分布式光伏电源谐波对剩余电流动作保护器的影响*

方向晖,　陈永祥,　陈洪涛,　王鹏飞,　钟方强

(1.国家电网 浙江省电力公司培训中心, 浙江 建德　311600;

2.国家电网 浙江省绍兴市上虞区供电公司, 浙江 绍兴　312300;

3.国家电网 浙江省义乌市供电公司, 浙江 义乌　322000;

4.杭州乾龙电器有限公司, 浙江 临安　311300)



分布式光伏电源谐波对剩余电流动作保护器的影响*

方向晖1,陈永祥2,陈洪涛3,王鹏飞3,钟方强4

(1.国家电网 浙江省电力公司培训中心, 浙江 建德311600;

2.国家电网 浙江省绍兴市上虞区供电公司, 浙江 绍兴312300;

3.国家电网 浙江省义乌市供电公司, 浙江 义乌322000;

4.杭州乾龙电器有限公司, 浙江 临安311300)

摘要：介绍了分布式光伏并网电源的谐波特性,分析了分布式光伏并网电源谐波对剩余电流、剩余电流动作保护器(RCD)的影响。为了解决分布式光伏电源谐波对RCD的影响,研制了抗谐波型RCD,并进行了抗谐波功能分析测试。测试结果表明,抗谐波型RCD的谐波分析功能在实际应用中体现良好的效果,避免了RCD因谐波干扰而误动作,提高了RCD的投运率和线路的供电可靠性。

关键词：分布式光伏电源; 谐波; 剩余电流动作保护器(RCD); 剩余电流

0引言

越来越多的分布式光伏电源并网接入,对农村低压配电网的传统安全保护方式提出了新的挑战。剩余电流动作保护器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)是农村低压电网防止人身触电伤亡事故、剩余电流引起电气火灾和电气设备损坏事故的专用保护设备。

本文介绍了分布式光伏电源的谐波特性,分析了剩余电流的影响,进而提出了提高低压电网中RCD投运率、运行稳定性和动作正确率的基本策略,并介绍了抗谐波功能型RCD研发的技术路线。

1分布式光伏并网电源的谐波特性

分布式并网光伏发电系统中的逆变器、非线性负载以及电力电子控制装置是主要的谐波污染源。为了解和验证分布式光伏并网发电接入点注入电网的谐波情况,选择了多个分布式光伏电源接入点进行谐波测试,根据测试数据和相关技术文献的研究结果可概括出如下结论:

(1) 光伏并网电源注入低压电网的谐波值的大小主要取决于逆变器的质量。大多数情况下,只要逆变器的质量符合要求,其输出的谐波电流含量一般不会大于国家标准要求的4%。低压电网总保护器的额定动作电流均设置为300 mA及以下,因此光伏并网电源输出的谐波电流对保护器的影响仍比较明显。

(2) 光伏发电系统由于光照强度、温度等环境因素变换,导致其输出功率发生改变时输出电压、电流均会随之波动,在并网过程中会产生比正常工作时更多的谐波分量,导致并入电网的过渡过程中含有大量谐波分量[1]。

(3) 各种逆变器输出的各次谐波中通常3、5、7次谐波含量相对较大,其中3次谐波对剩余电流的放大作用最大。

2分布式光伏并网电源谐波对剩余电流的影响

2.1剩余电流

剩余电流是指流过保护器主回路电流瞬时值的矢量和(用有效值表示)，也就是三相漏电电流的矢量和。低压电网中的剩余电流必须符合两个条件:① 电网系统(包括主干线路、用户线路、及用电设备)对地产生的电流;② 从变压器中性接地线流回到变压器中性点的电流。

剩余电流按产生的原因可分为正常剩余电流和故障接地剩余电流。故障接地剩余电流是由于绝缘击穿发生接地故障而形成的剩余电流,保护器切除故障剩余电流后必须现场消除故障点后才能恢复供电。正常剩余电流是指电网无绝缘故障,正常时从设备的带电部件流入大地的泄漏电流形成的剩余电流。另外,正常剩余电流值过大易造成保护器误动作。

2.2谐波对剩余电流的影响

2.2.1谐波对正常泄漏电流的影响

低压公用配电网的网络线路、用户内部线路及用电设备必存在对地泄漏电流,这些泄漏电流称为对地电容电流。电网中单相架空线路每相电容电流可用下式计算:

式中:f——频率;

c——电容量;

Ue——电容两端电压;

