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交-直流混合微电网中的安全性分析

发布日期:2019-09-03   来源:《变频器世界》19-07期   作者:杨涛   浏览次数:363
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【摘   要】:微电网从交流母线和直流母线的配置角度,可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网因其兼备交流微电网与直流微电网的优势,能更好促进电网的消纳,同时可以提高经济效益,是微电网发展的趋势。交直流混合微电网运行方式相比于单一系统的微电网而言更加灵活,可以最大程度地满足就地消纳资源、响应负荷需求等微电网规划设计的个性化需要。但同时其技术要求偏高,电网结构复杂,带来的安全性问题需要着重考量。


  关键词:-直流;微电网;安全

 

交直流混合微电网工程拓扑图

随着分布式发电和储能的大量应用和直流负荷的快速增长,使得直流配电越来越受关注。直流配电系统将会成为未来配电技术的一个重要组成部分。2017年8月26日,国家863课题之“高密度分布式能源接入直流混合微电网关键技术”示范工程在浙江上虞投入运行,实现国内首次交-直流混合微电网用户侧运行,工程改造或接入分布式光伏总容量1.4MW2套5kW风力发电系统、1套250kW/800kWh铅酸电池储能系统、一套交-直流微电网功率变换与网架系统,系统内交流最高负荷约1.2MW,直流最高负荷约0.9MW。图1为该工程拓扑图。


1 高密度分布式能源接入直流混合微电网关键技术工程拓扑图

 

可以看到,该工程采用单层直流母线结构,约0.85MWp,光伏系统通过DC/DC变流装置接入微电网直流母线,1.0MWp光伏接入微电网交流母线,约800kWh铅酸电池组维持直流母线电压稳定,保证微电网离网稳定运行。交流母线和直流母线之间采用双向AC/DC换流器连接,直流母线通过DC/DC变流器变换电压给电动汽车充电桩、LED照明、厂房设备等直流负荷进行供电。该示范工程提供了高密度分布式能源接入的新模式,为光伏、风电等新能源安全稳定接入大电网扫清了技术障碍,在国内首次实现交-直流混合微电网用户侧的商业化运营,能满足今后电力用户多样化性的需求。

2  漏电保护工作原理

新的技术随之带来的是新的用电安全问题,直流配电系统中运用了大量的电力电子变换设备,电力环境更加复杂,显然在原来交流配电系统中普遍应用的低压保护电器无法继续沿用,以配电系统中的接地故障保护为例,对于采用TN、TT、IT接地方式的交流配电系统,一般采用剩余电流保护。传统电子式AC型剩余电流保护器利用零序互感器检测漏电,零序互感器依据法拉第电磁感应定律,磁通量变化产生感应电流,仅能对交流成分的剩余电流进行保护。家用剩余电流保护器及其内部零序互感器工作原理如图2所示。

 

                                                                                                                                                                                                    
a电流保护器安装现场                                                                 (b) 电流保护器的B-H曲线               

2  家用剩余电流保护器及其内部零序互感器工作原理

3  系统接地分析

与交流配电系统一样,直流配电系统的接地形式也分为TNTT、IT,由于直流用电设备对供电电源要求有可能是负电源或正电源,因此配电系统中有两条电源线的两线制或增加一条中间导线(M线)的三线配电制。图3为配电系统常用的TT、IT接地形式的系统简图。





                                  

3  直流配电系统常用的TT、IT接地形式系统简图

   

 

                             

                                                                                                                                       

标准规定设定保护阈值最小20mA,最大1A


4  漏电保护分析

在交-直流混合电网中直流负载侧,显然普通AC型剩余电流保护器无法完成保护,需要使用DC-RCD进行直流漏电保护,然而目前直流漏电保护还并未推广和市场化,国内也尚无相关标准。实际上,在交-直流混合微电网中,漏电成分是非常复杂的,不单纯是直流漏电或者是交流漏电,我们来看下ABB对于交-直流混合微电网中交流侧接地故障的仿真模型。交-直流混合电网交流侧接地故障剩余电流回路如图5所示。

                                       

5  -直流混合电网交流侧接地故障剩余电流回路

由图5可以看到,该交直流混合微电网拓扑采用TN接地系统,交流侧和直流侧都通过接地方式进行剩余电流保护,交流负载如果发生绝缘损坏,产生的剩余电流不仅有交流成分,还可能有直流成分,如果按照惯性思维依然使用AC型漏电保护器在交流负载端进行漏电保护显然是不行的,普通的AC型漏电保护器不仅无法检测直流漏电,甚至叠加的直流漏电会导致检测磁芯预先磁化,导致脱扣值增大,破坏剩余电流保护器的原有的保护功能!含有直流分量的交流剩余电流保护特性改变如图6所示。

 

6  含有直流分量的交流剩余电流保护特性改变

6中为普通交流漏电保护装置互感器磁芯的B-H曲线,反映了磁芯的磁导率,在接近中心线区域,B-H曲线可近似认为呈线性变化,此时交流剩余电流产生的磁场强度和感应在副边的感应电流呈一定比例关系,一旦叠加了直流剩余电流,此时该电流产生的磁场强度在图6中的c位置,由于B-H曲线在该区域的比例呈非线性,且比例是逐渐减小的,因而此时感应在副边的感应电流相当于变小了,同样大小的漏电流不会引起漏电流保护装置的动作,造成极大的安全隐患!



5  总结


随着光伏发电的普及,实际上直流电源已经越来越多的接入到家庭当中,当我们处于交直流混合的用电环境中时,我们必须避免可能发生的漏电事故,新技术应用的前提是其安全性的可靠,因而我们要多层次、多角度地考虑其可能带来的问题。目前国内对于直流剩余电流保护的研究和推广还比较薄弱,需要跟上新技术发展的步伐,加大Type B剩余电流保护器的推广。

Magtron基于iFluxgate技术的SoC芯片整体方案,为B型漏电保护进行了数字化集成,为RCCB从传统的AC型/A型向B型的技术升级,提供了一套高性价比的B型漏电解决方案,为交-直流混合微电网的用电安全提供了更好的保障。

 

 
 
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