分布式电源接入与直流偏磁

针对分布式电源接入电网引起的直流偏磁问题，本文首先分析了直流偏磁及其形成机理;然后在此基础上重点分析了分布式电源接入电网引起的直流偏磁现象，对可能产生直流量的逆变器进行定量计算;最后根据直流量的特征，提出了几种抑制直流偏磁的基本思路和具体措施。

引言

随着能源需求问题和环境保护问题的日益严峻，清洁可再生能源的开发和利用愈来愈受到国际能源界的重视，因此，分布式发电(distributed generation, DG)获得了快速发展。分布式电源与电力系统并网运行将使得配电系统从放射状无源网络变为分布有中小型电源的有源网络，配电系统系统的控制和管理将变得更加复杂，会有一系列电能质量问题产生。许多分布式电源，如光伏发电，与电网通过逆变器连接，逆变器在参数不均衡、触发脉冲不对称等情况下，可能出现直流电流，这一直流量流入配电变压器可能造成变压器的直流偏磁。目前对分布式电源并网产生直流偏磁现象影响的讨论较少。

当流过变压器每相绕组的直流电流较大时，必然会引发铁芯饱和，从而导致励磁电流发生畸变，这就是所谓的直流偏磁现象。

本文将对分布式电源并入电网引起的变压器直流偏磁现象进行系统研究，分析直流偏磁的形成机理，直流偏磁可能对电力系统造成的危害。在此基础上，提出几种可行的直流偏磁抑制措施。

1 直流偏磁的概念及形成机理

变压器铁芯磁通φ与通入的励磁电流i成非线性关系，如图1所示。从坐标原点O到A点的一段曲线接近直线，说明磁通φ与励磁电流i近似成正比，称为线性区。A点上方的曲线(AB段)与线性区的曲线(OA段)不在一条直线上，随着励磁电流i的继续增大，磁通φ并不会随着电流的增长幅度而快速增长，这一段曲线称为饱和区。换个角度来说，当变压器工作在饱和区时，磁通的变化，会造成较大幅度的电流变化。

图1 变压器铁芯的磁化曲线

理想情况下，如果变压器铁芯工作在线性区，变压器在正弦交流励磁电流的作用下，铁芯中的磁通也按正弦规律变化，变压器绕组上感应出的电动势也是正弦波。如果变压器铁芯工作在饱和区，则变压器铁芯中的磁通与励磁电流不再成比例，磁通的变化会造成较大幅度的电流变化，使变压器的电流发生畸变。

直流偏磁是电力变压器的一种非正常运行状态，是指由于某种原因在变压器的励磁电流中出现了直流分量，从而使变压器的铁芯中包含了直流磁势或直流磁通，由此导致铁芯饱和，励磁电流发生畸变的现象。

图2 直流电流对变压器励磁的影响

在设计变压器时，为了尽量充分利用铁磁材料，一般要使变压器额定运行时主磁通φ运行于图2(b)中的线性区的端点附近(例如A点)。在线性区，磁通φ与励磁电流i成正比，铁芯中的磁通φ和励磁电流i都将按正弦规律变化，分别如图2(a)和图2(c)中的粗实线所示。在变压器正常运行的情况下，如果由于某种原因在励磁电流中出现了直流电流分量，即励磁电流i的曲线相对于坐标轴整体向上或者向下平移一个值，就会出现一个对应的直流磁通φo，则直流磁通φo和交流磁通相叠加，就形成了磁场偏移。此时的总磁通在与直流磁通方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，而另外半个周波的磁通密度反而减小，如图2(a)中的虚线所示。与之相对应的励磁电流的波形也会发生变化，呈现正负半波不对称的情况，如图2(c)中的虚线所示。当流过变压器每相绕组的直流电流较大时，必然会引发铁芯饱和，从而导致励磁电流发生畸变，产生直流偏磁现象。

2分布式电源引起的直流偏磁

许多分布式电源，如光伏发电，与电网的连接是通过逆变器实现的。逆变器在参数不均衡、触发脉冲不对称等情况存在时，可能出现直流电流，造成变压器直流偏磁现象。下面以单相全桥逆变器为例，说明逆变器输出电流中出现直流分量的原因。

图3为单相全桥逆变电路，假设逆变器采用两电平脉宽调制(Pulse Width Modulation, 简称PWM)方式。

图3中a、b两点之间的电压为逆变器输出电压u。由电路图不难分析，逆变器交流输出侧的电路方程为：

设电网电压ug没有直流分量，又因直流分量的微分值为零，则逆变器出口的直流分量的电路方程为：

式中：udc，idc分别为逆变器输出电压和输出电流的直流分量。

因此，在系统电压没有直流分量的情况下，逆变器输出电流中的直流分量与逆变器输出电压中的直流分量成正比。如果近似用电压在一个工频周期的平均值代表其直流分量，则还可以理解为，逆变器输出电流的直流分量与逆变器输出电压的平均值成正比。

在电网电压正半周期，一个开关周期Ts内的逆变器输出电压的平均值为：

在电网电压负半周期，一个开关周期Ts内的逆变器输出电压的平均值为：

式中：ton.T1; ton.T2分别为在一个开关周期内开关器件T1,T2的导通时间。

则在一个工频周期内，逆变器输出电压的平均值为：

在理想情况下，逆变器输出电压应该是周期性的，而且是半波对称的。设一个工频周期T中包含N个完整的开关周期，而且N为偶数。在系统电压的正、负半周期，总能找到对应的开关周期，满足：