Dm——几何均距;

r——导线半径。

可见,电网正常的泄漏电容电流与频率成正比,当电网上注入谐波时,由于其频率是工频50 Hz的整数倍,故电网各相正常对地电容电流相应增加整数倍。当三相线路长度、电压不平衡时,各相正常对地电容电流矢量和不为0,产生了通常所说的正常累积的剩余电流。当电网中存在谐波时,电网的总剩余电流值将大于正常50 Hz工频电压的泄漏电流。

2.2.23k次谐波对剩余电流的影响

当电网中注入3k次谐波(k为整数)时,由于三相谐波的相位角依次相差3k×120°,因此三相电网中各相对地的谐波泄漏电流为零序电流(相位相同,矢量和就是代数和),叠加后的剩余电流值必然是成倍增加的,且一定大于正常50 Hz工频的剩余电流值。

2.2.3(3k+1)和(3k-1)次谐波对剩余电流的影响

当电网中注入(3k+1)次谐波(k为整数)时,谐波的相位角为(3k+1)×120°,三相电网中各相对地的谐波泄漏电流为正序电流,即三相电流的相位相差120°;当谐波次数为(3k-1)时,谐波的相位角为(3k-1)×120°,三相电网中各相对地的谐波泄漏电流为负序电流,即三相电流的相位相差240°。这两种情况下电网正常的总谐波剩余电流为谐波泄漏电流的矢量和,叠加后的总谐波剩余电流值可能增加,也可能减少。当三相电流完全对称时,总谐波剩余电流可能为0。

由于农村公用低压电网的三相线路长度不相等,电网各相参数呈现较为普遍的不对称性,无论多少次谐波注入低压电网,一般都会使电网正常剩余电流大于工频50Hz基波造成的剩余电流值。

2.3分布式光伏电源并网点剩余电流实测情况

现场实测了5个低压光伏电源接入点的并网输出功率、剩余电流变化和中性线电流的实际数据,所选测试点具有代表性,包括商贸城、大工业企业、农村公变台区三相低压电力用户、单相居民电力用户等。光伏电源并网测试点实测数据曲线如图1所示。

图1　光伏并网测试点实测数据曲线

由图1可知,分布式光伏电源并网处的剩余电流随并网输出功率而同步变化。当输出功率由于光照强度原因发生一定程度的突变时,注入电网的剩余电流也将发生较大的突变。输出功率大小变化,引起注入电网的谐波电流变化,电网的剩余电流也随之发生同步变化。输出三相功率不平衡时,中性线电流大小发生变化,剩余电流也随之发生变化,可见剩余电流与三相电流的不平衡度也有关系。

3分布式光伏电源谐波对RCD的影响

3.1RCD工作原理和配置

三相四线制公用电网RCD的工作原理如图2所示。理想状态下,当三相负荷和对地泄漏阻抗均平衡且未发生单相接地故障或三相泄漏电流对称时,流过保护器的剩余电流为0,RCD能可靠投运。当电网发生单相接地故障或三相正常泄漏电流不对称时,流过RCD的剩余电流不为0,当IΔbody大于RCD的额定剩余动作电流时RCD切除电源,从而故障保证电网和人身的安全。

为保证RCD尽可能发挥最大的保护效率,又尽可能减少影响供电的范围,农村低压电网应实施剩余电流动作总保护、中级保护、户保和末级保护的分级保护方式,共同组成农村低压电网的保护器系统。

图2　三相四线制公用电网RCD的工作原理

3.2分布式光伏电源谐波对RCD动作可靠性的影响

研究表明,三相负荷不平衡度γ值、总谐波畸变率THD与正常剩余电流之间的关系如图3所示。由图3可知,当系统的三相负荷平衡时,随着总谐波畸变率THD的增加,剩余电流幅值变化很小。当系统的三相负荷不平衡时,剩余电流幅值随着THD的增大而增大。当THD一定时,剩余电流幅值随着γ值的增大而增大。因此,谐波对于剩余电流幅值的影响在三相负荷不平衡时才能明显地表现出来,且随着γ的变化,其影响程度也会随之变化。当γ和THD均较大时,流过RCD的正常剩余电流幅值在系统未发生单相接地故障事故时也可能超过RCD的额定剩余动作电流值,引起RCD误动作[2]。

图3　总谐波畸变率与剩余电流之间的关系

3.3降低分布式光伏电源谐波对RCD动作正确性影响的措施

分布式光伏电源接入低压公用配电网,必然会向低压电网注入大量的谐波电流,对RCD的动作正确性、运行稳定性的影响是不可避免的。降低谐波对RCD动作正确性影响的措施可以从以下两个方面进行。

