可再生能源的直流注入：

直流（DC）注入来自可再生能源——在电力质量测量中，当准确性至关重要时

近年来，在电力和能源行业以及在配电和输电网络上，电力质量测量越来越频繁地进行。这些测量主要关注经典的特征参数，如电压暂降、电压瞬变和谐波。标准提供了配电网络质量的最大值。

- EN 50160：这是欧洲标准，用于规定电力系统电压变化、电压波动和闪变的限制。

- IEEE 519：这是美国电气和电子工程师协会（IEEE）的标准，涉及电力系统中谐波的控制和影响。

- Guideline G5/4：这是国际电工委员会（IEC）的指南，涉及电力系统电磁兼容性的测量技术和限值。

- D-A-CH-CZ – Technical Rules for the Assessment of Network Disturbances：这是德国、奥地利、瑞士和捷克的技术规则，用于评估电网干扰。

此外，可以根据标准IEC 61000-2-2（针对公共低压网络）和IEC 61000-2-4（针对低压和中压工业安装）评估配电网络和产品之间的兼容性。一个通常不被考虑或包含在标准中的重要电力质量参数是直流偏移分量。

到目前为止，以下问题很少受到关注：

注入到电网的直流偏移量是多少？

应该如何以可靠的方式测量和鉴定直流分量？

直流分量对剩余系统有何影响，以及可以做些什么来限制其存在？

标准化中的直流限制

在德国，直流分量可以在《低压技术安装指南》（TAR）低压部分的5.4.4.9点“向低压电网注入直流电流”中找到。这里特别指出：

5.4.4.9 向低压网络注入直流电流

转换器注入的直流电流不得超过其额定电流的0.5%或最大20毫安（应选择较高值）。

注1：直流电流的测量基于DIN EN 61000-4-7（VDE 0847-4-7）标准，测量周期为10个基本振荡周期。

注2：直流电流可能导致电缆腐蚀损坏，对其他设备造成损害，以及变压器和其他电感器的饱和。

标准文本明确列出了转换器作为不希望出现的直流电源。在其他国家也可以找到直流分量的最大值。以下表格列出了三个例子。

表1：国家标准中的直流限制

转换器上的直流测量

2019年IEEE的一份出版物检查了三种典型太阳能逆变器的直流分量。结果如下表所示。

表2：转换器上的直流测量 - 参数

A型和B型超过了德国新低压指令（TAR）规定的20毫安直流电流的限制。

转换器中的直流源

转换器中有多个直流源，如下图所示的转换器系统图所示。

图1：LCL型并网电压源转换器的拓扑结构

单元证书与例行测试

通常，直流分量的测试已经在当前低压电网发电设备单元证书的标准中成为强制性要求。直流分量的测量在IEEE Std 1547.1-2020标准下的5.9.2项中有所描述。在德国预标准VDE V 0124-1005中，测试在5.2.6.1项下有所描述。

然而，一般来说，单元证书是一种类型测试，其中只测试整个系列中的一个单元作为示例。

输出直流分量的根本原因可能来自多种来源，如制造质量或安装功率晶体管的不对称性，这些可能会因设备而略有不同。为了了解真实的直流贡献，应由逆变器制造商重新建立对每个生产的逆变器进行例行测试。因此，即使拥有好的单元证书的逆变器也不能排除作为向电网输出功率时的寄生直流源。

用于单元证书和电力质量测量的测量设备

事实上，电网连接点的电压质量不仅因地点而异，而且随时间变化。因此，在电网电压条件较差的情况下，例如，已经存在的直流分量可能会对转换器的直流电流分量产生负面影响。在现场电力质量测量中使用的罗戈夫斯基线圈只能检测电流信号中的交流分量。带有霍尔元件的电流钳通常由于测量不确定性而不够准确。因此，在认证公司的测量实验室中使用丹麦公司Danisense生产的高精度磁通门电流传感器。这些传感器在丹麦直接在公司自己的IEC 17025认证测量实验室中校准，并提供必要的校准证书。

图2：Danisense DS50UB-10V磁通门传感器，带有电压输出和低初级电流的精度数据。

在最初的试点项目中，这些磁通门传感器也与高精度电力质量分析仪一起使用。对于并网电厂中小直流分量的苛刻测量，电力质量分析仪（PQA）应具有非常好的信噪比，否则低于或高于额定频率的较小水平将在噪声中丢失。

图3：具有不同信噪比的PQ分析仪

同时，PQA（电力质量分析仪）应该提供补偿电流传感器可能的直流偏移的可能性，以便即使是最小的水平也能非常准确地测量。使用Neo Messtechnik的PQA8000H电力质量分析仪，可以连接磁通门传感器。除了非常好的信噪比外，FFT分析的频率参数也可以自由选择。通常按照IEC 61000-4-7进行的分组对于进一步分析来说往往太粗糙，特别是在低频范围内。因此，PQA也可以在高压电网中使用，以检测从0到1赫兹范围内由地球磁场引起的准直流电流。

使用高精度磁通门传感器也可以直接在转换器中进行直流测量。对于较小额定电流，磁通门传感器可作为PCB安装，以便变频器可以自行检查输出电流。

图4：Danisense DP50IP-B - 可编程磁通门传感器，最高可达50安培

电厂证书

如果将多个经过认证的光伏模块和逆变器组合成一个大型发电厂，除了制造商的个别单元证书外，还需要一个电厂证书。在德国，所有大于135千瓦的电厂都需要电厂证书。连接点通常位于中压级别，以最小化传输损失。变压器之后不再需要直流测量。然而，低压侧的直流电流可以显著缩短变压器的寿命。因此，在低压侧进行直流测量绝对符合电厂运营商的利益，以在整个变压器的使用寿命期间最小化停机时间和维护成本。

除了光伏转换器外，风力发电领域的强大转换器也可能产生直流分量。由于在大多数情况下风力发电厂包括中压变压器，因此这里不再需要进行直流测量以获得电厂证书，如下图所示。

图5：带有自有中压变压器的风力涡轮机电厂证书

变压器和直流注入

遭受单向饱和的磁芯的变压器会产生更高的激励电流，这可能导致磁芯过热。此外，还可能发生振动、噪音和热应力，最终缩短变压器的寿命。下图显示了由叠加的低频振荡引起的半波饱和。

图6：变压器的半波饱和

此外，在半波饱和期间，变压器变成一个非线性运行设备。在这里，变压器的磁操作范围被推入饱和范围。磁滞曲线的线性范围变小。因此，中压侧电压信号的畸变因子增加。

结论

在可再生能源应用中的电力转换技术不仅受到谐波的潜在源的影响。近年来，越来越多的调查报告显示，在许多情况下也发生了直流注入。除了逆变器，非线性负载也可以产生直流分量。感应设备如电动机和变压器并未设计来处理这些负载。尽管转换器制造商方面做出了一些努力来最小化直流分量，但在使用交流/直流传感器进行低压网络的电力质量测量时，仍然经常检测到不可忽视的直流分量。

图7：Danisense磁通门电流传感器与Neo Messtechnik的PQA8000组合使用

可靠的高性能电流传感器和非常好的PQA是这项要求苛刻的测量成功的基本要求。