式中：k表示第k个开关周期，k=1,2,3,…N/2。

在一个工频周期T内，作用于线性阻抗(R和L)的电压的平均值为：

由式(5)~(7)可知，在理想情况下，在一个工频周期T内，作用于线性阻抗(R和L)的电压平均值为0，逆变器输出电流中应该也不包含直流分量。如果由于某些原因，使得式(6)并不总是成立，则有可能在一个工频周期T内，作用于线性阻抗(R和L)的电压平均值为：

则由式(2)可知，逆变器输出电流中就会有直流分量。

光伏发电、燃料电池等分布式电源以及蓄电池等与分布式电源配套的储能设备，与电网的连接是通过逆变器实现的。风力发电机、微型燃气轮机等分布式电源，与电网的连接是通过变频器实现的，其中也包括电网侧的逆变器环节。

对于采用SPWM调制的电路，只要SPWM脉冲序列在任何一段基波周期内的正、负伏秒积不相等，逆变器输出的PWM波形不满足对称性要求，就会造成逆变器输出电压平均值不为零，导致输出电压/电流中出现直流分量。逆变器输出脉宽调制波形不对称的原因有以下几点：(1)给定的正弦信号波中含有直流分量;(2)三角波信号中含有直流分量;(3)控制系统引起的直流分量;(4)开关特性不一致;(5)脉冲分配及死区形成电路引起的直流分量。以上几种原因中，给定正弦信号波中含有直流分量、控制系统引起的直流分量的可能性和实际影响最大，因为直流分量最易从控制系统中的调制信号发生、调节电路及反馈通道中进入，并且会被逆变器放大。

3抑制直流偏磁的措施

直流偏磁会对变压器和电力系统产生诸多影响，有(1)变压器振动加剧;(2)变压器局部过热;(3)变压器损耗增加;(4)变压器噪声增大;(5)无功损耗增大;(6)电能质量恶化;(7)系统保护误动和监测报警。需要采取技术措施对直流分量进行抑制，抑制直流偏磁的技术措施主要基于两种思路：一是限制电流直流分量的大小;一是对直流电流进行隔离。

3.1 中性点串联电阻限制直流分量

流过变压器的直流电流的大小，取决于不同变电站之间的中性点接地电位差，以及变压器中性点接地电阻、绕组和连接线路的等效电阻。因此在中性点接地线上串联限流电阻，可以有效地抑制中性点的直流电流。如图4所示。

图4 中性点串接小电阻抑制直流电流的原理

对接入的小电阻应进行全网考虑，达到既消除了直流量超标的变压器的直流偏磁问题，同时要研究中性点接入小电阻后的雷电过电压、内部过电压、对系统继电保护的影响、小电阻的参数选取原则及其保护。

3.2 中性点串联电容器消除直流分量

变压器中性点与地之间串联电容器，如图5所示，可以有效隔断直流电流以消除其对变压器的影响。不过，串联的电容器越大，价格越昂贵、占地面积也越大;同时，该方法改变了系统的零序阻抗，继电保护、自动化装置和绝缘配合等方面均需重新校核整定，在大电流冲击下还有爆炸危险，其经济性和实用性方面都有所欠缺。另外，该装置投入运行后，极有可能造成其他变压器中性点的直流电流增大，从而导致其他变压器的直流偏磁。

图5 中性点串联电容器抑制直流的原理

3.3 电位补偿法抑制直流电流

在变压器中性点与地网之间串接一个电位补偿元件，全额或部分补偿地中电流引起的交流电网各变电站接地网之间的电位差，使交流电网变压器中性点电位相同或相近。即向变电站接地网注入一定的反向直流电流，以减小或抵消通过接地网流过变压器的直流电流。其补偿原理如图6所示。其中，直流发生装置可以是整流电源，这就是电位补偿元件。限流电抗器用于限制经过直流发生装置的交流电流。

图6 中性点注入反向直流电流的装置原理

设直流电源向接地网注入的直流电流为I。与原来变压器中性点电流共同作用后，流入该接地网的电流为I-I'。此时该地网电位值为：

其中K为分流系数;R为地网接地电阻。可通过改变I来改变接地网电位。

3.4 自激补偿法抑制直流分量

如图(7)所示，自激补偿法不需要外加直流电源，直接将流过变压器中性点的直流电流作为补偿绕组的补偿电流，因此可以随着流入变压器中性点直流电流的变化而自动调节，补偿效果可以时刻保持在最佳状态。

图7 自激补偿法原理图

为保证每相补偿绕组的补偿磁动势等于变压器二次侧每相绕组的直流磁动势，要求每相补偿绕组的匝数为变压器二次侧每相绕组匝数的1/3。

除此之外，还可以通过降低变压器运行工作点、逆变器配备隔离变压器和交流输电线串联电容等方法来抑制直流分量。

4 结语

直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态，分布式电源的接入对直流偏磁有很大的影响。本文首先介绍了直流偏磁的概念及直流偏磁现象的形成机理，总结了直流偏磁对变压器和电网的危害。重点通过分析逆变器产生直流分量的原因来阐述分布式电源接入电网对直流偏磁的影响。然后提出几种抑制直流偏磁的各种技术措施。对于未来分布式电源接入对直流偏磁的影响分析有一定的参考价值。