光伏配电系统零序电流危害及消除方法

新疆水利水电学校 ■ 王晓东

一 引言

随着国家光伏分布式发电应用的快速推进，光伏发电示范区用电需求迅速增加，分布式光伏发电规模化应用倡导所发电量主要满足自发自用，尽管现代控制技术、继电保护技术日臻成熟，但光伏配电系统中三相变压器中性线的零序电流和随机性、非线性负荷引发的负荷零序电流，造成的事故和负荷使用效能下降时有发生，所以对零序电流的成因、危害加以分析研究，采用智能微电网技术高比例接入和运行光伏发电很有必要。

二 光伏配电系统零序电流的成因

光伏配电系统的零序电流分为故障和非故障两种状态下的零序电流。故障情形下的零序电流又分为不对称短路(单相线接地、两相接地、端线与中性线短路)和断线故障(单相或两相线路断开)零序电流；非故障情形一般是指光伏配电系统变压器中性线零序电流、负荷零序电流。

故障状态情形下的零序电流大多可由系统配置的继电保护装置快速切除，因此危害性时间较短；而非故障情形下的零序电流则要复杂得多。本文仅对非故障情形下的零序电流进行分析。

1 变压器零序电流

图1 磁路饱和时的空载电流波形

由图1可知，产生正弦波主磁通φ的磁化电流im(近似空载电流i0)并非正弦波，而实为尖顶波，根据傅里叶级数理论分解，该尖顶波除含有基波电流分量i01外，还可分解出较强的3次谐波分量i03和较弱的5次谐波分量i05及其以上更弱、更高次的奇次谐波分量，若忽略5次及以上影响较弱的高次谐波，则i0=i01+i03。因此要得到正弦波e，i0的波形是尖顶波，即必须有i03流通的闭合回路。若无i03的流通回路，则i0=i01而变为正弦波，对应主磁通φ变为平顶波，如图2所示。

图2 正弦电流形成的主磁通波形

同理，可根据傅里叶级数理论将该平顶波主磁通φ分解为正弦波形的基波分量φ01，较强的3次谐波分量φ03和较弱的5次谐波分量φ05及其更弱、更高次的几次谐波分量，同样略去较弱的5次及以上谐波，则φ=φ01=φ03，与i03类似，若φ03由磁路磁阻Rm很小材料组成的闭合磁路，则相电动势e变为尖顶波，如图3所示。

图3 φ03磁路磁阻很小时的相电动势波形

同样，由傅里叶级数理论分析知，该尖顶波除基波电动势e1外，还含有e3、e5、e7等高次奇次谐波，其中3次谐波电流e3最大，忽略5次及以上较弱的高次谐波，则e=e1+e3。因此要得到正弦波，只有迫使主磁通φ的波形为正弦波，即有效抑制大小φ03，使其磁路磁阻Rm很大。

通过以上分析可知，由于三相变压器额定工况铁芯处于饱和状态，因此，感应电动势e的波形不仅与可能造成尖顶波空载电流i0畸变的三相绕组连接形式（Y或△）有关，而且与可能造成铁芯中的正弦波形主磁通φ畸变的磁路结构型式(组式或芯式)相关。

在光伏配电系统中，由于大量单相负荷的存在，因此，通常采用Y，yn0和D，yn11两种连接组别且低压侧线电压为380V的三相电力变压器。

(1)Y，yn0连接组别的三相变压器

由于一次绕组采用Y形但无中线，因而3次谐波电流i03无流通回路，i0=i01变为正弦波，对应主磁通φ变为平顶波，相电动势波形发生畸变并含有三次谐波分量，由于该谐波为零序，因而会在单相负荷中形成零序电流(3次谐波电流)。需要指出的是，由于相互抵消，其线电动势仍为正弦波，对于仅有三相对称负荷系统将不会形成零序电流。

(2)D，yn11连接组别的三相变压器

由于3次谐波电流i03可在闭合三角形回路中形成环流，于是励磁电流i0=i01+i03维持尖顶波，主磁通φ=φmsinωt(正弦波)，因此，对应的感应电动势e的波形自然还是正弦波。这就是光伏配电系统广泛采用D，yn11连接组别三相变压器的重要原因。