(1) 减小低压电网的三相负荷不平衡度γ。由于低压电网中大多数负荷采用单相供电,各相上单负荷分配不均会导致三相负荷不平衡。SD 292—1988《架空配电线路及运行规程》规定:配电变压器的三相负荷应力求平衡,不平衡度不应大于15%,只带少量单相负荷的三相变压器,中性线电流不应超过额定电流的25%,不符合上述规定时,应将负荷进行调整。

减小三相负荷不平衡度的主要措施为:① 合理分配三相负荷,使三相所带负荷功率基本相等,负荷类型基本相同:② 采用三相轮换的方法保持负荷平衡;③ 采用新型三相负荷不平衡补偿装置,实行就地补偿,减小三相负荷不平衡度[2]。

(2) 减小分布式光伏电源注入电网的总谐波畸变率THD。根据GB/T 14549—1993《电能质量-公用电网谐》的要求,必须对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。电力系统常用的谐波治理措施:① 加大系统短路容量;② 增加变流装置的脉动数;③ 改善系统的运行方式;④ 设置交流滤波器[2]。

(3) 提高保护器的性能,增加抗谐波功能。农村低压电网三相线路技术参数不可能完全对称,要通过低压电网的三相不平衡度来减小谐波剩余电流对RCD动作可靠性的影响难度较大。目前,各类光伏逆变器输出谐波含量均不会超标,但要对其总谐波畸变率THD进一步限制非常困难。因此,提高RCD的性能,增加抗谐波功能，成为解决分布式光伏电源谐波对RCD负面影响的直接、有效措施。

4抗谐波功能型RCD的研制

为了解决分布式光伏电源谐波对RCD的影响,研制了QLL2-250ZY抗谐波型RCD,能对剩余电流中2~12次谐波含量进行分析,并累加出总谐波含量,为剩余电流动作保护提供辅助依据。该RCD谐波分析功能已在实际应用中体现良好的效果,如果线路中的剩余电流超限,同时谐波含量超限的情况下,可以判定是由于非线性设备谐波电流引起的剩余电流超限,可以使保护器仅进行谐波超限报警,但RCD不作分闸动作操作,避免了RCD因谐波干扰而误动作的现象,提高了RCD投运率和线路的供电可靠性。

4.1抗谐波功能的硬件实现方法

谐波保护型RCD的信号处理电路如图4所示。其中,TA为零序电流互感器;C1为去耦电容,容抗Xc=1/2πfc,对于50 Hz的工频信号,其容抗约为32 kΩ,但对于3k以及更高次谐波,容抗将大幅减小,从而对这类信号的衰减也大幅增大;R1为负载电阻;VD1、VD2为限幅二极管;R2、R3、C2和IC1A组成了低通滤波放大器,R3和C2组成RC谐振回路,谐振频率设计在100 Hz。对于小于100 Hz的信号,该放大器可以正常放大；对于大于100 Hz的信号,随着频率的增加,信号的衰减也随着增大。因此,该电路对于高次谐波信号具有抑制作用,即实现了抗谐波功能。

图4　谐波保护型RCD的信号处理电路

4.2抗谐波功能的软件实现方法

使用硬件滤波的方式来实现RCD的抗谐波保护功能,对硬件滤波的技术要求高,而且滤波不彻底,有部分谐波信号不能滤除,而在微控制器中实现谐波分析功能,可以实现RCD的抗谐波保护功能。

RCD的谐波分析功能可以通过微控制器软件中的FFT分析功能来实现,剩余电流信号通过硬件滤波电路后送入微控制器,经微控制器的A/D转换、剩余电流计算分析,实现一般的保护功能。在实现一般的剩余电流动作保护功能的前提下,通过对保护器A/D数据的FFT分析,如果3次谐波以及更高次谐波含量超过设定阈值,即使所测的的剩余电流值已超过RCD预定的阈值,但由于谐波含量超标,RCD只作谐波超限报警操作,而不再执行超限分闸操作,最大限度使RCD不发生误动作,提高动作正确率。

4.3抗谐波保护功能的方案设计

硬件方案框图如图5所示。低压线路中的所有剩余电流均通过零序电流互感器感应出来,并送到信号处理电路进行处理。信号处理电路中包含信号放大器、低通有源滤波器以及必要的电平变换等电路,将零序电流互感器中检测到的剩余电流信号通过放大、滤波等处理,达到微控制器所能处理的电平范围。微控制器电路是硬件方案的核心,对输入的各种信号进行处理,包括剩余电流信号、按键操作信号以及分合控制必要的控制信号等,同时将必要的信息通过数码管或液晶等人机界面显示出来。分合控制单元是RCD的执行机构,执行微控制器的所有控制命令,在线路故障状态下分断主回路,正常状态下接通主回路。电源及辅助控制电路给所有的电路模块提供必要的各种电源,以及RCD必要的辅助控制电路。

