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传感器在光伏并网发电中对直流注入量抑制的影响
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太阳能发电展厅
太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ...
近年来,光伏产业发展迅速,在电力供应中扮演的角色逐渐突显,越来越多的分布式光伏发电系统接入到配电网中,对传统的配电网络提出了新的挑战,同时也对光伏发电技术有了更高的要求,并网前输出高质量的电流才能保证光伏电源对配电网的不利影响减到最小。

光伏电源对配电网的影响主要包含:升高接人点电压、引起电压波动、注入电流谐波和直流分量、直流侧接地故障、非正常孤岛等。

本文主要阐述直流注入量产生的原因、危害以及如何有效抑制。

一、直流分量产生的原因

直流分量产生的最根本原因是逆变器输出的高频SPWM波中含有一定的直流分量。逆变器输出脉宽调制波中含有直流分量的原因可以归结为以下几点:

(1)给定正弦信号波中含有直流分量

这种情况多发生在模拟控制的逆变器中,正弦波给定信号由模拟器件产生,因为所用元器件特性的差异,给定正弦波信号本身就含有很小的直流分量。采用闭环波形反馈控制,输出电流波形和给定波形基本一致,从而导致输出交流电流中也含有一定程度的直流分量。

(2)脉冲分配及死区形成电路引起的直流分量

控制系统产生的SPWM信号需经过脉冲分配及死区形成电路分相、设置死区,再经驱动电路隔离、放大后驱动开关管。其中元件参数的分散性会引起死区时间不同,即各管每次导通时间中的损失不一致,从而逆变器输出中包含直流分量。

(3)开关管特性不一致

即使控制电路产生的脉宽调制波完全对称,由于主电路中功率开关管特性的差异,如导通时饱和压降不同以及关断时存储时间的不一致等,这些均会造成输出SPWM波正负的不对称,从而导致输出电流中含有直流分量。

(4)控制系统反馈通道的零点漂移引起的直流分量

1)检测元件的零点漂移:逆变器引入输出反馈控制,不可避免要采用各种检测元件,最常用的是电压、电流霍尔传感器。这些传感器一般都存在零点和温度漂移,由于这些漂移的存在,使得输出电流中含有直流分量

2)A/D转换器的零点漂移:在全数字控制的逆变器中,检测元件检测到的输出电流还需经过A/D转换器把模拟量转化为数字量,并由处理器按一定的控制规律进行运算。同检测元件一样,A/D转换器也存在零点漂移,同样会造成输出交流电流中含有直流分量。

二、直流分量的危害

直流分量主要对配电网中的变压器、电流式漏电断路器、电流型变压器、计量仪表等造成不利影响。由于这些设备中都有磁芯,直流分量的存在容易造成磁路的饱和,引起电流式漏电断路器误动作,变压器或互感器饱和、发热、产生谐波和噪音等,导致整个系统的运行故障甚至瘫痪。

直流注入量的抑制是光伏并网的关键问题之一,IEEEStd.929-2000中规定,光伏系统并网电流中直流分量必须小于系统额定电流的0.5%,美国的规定是不超过每相电流额定值的0.5%,国标GB/Z19964-2005《光伏发电站接入电力系统技术规定》中规定直流分量不应超过其交流额定值的1%,同时《500kW光伏发电并网逆变器技术规范》中要求直流电流不应大于逆变器输出电流额定值的0.5%.

三、直流分量的抑制

直流分量的抑制可以通过合理的设计参数匹配来实现,在并网前采用隔离变压器是抑制直流分量的有效方法。

但近十几年来,由于技术的进步以及成本的压力,去除隔离变压器可带来更高的效率并减少生产成本,不带隔离变压器的光伏电源逆变器应用越来越广泛。

对于不带隔离变压器的系统,通常会采用脉宽调制(Pulse-widthmod.ulatim,PWM)技术的光伏电源逆变器可以抑制直流分量输出。

选用合理的检测元件也可以有效减少直流分量。

四、直流分量的检测

直流分量的检测一般选用闭环电流传感器,闭环电流传感器具有精度高,线性误差小受外界干扰小的特点。对于直流分量的检测与一般的电流检测不同,叠加在交流信号的的直流分量幅值都很小,对传感器的要求也会更高。

电流传感器一般都会有零点误差、温度漂移线性误差,这些误差都会对直流分量造成影响,有些可以通过电路设计及软件算法,有些则不避免地存在。选择合适的传感器,合理地使用传感器,有效减少电流传感器对直注分量的影响。

下面我们以CASR50-NP为例来分析,这些误差对直流分量影响的程度,以及如何消除和减小影响。CASR系列是LEM针对光伏应用开发的一款低温漂、体积小的传感器,有6A,15A,25A和50A四种规格。

线性误差εl:±0.1%,零点失调值Vout:2.5±0.05,零点温漂TCVout:±0.7ppm/K,增益温漂TCV:max±40ppm/K.

这些参数在对分布式光伏逆变器并网中对直流分量会有多大影响呢,我们来逐一分析。

线性误差:由于被测的有效电流是交流信号,那么在磁路中的磁滞曲线是一个对称曲线,在正半周和负半周产生的线性误差也是对称的,对于直流分量来说,是可以相互抵消的,所以线性误差的大小不会影响直流分量的注入量的大小。磁滞曲线见下图所示。

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零点漂移值:由于传感器零点失调值是一固定值,在光伏电源系统中,可以通过软件修正或去除零点失调值,以消除对直流注入量的影响。

温漂:这个参数随温度的变化而变化,无法避免,直接对直流注入量产生影响,在光伏并网系统中必须考虑。

由于检测的信号中含有交流和直流信号民,传感器的综合误差只是影响交流,直流量的通过积分来取得,这些误差会在正、负半周抵消,见下图示。综合上述误差分析,CASR输出信号对影响直流注入量的参数主要是温度漂移误差。

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以并网电流为30Arms,用CASR50-NP传感器检测并网电流,在85°C条件下的对直流分量有影响的误差为:

总误差=TCV_OUT+TCG=0.12%+0.24%=0.36%这个误差远远优于0.5%的要求,可以满足逆变器对直流量测量的要求。

结论:根据光伏并网发电系统对直流分量的要求与规定,除采用脉宽调制技术外,在选取相应的电流传感器时,除了考虑测量精度高、线性误差小、宽温度范围等参数外,温漂(零点温度漂移和增益温度漂移)是特别需要考虑的参数,对于标称精度相同的传感器,温度漂移越小,对直流分量测量的影响越小。所以选用温漂特性好的传感器可以有效抑制直流注入量,提高测量效果。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/7/2014)
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