淺談并網(wǎng)光伏逆變器的漏電流保護(hù)

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：王冬/Justin

為了達(dá)成2030年碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，光伏行業(yè)將成為長(zhǎng)期高速發(fā)展的新能源行業(yè)之一。預(yù)期2027年將保持70-120GW左右的新增裝機(jī)量，2027年我國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)累計(jì)裝機(jī)量可能在827-938GW之間。(見(jiàn)下圖1)

圖1 我國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)累計(jì)裝機(jī)量預(yù)測(cè)

新能源作為未來(lái)發(fā)展焦點(diǎn)被大家所關(guān)注。其中光伏具有使用范圍廣、使用方便、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。光伏逆變器作為光伏系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，其作用至關(guān)重要，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)眾多光伏逆變器廠(chǎng)商均通過(guò)元器件國(guó)產(chǎn)化來(lái)降低生產(chǎn)制造成本，從而提高市場(chǎng)占有率。光伏逆變器的漏電流保護(hù)技術(shù)也是光伏的重要技術(shù)之一，同樣飽受?chē)?guó)內(nèi)外廠(chǎng)商和用戶(hù)的關(guān)注。

一、光伏系統(tǒng)中產(chǎn)生漏電的原因

光伏系統(tǒng)中的漏電流，本質(zhì)上是一種共模電流。原因是光伏系統(tǒng)與大地之間存在寄生電容。當(dāng)寄生電容-光伏系統(tǒng)-電網(wǎng)形成回路時(shí)，共模電壓會(huì)在寄生電容上產(chǎn)生共模電流。當(dāng)光伏系統(tǒng)配備工頻變壓器時(shí)，由于回路中變壓器繞組之間的寄生電容相對(duì)較高，可在一定程度上抑制回路中共模電壓產(chǎn)生的共模電流。但是在沒(méi)有變壓器的光伏系統(tǒng)中，環(huán)路阻抗較低，共模電壓會(huì)形成較大的共模電流。但有變壓器型的逆變器，因?yàn)轶w積笨重、成本高、效率低等缺點(diǎn)，已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰。因此對(duì)光伏系統(tǒng)的漏電流問(wèn)題需要格外關(guān)注。

在PV對(duì)地交流電壓和PV對(duì)地電容的作用下，交流電壓會(huì)在對(duì)地電容上產(chǎn)生電流。該電流通過(guò)主線(xiàn)路和地線(xiàn)形成回路，這個(gè)電流即是系統(tǒng)漏電流，也稱(chēng)之為系統(tǒng)共模電流，是光伏系統(tǒng)的固有特征之一。高頻共模電流不僅會(huì)增加系統(tǒng)損耗， 產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波，還會(huì)造成電磁干擾等問(wèn)題， 甚至?xí){人身安全。光伏逆變器PV端子與大地之間由于共模電壓的存在而具有寄生電容。當(dāng)逆變器通電運(yùn)行時(shí)，共模電壓使PV - 逆變器 - 電網(wǎng) - 大地之間形成回路，從而產(chǎn)生漏電流，如圖2所示

圖2 PV - 逆變器 - 電網(wǎng) - 大地之間形成回路

在光伏逆變器中，晶硅組件為浮地系統(tǒng)，而組件的邊框做接地處理，這就導(dǎo)致組件表面對(duì)大地存在一定的電壓，一般為1/2 PV直流母線(xiàn)電壓。由于該電壓的存在，組件和大地之間就等效出現(xiàn)了一個(gè)寄生電容。

太陽(yáng)能電池板的外形、 臟污程度以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)影響寄生電容的大小。在濕度較大的地區(qū)或是遭遇雨雪天氣， 電池板金屬外殼非常容易吸附導(dǎo)電水膜， 容易增大寄生電容的等效面積， 從而增大電容值。(如圖3所示)

圖3 C1：膠膜和玻璃上的水之間的寄生電容

C2：晶硅層和接地支架之間的寄生電容

C3：晶硅層和屋頂表面之間的寄生電容

若光伏系統(tǒng)出現(xiàn)了絕緣等故障，一根動(dòng)力線(xiàn)和站在大地上的人接觸(如下圖4)，此時(shí)會(huì)有一個(gè)額外的電流流過(guò)，這個(gè)電流也被稱(chēng)為“殘余電流”。

殘余漏電流具有突變的特性，與系統(tǒng)漏電流具有明顯的差別。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定殘余電流不得大于30mA，否則會(huì)給人體帶來(lái)傷害。