2 负荷零序电流

光伏配电系统的负荷主要分为2类：其一为随机性单相负荷，如各类照明灯具；其二为非线性谐波负荷，如电焊机、空调等家用电器，它们在使用时都会产生零序电流。

(1)三相负荷对称时的零序电流

在各相负荷基本配平的三相四线制电路中，若负荷中含有非线性负荷时，系统中除基波电流外，还会产生高次奇次谐波，其中3次及3倍次谐波电流属零序电流。

(2)三相负荷不对称时的零序电流

由于随机性单相负荷(一般多为照明、家电)的大量存在，因此三相负荷很难达到动态平衡，因此，三相四线制电路中将会不可避免地形成三相不平衡电流，若负荷中还含有非线性成份，则还会有谐波电流产生。

以上结论基于电源电压三相对称条件，零序电流包括三相不平衡电流和谐波电流。

三 光伏配电系统零序电流的危害

1 变压器损耗增加

由于光伏配电系统变压器铁芯一般采用芯式结构，因而流过各相绕组的零序电流会在各相铁芯中产生零序磁通，而该磁通只能借助变压器油和变压器油箱壁形成回路，如图4所示。

图4 三相芯式变压器3次谐波磁通路径

由于该磁路的磁阻很大，因此3次谐波磁通大为减少，但尽管如此，3次谐波磁通还会在油箱壁等构件中引起3倍频率的涡流损耗，致使局部发热、效率低下、损耗增加，严重时会造成变压器损坏。

2 变压器中性点漂移

光伏配电系统采用Y，yn0连接组别的变压器时，当三相负荷不平衡，变压器二次侧零序电流建立的零序磁动势，将不能被一次侧磁动势平衡，所以铁芯中的零序磁通φ0便在各自的绕组中感应零序电动势E0，-E¥0与三相负荷不平衡时采用的对称分析法中的正序分量U+之和就是相电压，如图5所示。从图5可知，带单相负荷的相的相电压低，其余两相相电压高，即所谓中性点发生漂移，本结论同样适合D，yn11连接组别的三相变压器。从一般用电负荷特性知，光伏配电系统电压过低，用电设备负荷利用效率将会下降，而电压过高则往往会造成用电设备烧损。

图5 Y,yn变压器单相负载时的相量图

3 线路电能损耗

三相不平衡电流和谐波电流形成的零序电流，均会造成线路电能损耗，平衡度变差，平衡度愈差，功率损耗愈大。

四 光伏配电系统零序电流消除方法

1 单相负荷尽可能均匀分配

在光伏三相四线制配电系统中，单相负荷应尽可能均匀分配于各相，使整个系统三相负荷基本保持平衡。规程规定，中性线电流不得超过额定电流的25%。

2 尽量采用连接组别的三相变压器

在光伏三相四线制配电系统中，尽量采用连接组别的三相变压器。由于连接组别的三相变压器一次侧绕组采用“△”连接，因而可抵消三相负荷不平衡和三相负荷平衡但由所含非线性负荷引发的3次谐波零序电流产生的零序磁势，从而可有效减少零序电动势，继而减小变压器中性点漂移产生的负面影响。

3 提高功率因素

当诸如感应电动机、电焊机等需无功励磁的非线性负荷使用时，为保证用电设备输出规定的有功功率，变压器需输送更多电能，变压器的容量选择需加大，空载电流也随之增大。同时，在一定电压下，电流增大，系统配电装置能量损耗增大，系统输电线路电压损失增大，所以提高功率因数也可间接降低非线性负荷的影响。

(1)合理使用感应电动机。由于感应电动机额定负载时，cosφ范围为0.8～0.85；而40%负荷时仅有0.1～0.2，所以应使其尽量工作在额定工况。规程规定，当电动机负荷率大于70%时，该电动机可继续使用；当负荷率小于40%时，则应更换小容量电动机。

(2)合理使用变压器。负荷率长期处于30%以下，应更换较小小容量的变压器，以提高变压器功率因数。

(3)变压器应尽量接近负荷中心，以减少输电线路电压损失和提高输电线路功率因数。

(4)加装静电电容器。

4 加装有源滤波器

有源滤波器可有效削弱3次谐波零序电流，从而减少零序电流引发的不利影响。

5 加大中性线截面

中性线截面的加大，有利于消除3次谐波及3倍次谐波造成的中性线电流超载。

五 结束语

随着主要满足自发自用分布式光伏发电规模化发展，光伏配电系统中的变压器中性线零序电流和随机性、非线性负荷产生的零序电流引发的系统事故和负荷使用效能下降影响将会随之增大，因而对零序电流的成因加以分析、研究，并提出相应消减方法，不但在理论上具有一定意义，而且在现实应用中具有一定价值。

[1]胡虔生, 胡敏强. 电机学[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

[2]赵连玺, 樊伟梁, 赵小玲. 建筑应用电工(第四版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1999.