光伏配電系統(tǒng)零序電流危害及消除方法

新疆水利水電學(xué)校 ■ 王曉東

一 引言

隨著國家光伏分布式發(fā)電應(yīng)用的快速推進(jìn)，光伏發(fā)電示范區(qū)用電需求迅速增加，分布式光伏發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用倡導(dǎo)所發(fā)電量主要滿足自發(fā)自用，盡管現(xiàn)代控制技術(shù)、繼電保護(hù)技術(shù)日臻成熟，但光伏配電系統(tǒng)中三相變壓器中性線的零序電流和隨機(jī)性、非線性負(fù)荷引發(fā)的負(fù)荷零序電流，造成的事故和負(fù)荷使用效能下降時有發(fā)生，所以對零序電流的成因、危害加以分析研究，采用智能微電網(wǎng)技術(shù)高比例接入和運(yùn)行光伏發(fā)電很有必要。

二 光伏配電系統(tǒng)零序電流的成因

光伏配電系統(tǒng)的零序電流分為故障和非故障兩種狀態(tài)下的零序電流。故障情形下的零序電流又分為不對稱短路(單相線接地、兩相接地、端線與中性線短路)和斷線故障(單相或兩相線路斷開)零序電流；非故障情形一般是指光伏配電系統(tǒng)變壓器中性線零序電流、負(fù)荷零序電流。

故障狀態(tài)情形下的零序電流大多可由系統(tǒng)配置的繼電保護(hù)裝置快速切除，因此危害性時間較短；而非故障情形下的零序電流則要復(fù)雜得多。本文僅對非故障情形下的零序電流進(jìn)行分析。

1 變壓器零序電流

圖1 磁路飽和時的空載電流波形

由圖1可知，產(chǎn)生正弦波主磁通φ的磁化電流im(近似空載電流i0)并非正弦波，而實為尖頂波，根據(jù)傅里葉級數(shù)理論分解，該尖頂波除含有基波電流分量i01外，還可分解出較強(qiáng)的3次諧波分量i03和較弱的5次諧波分量i05及其以上更弱、更高次的奇次諧波分量，若忽略5次及以上影響較弱的高次諧波，則i0=i01+i03。因此要得到正弦波e，i0的波形是尖頂波，即必須有i03流通的閉合回路。若無i03的流通回路，則i0=i01而變?yōu)檎也ǎ瑢?yīng)主磁通φ變?yōu)槠巾敳ǎ鐖D2所示。

圖2 正弦電流形成的主磁通波形

同理，可根據(jù)傅里葉級數(shù)理論將該平頂波主磁通φ分解為正弦波形的基波分量φ01，較強(qiáng)的3次諧波分量φ03和較弱的5次諧波分量φ05及其更弱、更高次的幾次諧波分量，同樣略去較弱的5次及以上諧波，則φ=φ01=φ03，與i03類似，若φ03由磁路磁阻Rm很小材料組成的閉合磁路，則相電動勢e變?yōu)榧忭敳ǎ鐖D3所示。

圖3 φ03磁路磁阻很小時的相電動勢波形

同樣，由傅里葉級數(shù)理論分析知，該尖頂波除基波電動勢e1外，還含有e3、e5、e7等高次奇次諧波，其中3次諧波電流e3最大，忽略5次及以上較弱的高次諧波，則e=e1+e3。因此要得到正弦波，只有迫使主磁通φ的波形為正弦波，即有效抑制大小φ03，使其磁路磁阻Rm很大。

通過以上分析可知，由于三相變壓器額定工況鐵芯處于飽和狀態(tài)，因此，感應(yīng)電動勢e的波形不僅與可能造成尖頂波空載電流i0畸變的三相繞組連接形式（Y或△）有關(guān)，而且與可能造成鐵芯中的正弦波形主磁通φ畸變的磁路結(jié)構(gòu)型式(組式或芯式)相關(guān)。

在光伏配電系統(tǒng)中，由于大量單相負(fù)荷的存在，因此，通常采用Y，yn0和D，yn11兩種連接組別且低壓側(cè)線電壓為380V的三相電力變壓器。

(1)Y，yn0連接組別的三相變壓器

由于一次繞組采用Y形但無中線，因而3次諧波電流i03無流通回路，i0=i01變?yōu)檎也ǎ瑢?yīng)主磁通φ變?yōu)槠巾敳ǎ嚯妱觿莶ㄐ伟l(fā)生畸變并含有三次諧波分量，由于該諧波為零序，因而會在單相負(fù)荷中形成零序電流(3次諧波電流)。需要指出的是，由于相互抵消，其線電動勢仍為正弦波，對于僅有三相對稱負(fù)荷系統(tǒng)將不會形成零序電流。

(2)D，yn11連接組別的三相變壓器

由于3次諧波電流i03可在閉合三角形回路中形成環(huán)流，于是勵磁電流i0=i01+i03維持尖頂波，主磁通φ=φmsinωt(正弦波)，因此，對應(yīng)的感應(yīng)電動勢e的波形自然還是正弦波。這就是光伏配電系統(tǒng)廣泛采用D，yn11連接組別三相變壓器的重要原因。

2 負(fù)荷零序電流

光伏配電系統(tǒng)的負(fù)荷主要分為2類：其一為隨機(jī)性單相負(fù)荷，如各類照明燈具；其二為非線性諧波負(fù)荷，如電焊機(jī)、空調(diào)等家用電器，它們在使用時都會產(chǎn)生零序電流。

(1)三相負(fù)荷對稱時的零序電流

在各相負(fù)荷基本配平的三相四線制電路中，若負(fù)荷中含有非線性負(fù)荷時，系統(tǒng)中除基波電流外，還會產(chǎn)生高次奇次諧波，其中3次及3倍次諧波電流屬零序電流。