系統(tǒng)漏電包括容性交流漏電流和阻性直流漏電流，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)必須直流量和交流量都檢測(cè)到;針對(duì)人意外觸電的保護(hù)，在工作中的光伏系統(tǒng)，若出現(xiàn)絕緣故障情況會(huì)導(dǎo)致人員觸電，會(huì)有殘余電流流過(guò)人體，逆變器也必須要準(zhǔn)確檢測(cè)到這個(gè)突變量，及時(shí)保護(hù)，且保護(hù)時(shí)間需滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。光伏系統(tǒng)的漏電檢測(cè)須同時(shí)滿(mǎn)足這兩部分的檢測(cè)

圖4 光伏系統(tǒng)中需對(duì)殘余電流的檢測(cè)以保護(hù)人身安全

為保證人員安全，一旦發(fā)生殘余電流大于等于30mA，除了絕緣保護(hù)外，電氣設(shè)備要在最短的時(shí)間內(nèi)和電網(wǎng)斷開(kāi)。那么接下來(lái)我們一起來(lái)看看國(guó)內(nèi)外的一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此的規(guī)定。

二、光伏系統(tǒng)的漏電保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)家能標(biāo)NB/T 32004-2013標(biāo)準(zhǔn)7.10.2規(guī)定(如圖5)，在逆變器接入交流電網(wǎng)且交流斷路器斷開(kāi)的任何情況下，逆變器都應(yīng)提供漏電流檢測(cè)功能。漏電流檢測(cè)應(yīng)能檢測(cè)總包括直流和交流部分有效值的電流、連續(xù)剩余電流。如果連續(xù)剩余電流超過(guò)以下限值，應(yīng)斷開(kāi)逆變器并在0.3s 內(nèi)發(fā)出故障信號(hào)：

1> 對(duì)于額定輸出不大于30KVA、300mA的逆變器。

2> 適用于額定輸出大于30KVA、10mA/KVA的逆變器。

圖5 《NB/T 32004》

圖6 《IEC62109-2》

根據(jù)IEC62109-2的4.8.3.5通用要求中提及的關(guān)于殘余漏電流的要求，對(duì)于非隔離光伏逆變器的漏電檢測(cè)限值要求是一樣的(如下圖6)

三、針對(duì)光伏系統(tǒng)的漏電流的RCMU器件

按照漏電流檢測(cè)的漏電波形進(jìn)行分類(lèi)，漏電傳感器可以分為AC型漏電傳感器、A型漏電傳感器、B型漏電傳感器

(1)AC型剩余電流保護(hù)裝置：只對(duì)突然施加及緩慢上升的正弦交流剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。

(2)A型剩余電流保護(hù)裝置：在AC型的基礎(chǔ)上增加了對(duì)含有脈動(dòng)直流分量的剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。

(3)B型剩余電流保護(hù)裝置：在A型基礎(chǔ)上又增加了對(duì)平滑直流漏電以及高頻復(fù)合波剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。

從下圖7中可以看出B型的漏電傳感器保護(hù)范圍更廣，適用于交流電流、脈動(dòng)直流、平滑直流電流等。

圖7 不同種類(lèi)的漏電流

光伏系統(tǒng)的漏電流表現(xiàn)為兩個(gè)特點(diǎn)，一是成份復(fù)雜，在直流轉(zhuǎn)化交流的逆變過(guò)程中，有直流部份，也有交流部份;二是所產(chǎn)生副邊漏電流的值很少，一般為毫安級(jí)別。這就對(duì)漏電流檢測(cè)精度要求較高，需要專(zhuān)用的漏電流傳感器。國(guó)內(nèi)外的光伏標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定：對(duì)于光伏漏電流的檢測(cè)須采用TypeB的RCD，也就是交直流漏電流均能測(cè)量的電流傳感器。根據(jù)IEC60364-7-712和NBT32004以及 GB/T 16895.32中對(duì)殘余電流RCD保護(hù)保護(hù)的要求都是使用Type B型RCD;如下圖8 ~ 圖10

圖8《IEC60364-7-712》

圖9《NB/T32004》

圖10《GB/T 16895.32-2021》

RCMU在光伏逆變器中作為一個(gè)必不可缺的安規(guī)器件，國(guó)內(nèi)外各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都要求加裝B型漏電保護(hù)裝置。故國(guó)內(nèi)外各大逆變器廠(chǎng)商都會(huì)對(duì)RCMU這一器件的功能進(jìn)行必要性的聲明，如圖11所示

圖11 各逆變器廠(chǎng)商RCMU聲明

四、光伏系統(tǒng)中的漏電保護(hù)故障原因

在正確安裝了漏電保護(hù)器后，依然存在一些因素會(huì)導(dǎo)致漏電保護(hù)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的支架和逆變器外殼都有防雷安全接地，通常該漏保應(yīng)該是可以正常運(yùn)行的。但由于光伏電站的實(shí)際情況較復(fù)雜，雨水侵入?yún)R流箱、配電箱等導(dǎo)致接線(xiàn)對(duì)地短路或漏電的現(xiàn)象，導(dǎo)線(xiàn)老化、線(xiàn)路和用電設(shè)備絕緣電阻低、泄漏大、甚至接地，會(huì)致使保護(hù)器頻繁動(dòng)作。不僅影響光伏電站的正常發(fā)電，也會(huì)產(chǎn)生一些安全隱患。