图5　硬件方案框图

软件设计方案流程如图6所示。

微控制器在开机复位后,对所有外设进行初始化操作后进入主任务循环,所有的工作任务都在该循环中轮循工作。微控制器在轮循任务的同时,定时将采集信号进行A/D处换,每个周波(20 ms)至少进行64点的A/D采样,以供进行FFT分析,同时微控制器还需控制显示及按键操作等人机互动界面。微控制器每20 ms处理一次数据,包括剩余电流、负载电流、工作电压等参数,如果出现剩余电流超限、过载短路故障、过欠压等电压故障,微控制器能跟据不同的故障原因作出相应的处理。RCD在故障分闸后,微控制器仍不断检测,如故障消除或认为处理故障后,会根据功能要求控制合闸操作。微控制器在处理剩余电流数据时,每20 ms对剩余电流数据进行一次FFT分析计算,如果出现剩余电流超限,同时3k次谐波含量超过一定的阈值时,微控制器将作出特殊处理,即只做谐波超限报警,不做开关分断操作,从而实现了RCD的抗谐波干扰误动作的功能。

图6　软件设计方案流程

4.4抗谐波功能分析测试

为了验证RCD谐波分析功能,用函数信号发生器来模拟各次谐波输入,从显示窗中观察谐波分析结果。测试结果如表1所示。

表1测试结果

测试信号频率/Hz输入电流9.6mA总谐波含量/%剩余电流显示值/mA输入电流19.2mA总谐波含量/%剩余电流显示值/mA输入电流40mA总谐波含量/%剩余电流显示值/mA1509.50620.401440.10283006.30412.80824.90164504.5029.40618.4012600————1.08750————0.86

由表1可见,随着模拟谐波信号频率的增加,RCD上显示的剩余电流值和总谐波含量值逐步减小,验证了抗谐波功能RCD中硬件滤波的应用效果。该滤波器为有源低通滤波器,信号频率越高,滤波衰减幅度越大。

5结语

分布式光伏电源的大量接入,必然向低压公用电网注入谐波,不仅影响电能品质,并且对剩余电流具有放大作用。谐波剩余电流已成为影响RCD运行稳定性、动作可靠性的一个重要因素。抗谐波功能型RCD的成功研制和应用,在提高RCD投运率、运行稳定、动作正确率方面具有良好的作用,确保了高低压电网的安全运行。

[1]凌红星,沈秀兰,高金兰,等.低压配网中光伏发电系统的电能质量分析[J].船电技术,2013(11):45-48.

[2]何川,徐丽杰,王玮,等.谐波对漏电保护装置的误动影响研究[J].华北电力大学学报,2011(7),38(4):23-26.

Effect of Distributed Photovoltaic Power Harmonic on Residual Current Protective Device

FANGXianghui1,ZHONGFangqiang2,CHENHongtao3,CHENYongxiang4,WANGPengfei3

(1.Training Center of Zhejiang Province Electric Power Co., State Grid, Hangzhou 310035, China;2.Zhejiang Shaoxing Shangyu Power Supply Co., State Grid, Shaoxing 312300, China;3.Zhejiang Yiwu Power Supply Co., State Grid, Yiwu 322000, China;4.Hangzhou Qianlong Electric Device Co., Ltd., Lin’an 311300, China)

Abstract：This paper introduced the harmonic characteristics of distributed photovoltaic grid power,and analyzed the effect of distributed photovoltaic grid power on the residual current and residual current operated protective device(RCD).To solve the effect of distributed photovoltaic grid power harmonic on RCD,the anti-harmonic type RCD was developed,and the anti-harmonic function test was carried out.The test results show that the harmonic analysis function of anti-harmonic type RCD has a good effect in practical application,which avoids the misoperation of RCD,and improve the operational percentage of RCD and the reliability of power supply.

Key words:distributed photovoltaic power; harmonic; residual current operated protective device(RCD) residual current

收稿日期：2015-10-28

中图分类号：TU 852

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0041-06

*基金项目:2014国网浙江省电力公司群众性科技创新项目(5211JP14000X)

陈永祥(1973—),男,技师,从事低压电网运行维护及技术研究工作。

陈洪涛(1974—),男,技师,从事低压电网运行维护及技术研究工作。