浅谈交直流混合微电网中的安全性

随着分布式发电和储能的大量应用和直流负荷的快速增长,使得直流配电越来越受关注。直流配电系统将会成为未来配电技术的一个重要组成部分。2017年8月26日,国家863课题“高密度分布式能源接入直流混合微电网关键技术”示范工程在浙江上虞投入运行,实现国内首次交直流混合微电网用户侧运行,工程改造或接入分布式光伏总容量1.4MW,2套5kW风力发电系统,1套250kW/800kWh铅酸电池储能系统,1套交直流微电网功率变换与网架系统,系统内交流最高负荷约1.2MW,直流最高负荷约0.9MW。下图为该工程拓扑图。

可以看到,该工程采用单层直流母线结构,约0.85MWp光伏系统通过DC/DC变流装置接入微电网直流母线,1.0MWp光伏接入微电网交流母线,约800kWh铅酸电池组维持直流母线电压稳定,保证微电网离网稳定运行。交流母线和直流母线之间采用双向AC/DC换流器连接,直流母线通过DC/DC变流器变换电压给电动汽车充电桩、LED照明、厂房设备等直流负荷进行供电。该示范工程提供了高密度分布式能源接入的新模式,为光伏、风电等新能源安全稳定接入大电网扫清了技术障碍,在国内首次实现交直流混合微电网用户侧的商业化运营,能满足今后电力用户多样化性的需求。

新的技术随之带来的是新的用电安全问题,直流配电系统中运用了大量的电力电子变换设备,电力环境更加复杂,显然在原来交流配电系统中普遍应用的低压保护电器无法继续沿用,以配电系统中的接地故障保护为例,对于采用TN、TT、IT接地方式的交流配电系统,一般采用剩余电流保护。传统电子式AC型剩余电流保护器利用零序互感器检测漏电,零序互感器依据法拉第电磁感应电流,磁通量变化产生感应电流,仅能对交流成分的剩余电流进行保护。

与交流配电系统一样,直流配电系统的接地形式也分为TN、TT、IT,由于直流用电设备对供电电源要求有可能是负电源或正电源,因此配电系统中有两条电源线的两线制或增加一条中间导线(M线)的三线配电制。下图3为配电系统常用的TT、IT接地形式的系统简图。

针对采用电源端接地的TT、TN接地形式的直流配电系统的接地故障防护,使用剩余电流保护依然是最好的方式,对此IEC发布了 IEC TS 63053:2017《General requirements for residual current protective devices for DC systems》。该直流剩余电流保护装置(DC-RCD)标准规定设定保护阈值最小20mA,最大1A。

在交直流混合电网中直流负载侧,显然普通AC型剩余电流保护器无法完成保护,需要使用DC-RCD进行直流漏电保护,然而目前直流漏电保护还并未推广和市场化,国内也尚无相关标准。实际上,在交直流混合微电网中,漏电成分是非常复杂的,我们来看下ABB对于交直流混合微电网中交流侧接地故障的仿真模型。

可以看到,如果交流负载发生绝缘损坏,产生的剩余电流不仅有交流成分,还有直流成分,如果按照惯性思维依然使用AC型漏电保护器在交流负载端进行漏电保护显然是不行的,不仅无法检测直流漏电,甚至叠加的直流漏电会导致检测磁芯预先磁化,导致脱扣值增大,破坏剩余电流保护器的原有的保护功能!

针对剩余电流成分复杂的剩余电流保护器,需要使用Type B型剩余电流保护器,对应IEC标准为IEC62423:2009《Type F and type B residual current operated circuit-breakers with and without integral overcurrent protection for household and similar uses》,对应国内标准为GB22794:2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器》

B型剩余电流保护器不仅能够对交流剩余电流、脉动直流剩余电流进行保护,此外,还能对1000Hz及以下的正弦交流剩余电流、交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流、脉动直流剩余电流叠加平滑剩余电流、两相或多相整流电路产生的脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流确保脱扣,能够非常好的应用在交直流混合微电网中。

Magtron基于iFluxgate技术的SoC芯片整体方案,为B型漏电保护进行了数字化集成,为RCCB从传统的AC型/A型向B型的技术升级,提供了一套高性价比的B型漏电解决方案,为充电设备的用电安全提供了更好的保障。

【参考文献】

[1] GB 22794-2008 家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器(B型RCCB和B型RCBO)

[2]胡宏宇.低压直流配电系统综合保护与产品标准分析.建筑电气.

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