2、對(duì)于在配電箱內(nèi)配備防雷系統(tǒng)的，需要檢測(cè)相關(guān)防雷壓敏元件的質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。特別是歷經(jīng)嚴(yán)重雷擊后，會(huì)對(duì)一些防雷壓敏元件造成不可恢復(fù)的損傷，這種問(wèn)題比較常見(jiàn)。發(fā)現(xiàn)有漏電故障的壓敏元件要及時(shí)更換，否則將導(dǎo)致漏保頻繁誤動(dòng)作。

3、由于環(huán)境潮濕、進(jìn)水等原因?qū)е履孀兤鲀?nèi)部絕緣降低，也是引起漏保頻繁動(dòng)作的原因之一，要注意將逆變器安裝在干燥、防水和通風(fēng)的位置上。

五、RCMU在應(yīng)用時(shí)應(yīng)規(guī)避的方面

1、因每個(gè)廠(chǎng)商的計(jì)算邏輯都不一樣，在此之前需與逆變器廠(chǎng)商做充分的溝通。因?yàn)槊恳患夷孀兤鲝S(chǎng)家的動(dòng)作閾值計(jì)算策略都不一樣，在設(shè)定這個(gè)動(dòng)作限制之前，要了解廠(chǎng)商的漏電計(jì)算機(jī)制是Vout-V0或者是Vout-Vref。充分了解這個(gè)邏輯后再設(shè)置傳感器的相關(guān)參數(shù)，這個(gè)步驟是非常關(guān)鍵的。Vout-V0的邏輯可以有效消除零點(diǎn)的偏差值，而Vout-Vref的邏輯可以消除外界溫度所帶來(lái)的對(duì)Vref的影響，零點(diǎn)的輸出與Vref的差值要有所控制。例：要把動(dòng)作閾值控制在某個(gè)動(dòng)作限值公差的±1mA以?xún)?nèi)，若以Vout-Vref邏輯來(lái)做動(dòng)作值判斷，因疊加了V0與Vref之間的差值，那么1mA所對(duì)應(yīng)的電壓最大值不會(huì)按照傳感器的理論增益計(jì)算所得。

2、逆變器板端的電磁干擾較為嚴(yán)重。在PCBA上一些常規(guī)繼電器、電容電感等產(chǎn)生的干擾是容易被識(shí)別排查到的。然而有一些干擾源是不能在PCBA板端被發(fā)現(xiàn)的，比如一些逆變器廠(chǎng)商在做散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不會(huì)用到散熱風(fēng)扇而是考慮采用灌膠電感，灌膠后的電感作為一個(gè)整體安裝在逆變器PCBA板外部(如下圖12)。這種方案和把電感安裝在逆變器內(nèi)部相比在散熱方面具有2大優(yōu)勢(shì)：

①空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m·k，鋁導(dǎo)熱系數(shù)為是160 W/m·k，硅膠導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2 W/m·k。采用灌膠工藝的電感，相當(dāng)于散熱面積積擴(kuò)大了3-4倍，散熱速度提高了10多倍，因此可以降低電感溫度。

②由于電感是逆變器第二發(fā)熱元器件，電感和PCBA板分開(kāi)安裝，熱量直接向外散發(fā)，不會(huì)提升逆變器內(nèi)部溫度。

然而這個(gè)時(shí)候安裝在PCBA板端的RCMU會(huì)容易受到下方逆變電感的干擾，引起RCD不能準(zhǔn)確在規(guī)定的動(dòng)作閾值內(nèi)精準(zhǔn)執(zhí)行。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以從兩方面入手：①RCMU的擺放位置盡可能遠(yuǎn)離干擾源;②擺放位置無(wú)法更改時(shí)，使RCMU盡可能做屏蔽處理

六、Magtron 公司的交直流漏電檢測(cè)方案

Magtron基于iFluxgateTM技術(shù)的SoC芯片方案，將RCMU進(jìn)行了數(shù)字化集成，將磁通門(mén)技術(shù)進(jìn)行底層技術(shù)的升級(jí)，使得逆變器模塊化設(shè)計(jì)可以更加便捷，最大幅度降低了系統(tǒng)資源整合的成本，為全球光伏逆變器廠(chǎng)商提供了優(yōu)良性能高性?xún)r(jià)比的RCMU漏電流檢測(cè)方案。

審核編輯：湯梓紅