淺談交直流混合微電網(wǎng)中的安全性

隨著分布式發(fā)電和儲能的大量應(yīng)用和直流負(fù)荷的快速增長,使得直流配電越來越受關(guān)注。直流配電系統(tǒng)將會成為未來配電技術(shù)的一個重要組成部分。2017年8月26日,國家863課題“高密度分布式能源接入直流混合微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”示范工程在浙江上虞投入運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次交直流混合微電網(wǎng)用戶側(cè)運(yùn)行,工程改造或接入分布式光伏總?cè)萘?.4MW,2套5kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),1套250kW/800kWh鉛酸電池儲能系統(tǒng),1套交直流微電網(wǎng)功率變換與網(wǎng)架系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)交流最高負(fù)荷約1.2MW,直流最高負(fù)荷約0.9MW。下圖為該工程拓?fù)鋱D。

可以看到,該工程采用單層直流母線結(jié)構(gòu),約0.85MWp光伏系統(tǒng)通過DC/DC變流裝置接入微電網(wǎng)直流母線,1.0MWp光伏接入微電網(wǎng)交流母線,約800kWh鉛酸電池組維持直流母線電壓穩(wěn)定,保證微電網(wǎng)離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。交流母線和直流母線之間采用雙向AC/DC換流器連接,直流母線通過DC/DC變流器變換電壓給電動汽車充電樁、LED照明、廠房設(shè)備等直流負(fù)荷進(jìn)行供電。該示范工程提供了高密度分布式能源接入的新模式,為光伏、風(fēng)電等新能源安全穩(wěn)定接入大電網(wǎng)掃清了技術(shù)障礙,在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)用戶側(cè)的商業(yè)化運(yùn)營,能滿足今后電力用戶多樣化性的需求。

新的技術(shù)隨之帶來的是新的用電安全問題,直流配電系統(tǒng)中運(yùn)用了大量的電力電子變換設(shè)備,電力環(huán)境更加復(fù)雜,顯然在原來交流配電系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的低壓保護(hù)電器無法繼續(xù)沿用,以配電系統(tǒng)中的接地故障保護(hù)為例,對于采用TN、TT、IT接地方式的交流配電系統(tǒng),一般采用剩余電流保護(hù)。傳統(tǒng)電子式AC型剩余電流保護(hù)器利用零序互感器檢測漏電,零序互感器依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)電流,磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電流,僅能對交流成分的剩余電流進(jìn)行保護(hù)。

與交流配電系統(tǒng)一樣,直流配電系統(tǒng)的接地形式也分為TN、TT、IT,由于直流用電設(shè)備對供電電源要求有可能是負(fù)電源或正電源,因此配電系統(tǒng)中有兩條電源線的兩線制或增加一條中間導(dǎo)線(M線)的三線配電制。下圖3為配電系統(tǒng)常用的TT、IT接地形式的系統(tǒng)簡圖。

針對采用電源端接地的TT、TN接地形式的直流配電系統(tǒng)的接地故障防護(hù),使用剩余電流保護(hù)依然是最好的方式,對此IEC發(fā)布了 IEC TS 63053:2017《General requirements for residual current protective devices for DC systems》。該直流剩余電流保護(hù)裝置(DC-RCD)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)定保護(hù)閾值最小20mA,最大1A。

在交直流混合電網(wǎng)中直流負(fù)載側(cè),顯然普通AC型剩余電流保護(hù)器無法完成保護(hù),需要使用DC-RCD進(jìn)行直流漏電保護(hù),然而目前直流漏電保護(hù)還并未推廣和市場化,國內(nèi)也尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上,在交直流混合微電網(wǎng)中,漏電成分是非常復(fù)雜的,我們來看下ABB對于交直流混合微電網(wǎng)中交流側(cè)接地故障的仿真模型。

可以看到,如果交流負(fù)載發(fā)生絕緣損壞,產(chǎn)生的剩余電流不僅有交流成分,還有直流成分,如果按照慣性思維依然使用AC型漏電保護(hù)器在交流負(fù)載端進(jìn)行漏電保護(hù)顯然是不行的,不僅無法檢測直流漏電,甚至疊加的直流漏電會導(dǎo)致檢測磁芯預(yù)先磁化,導(dǎo)致脫扣值增大,破壞剩余電流保護(hù)器的原有的保護(hù)功能!

針對剩余電流成分復(fù)雜的剩余電流保護(hù)器,需要使用Type B型剩余電流保護(hù)器,對應(yīng)IEC標(biāo)準(zhǔn)為IEC62423:2009《Type F and type B residual current operated circuit-breakers with and without integral overcurrent protection for household and similar uses》,對應(yīng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為GB22794:2008《家用和類似用途的不帶和帶過電流保護(hù)的B型剩余電流動作斷路器》

B型剩余電流保護(hù)器不僅能夠?qū)涣魇Ｓ嚯娏?、脈動直流剩余電流進(jìn)行保護(hù),此外,還能對1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產(chǎn)生的脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣,能夠非常好的應(yīng)用在交直流混合微電網(wǎng)中。

Magtron基于iFluxgate技術(shù)的SoC芯片整體方案,為B型漏電保護(hù)進(jìn)行了數(shù)字化集成,為RCCB從傳統(tǒng)的AC型/A型向B型的技術(shù)升級,提供了一套高性價比的B型漏電解決方案,為充電設(shè)備的用電安全提供了更好的保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1] GB 22794-2008 家用和類似用途的不帶和帶過電流保護(hù)的B型剩余電流動作斷路器(B型RCCB和B型RCBO)

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[3]ABB.Faults in LVDC microgrids with front-end converters.