可再生能源并网中的直流注入——电能质量测量精度关键性分析
发布时间：
2025-12-09 15:39
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近年来，电力与能源行业以及在配电和输电网络中，电能质量测量正变得越来越普遍。这些测量主要关注经典特征参数，例如电压暂降、电压瞬变和谐波。配电网络质量标准中对这些参数的最大允许值作出了规定。
- EN 50160 标准
- IEEE 519 标准
- G5/4 导则
- D-A-CH-CZ —— 电网扰动评估技术规范
此外，配电网络与设备之间的兼容性可依据以下标准进行评估：IEC 61000-2-2标准适用于公共低压配电网络， IEC 61000-2-4标准适用于低压及中压工业安装系统。直流偏置分量作为重要的电能质量参数，却常被标准规范所忽略。
以下问题至今仍未受到足够重视：
- 电网中注入了多少直流分量？
- 应如何以可靠方式进行直流分量的测量与评定？
- 直流分量对电力系统的其他部分会产生什么影响？可采取哪些措施来限制其存在？
标准规范中的直流限值
在德国，《低压技术安装指南》第5.4.4.9节"直流电馈入低压电网"条款中对直流分量作出了明确规定。具体内容如下：
5.4.4.9 直流电馈入低压电网
变流器向电网注入的直流电流不得超过其额定电流的0.5%或最大20mA（以较大值为准）。
注1：直流电流的测量基于DIN EN 61000-4-7（VDE 0847-4-7）标准，测量时长为10个基波周期
注2：直流电流可能导致电缆腐蚀损坏、其他设备受损，以及变压器和其他电感器的磁饱和现象。
标准条文明确将变流器列为直流干扰源。多国标准均对直流分量设有限值，下表列举三个典型案例：
|
国家 |
标准 |
限值 |
|
澳大利亚 |
AS4777.2 |
5mA或额定电流的0.5% |
|
美国 |
IEEE Standard 1547-2018 |
额定电流的0.5% |
|
意大利 |
CEI 0-21 |
额定电流的0.5% |
变流器直流分量测量
一篇2019年的IEEE出版物对三款典型光伏逆变器的直流分量进行了研究2，其测量结果如下表示：
变流器直流测量参数表
|
参数 |
Type A |
Type B |
Type C |
|
额定容量 [kVA] |
2.6 |
2.5 |
3.3 |
|
额定电压 [V] |
230 |
230 |
230 |
|
额定电流 [A] |
11.3 |
14.2 |
14.5 |
|
电流幅值 @ 50 Hz [A] |
9.266 |
9.17 |
9.13 |
|
总谐波电流失真度 [%] |
1.98 |
5.22 |
3.88 |
|
直流分量 [%] |
0.8 |
0.25 |
0.12 |
|
直流分量 [mA] |
74 |
23 |
11 |
A型和B型光伏逆变器的直流注入量已超出德国最新低压指令（TAR）规定的20mA限值。
变流器中的直流源
变流器内部存在多个直流源，如下图所示变流器系统所示：
LCL型并网电压源变流器拓扑结构
型式认证与例行检测
根据现行标准规范，低压电网发电机组型式认证中的直流分量检测已成为强制性要求。直流分量测量的具体方法载于：IEEE Std 1547.1-2020? 第5.9.2条款，德国预标准VDE V 0124-100? 第5.2.6.1章节
然而需要指出的是，型式认证本质属于抽样检测——仅从整系列产品中抽取单个单元进行示例性测试。直流分量的产生根源可能来自多方面因素：包括制造工艺水平、功率晶体管参数不对称等，这些特性在不同设备间均存在细微差异。要掌握真实的直流注入量，逆变器制造商应对出厂产品实施逐台例行检测。因此，即使获得完美型式认证的逆变器，在并网运行时仍不能排除其成为寄生直流源的可能性。
型式认证与电能质量检测专用测量设备
电网连接点的电压质量不仅存在地域差异，还具有时变特性。当电网电压条件恶劣时，既有的直流分量可能对变流器的直流电流成分造成负面影响。现场电能质量测量中常用的罗氏线圈仅能检测电流信号中的交流分量，而采用霍尔元件的电流钳由于测量不确定度限制往往难以满足精度要求。因此，认证机构的检测实验室普遍采用丹麦Danisense公司的高精度磁通门电流传感器。该类传感器均在丹麦公司自有的IEC 17025认证实验室完成校准，并配备标准校准证书。
Danisense DS50UB-10V型磁通门传感器（电压输出制式）及低初级电流精度参数
在初始试点项目中，这些磁通门传感器已与高精度电能质量分析仪实现协同应用。针对并网电站中微量直流分量的精密测量，电能质量分析仪（PQA）需具备优异的信噪比特性，否则低于或高于额定频率的微小信号将湮没在噪声中。
不同信噪比等级的电能质量分析仪
同时，电能质量分析仪（PQA）需具备电流传感器直流偏置补偿功能，以实现微幅信号的精确测量。德国GMC公司推出的PQA8000H型电能质量分析仪支持磁通门传感器直接接入，除具备卓越的信噪比特性外，其FFT分析的频率参数还可自由配置。根据IEC 61000-4-7标准设定的常规分组对于深度分析（尤其是低频段）往往过于宽泛，因此该分析仪亦可用于高压电网中0-1Hz频段地磁感应准直流电流的检测。采用高精度磁通门传感器可直接在变流器内部进行直流测量，针对小额定电流场景还可选用PCB安装式磁通门传感器，使变频器具备输出电流自检能力。
电站认证
当多个已认证的光伏组件与逆变器集成建设大型电站时，除制造商提供的单体设备型式认证外，还需取得电站整体认证。德国强制规定：所有容量超过135千瓦的电站必须获得电站认证。此类电站通常接入中压电网以降低输电损耗。
虽然变压器后侧不再要求直流测量，但低压侧存在的直流电流将显著缩短变压器使用寿命。因此，在低压侧实施直流监测完全符合电站运营商的利益——这能有效减少变压器全生命周期内的停机时间与维护成本。
除光伏变流器外，风力发电领域的大功率变流器同样会产生直流分量。如图所示，由于大多数风电场设备已包含中压变压器，此类电站在认证时不再要求进行直流测量。
配备专用中压变压器的风电机组电站认证示意图
变压器与直流注入
遭受单向磁饱和的变压器将产生更高励磁电流，导致铁芯过热。此外还会引发振动、噪声及热应力等问题，最终缩短变压器使用寿命。下图展示了叠加低频振荡引发的半波饱和现象。
图6：变压器半波饱和现象示意图
此外，在半波饱和状态下，变压器将呈现非线性运行特性。此时变压器的磁化工作区间被推入饱和区，磁滞回线的线性区间被超越，从而导致中压侧电压信号畸变率升高。
结论
可再生能源领域的功率变流器技术不仅面临谐波源问题。近年来持续增多的调研报告表明，直流注入现象同样频繁发生?。除逆变器外，非线性负载也会产生直流分量。而电机、变压器等感性设备的设计原本并未考虑此类负荷。尽管变流器制造商已采取措施抑制直流分量，但在低压电网中使用交直流传感器进行电能质量测量时，仍持续检测到不可忽视的直流分量。
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