jié)論：根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)直流分量的要求與規(guī)定，除采用脈寬調(diào)制技術(shù)外，在選取相應(yīng)的電流傳感器時(shí)，除了考慮測(cè)量精度高、線(xiàn)性誤差小、寬溫度范圍等參數(shù)外，溫漂（零點(diǎn)溫度漂移和增益溫度漂移）是特別需要考慮的參數(shù)，對(duì)于標(biāo)稱(chēng)精度相同的傳感器，溫度漂移越小，對(duì)直流分量測(cè)量的影響越小。所以選用溫漂特性好的傳感器可以有效抑制直流注入量，提高測(cè)量效果。