(2)三相負(fù)荷不對稱時的零序電流

由于隨機(jī)性單相負(fù)荷(一般多為照明、家電)的大量存在，因此三相負(fù)荷很難達(dá)到動態(tài)平衡，因此，三相四線制電路中將會不可避免地形成三相不平衡電流，若負(fù)荷中還含有非線性成份，則還會有諧波電流產(chǎn)生。

以上結(jié)論基于電源電壓三相對稱條件，零序電流包括三相不平衡電流和諧波電流。

三 光伏配電系統(tǒng)零序電流的危害

1 變壓器損耗增加

由于光伏配電系統(tǒng)變壓器鐵芯一般采用芯式結(jié)構(gòu)，因而流過各相繞組的零序電流會在各相鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，而該磁通只能借助變壓器油和變壓器油箱壁形成回路，如圖4所示。

圖4 三相芯式變壓器3次諧波磁通路徑

由于該磁路的磁阻很大，因此3次諧波磁通大為減少，但盡管如此，3次諧波磁通還會在油箱壁等構(gòu)件中引起3倍頻率的渦流損耗，致使局部發(fā)熱、效率低下、損耗增加，嚴(yán)重時會造成變壓器損壞。

2 變壓器中性點漂移

光伏配電系統(tǒng)采用Y，yn0連接組別的變壓器時，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡，變壓器二次側(cè)零序電流建立的零序磁動勢，將不能被一次側(cè)磁動勢平衡，所以鐵芯中的零序磁通φ0便在各自的繞組中感應(yīng)零序電動勢E0，-E￥0與三相負(fù)荷不平衡時采用的對稱分析法中的正序分量U+之和就是相電壓，如圖5所示。從圖5可知，帶單相負(fù)荷的相的相電壓低，其余兩相相電壓高，即所謂中性點發(fā)生漂移，本結(jié)論同樣適合D，yn11連接組別的三相變壓器。從一般用電負(fù)荷特性知，光伏配電系統(tǒng)電壓過低，用電設(shè)備負(fù)荷利用效率將會下降，而電壓過高則往往會造成用電設(shè)備燒損。

圖5 Y,yn變壓器單相負(fù)載時的相量圖

3 線路電能損耗

三相不平衡電流和諧波電流形成的零序電流，均會造成線路電能損耗，平衡度變差，平衡度愈差，功率損耗愈大。

四 光伏配電系統(tǒng)零序電流消除方法

1 單相負(fù)荷盡可能均勻分配

在光伏三相四線制配電系統(tǒng)中，單相負(fù)荷應(yīng)盡可能均勻分配于各相，使整個系統(tǒng)三相負(fù)荷基本保持平衡。規(guī)程規(guī)定，中性線電流不得超過額定電流的25%。

2 盡量采用連接組別的三相變壓器

在光伏三相四線制配電系統(tǒng)中，盡量采用連接組別的三相變壓器。由于連接組別的三相變壓器一次側(cè)繞組采用“△”連接，因而可抵消三相負(fù)荷不平衡和三相負(fù)荷平衡但由所含非線性負(fù)荷引發(fā)的3次諧波零序電流產(chǎn)生的零序磁勢，從而可有效減少零序電動勢，繼而減小變壓器中性點漂移產(chǎn)生的負(fù)面影響。

3 提高功率因素

當(dāng)諸如感應(yīng)電動機(jī)、電焊機(jī)等需無功勵磁的非線性負(fù)荷使用時，為保證用電設(shè)備輸出規(guī)定的有功功率，變壓器需輸送更多電能，變壓器的容量選擇需加大，空載電流也隨之增大。同時，在一定電壓下，電流增大，系統(tǒng)配電裝置能量損耗增大，系統(tǒng)輸電線路電壓損失增大，所以提高功率因數(shù)也可間接降低非線性負(fù)荷的影響。

(1)合理使用感應(yīng)電動機(jī)。由于感應(yīng)電動機(jī)額定負(fù)載時，cosφ范圍為0.8～0.85；而40%負(fù)荷時僅有0.1～0.2，所以應(yīng)使其盡量工作在額定工況。規(guī)程規(guī)定，當(dāng)電動機(jī)負(fù)荷率大于70%時，該電動機(jī)可繼續(xù)使用；當(dāng)負(fù)荷率小于40%時，則應(yīng)更換小容量電動機(jī)。

(2)合理使用變壓器。負(fù)荷率長期處于30%以下，應(yīng)更換較小小容量的變壓器，以提高變壓器功率因數(shù)。

(3)變壓器應(yīng)盡量接近負(fù)荷中心，以減少輸電線路電壓損失和提高輸電線路功率因數(shù)。

(4)加裝靜電電容器。

4 加裝有源濾波器

有源濾波器可有效削弱3次諧波零序電流，從而減少零序電流引發(fā)的不利影響。

5 加大中性線截面

中性線截面的加大，有利于消除3次諧波及3倍次諧波造成的中性線電流超載。

五 結(jié)束語

隨著主要滿足自發(fā)自用分布式光伏發(fā)電規(guī)模化發(fā)展，光伏配電系統(tǒng)中的變壓器中性線零序電流和隨機(jī)性、非線性負(fù)荷產(chǎn)生的零序電流引發(fā)的系統(tǒng)事故和負(fù)荷使用效能下降影響將會隨之增大，因而對零序電流的成因加以分析、研究，并提出相應(yīng)消減方法，不但在理論上具有一定意義，而且在現(xiàn)實應(yīng)用中具有一定價值。

[1]胡虔生, 胡敏強(qiáng). 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[2]趙連璽, 樊偉梁, 趙小玲. 建筑應(yīng)用電工(第四版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1999.