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分布式电源接入与直流偏磁研究

北极星智能电网在线  来源:亚洲电能质量联盟  作者:刘康 朱永强  2018/3/26 9:30:32  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:针对分布式电源接入电网引起的直流偏磁问题,本文首先分析了直流偏磁及其形成机理;然后在此基础上重点分析了分布式电源接入电网引起的直流偏磁现象,对可能产生直流量的逆变器进行定量计算;最后根据直流量的特征,提出了几种抑制直流偏磁的基本思路和具体措施。

引言

随着能源需求问题和环境保护问题的日益严峻,清洁可再生能源的开发和利用愈来愈受到国际能源界的重视,因此,分布式发电(distributed generation, DG)获得了快速发展。分布式电源与电力系统并网运行将使得配电系统从放射状无源网络变为分布有中小型电源的有源网络,配电系统系统的控制和管理将变得更加复杂,会有一系列电能质量问题产生。许多分布式电源,如光伏发电,与电网通过逆变器连接,逆变器在参数不均衡、触发脉冲不对称等情况下,可能出现直流电流,这一直流量流入配电变压器可能造成变压器的直流偏磁。目前对分布式电源并网产生直流偏磁现象影响的讨论较少。

当流过变压器每相绕组的直流电流较大时,必然会引发铁芯饱和,从而导致励磁电流发生畸变,这就是所谓的直流偏磁现象。

本文将对分布式电源并入电网引起的变压器直流偏磁现象进行系统研究,分析直流偏磁的形成机理,直流偏磁可能对电力系统造成的危害。在此基础上,提出几种可行的直流偏磁抑制措施。

1 直流偏磁的概念及形成机理

变压器铁芯磁通φ与通入的励磁电流i成非线性关系,如图1所示。从坐标原点O到A点的一段曲线接近直线,说明磁通φ与励磁电流i近似成正比,称为线性区。A点上方的曲线(AB段)与线性区的曲线(OA段)不在一条直线上,随着励磁电流i的继续增大,磁通φ并不会随着电流的增长幅度而快速增长,这一段曲线称为饱和区。换个角度来说,当变压器工作在饱和区时,磁通的变化,会造成较大幅度的电流变化。

图1 变压器铁芯的磁化曲线

理想情况下,如果变压器铁芯工作在线性区,变压器在正弦交流励磁电流的作用下,铁芯中的磁通也按正弦规律变化,变压器绕组上感应出的电动势也是正弦波。如果变压器铁芯工作在饱和区,则变压器铁芯中的磁通与励磁电流不再成比例,磁通的变化会造成较大幅度的电流变化,使变压器的电流发生畸变。

直流偏磁是电力变压器的一种非正常运行状态,是指由于某种原因在变压器的励磁电流中出现了直流分量,从而使变压器的铁芯中包含了直流磁势或直流磁通,由此导致铁芯饱和,励磁电流发生畸变的现象。

图2 直流电流对变压器励磁的影响

在设计变压器时,为了尽量充分利用铁磁材料,一般要使变压器额定运行时主磁通φ运行于图2(b)中的线性区的端点附近(例如A点)。在线性区,磁通φ与励磁电流i成正比,铁芯中的磁通φ和励磁电流i都将按正弦规律变化,分别如图2(a)和图2(c)中的粗实线所示。在变压器正常运行的情况下,如果由于某种原因在励磁电流中出现了直流电流分量,即励磁电流i的曲线相对于坐标轴整体向上或者向下平移一个值,就会出现一个对应的直流磁通φo,则直流磁通φo和交流磁通相叠加,就形成了磁场偏移。此时的总磁通在与直流磁通方向一致的半个周波的磁通密度大大增加,而另外半个周波的磁通密度反而减小,如图2(a)中的虚线所示。与之相对应的励磁电流的波形也会发生变化,呈现正负半波不对称的情况,如图2(c)中的虚线所示。当流过变压器每相绕组的直流电流较大时,必然会引发铁芯饱和,从而导致励磁电流发生畸变,产生直流偏磁现象。

2分布式电源引起的直流偏磁

许多分布式电源,如光伏发电,与电网的连接是通过逆变器实现的。逆变器在参数不均衡、触发脉冲不对称等情况存在时,可能出现直流电流,造成变压器直流偏磁现象。下面以单相全桥逆变器为例,说明逆变器输出电流中出现直流分量的原因。

图3为单相全桥逆变电路,假设逆变器采用两电平脉宽调制(Pulse Width Modulation, 简称PWM)方式。

图3中a、b两点之间的电压为逆变器输出电压u。由电路图不难分析,逆变器交流输出侧的电路方程为:

设电网电压ug没有直流分量,又因直流分量的微分值为零,则逆变器出口的直流分量的电路方程为:

式中:udc,idc分别为逆变器输出电压和输出电流的直流分量。

因此,在系统电压没有直流分量的情况下,逆变器输出电流中的直流分量与逆变器输出电压中的直流分量成正比。如果近似用电压在一个工频周期的平均值代表其直流分量,则还可以理解为,逆变器输出电流的直流分量与逆变器输出电压的平均值成正比。

在电网电压正半周期,一个开关周期Ts内的逆变器输出电压的平均值为:

在电网电压负半周期,一个开关周期Ts内的逆变器输出电压的平均值为:

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