淺談并網光伏逆變器的漏電流保護

單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：王冬/Justin

為了達成2030年碳達峰，2060年前實現碳中和，光伏行業(yè)將成為長期高速發(fā)展的新能源行業(yè)之一。預期2027年將保持70-120GW左右的新增裝機量，2027年我國光伏發(fā)電行業(yè)累計裝機量可能在827-938GW之間。(見下圖1)

圖1 我國光伏發(fā)電行業(yè)累計裝機量預測

新能源作為未來發(fā)展焦點被大家所關注。其中光伏具有使用范圍廣、使用方便、無污染等優(yōu)點。光伏逆變器作為光伏系統(tǒng)的一個重要設備，其作用至關重要，市場競爭激烈，國內眾多光伏逆變器廠商均通過元器件國產化來降低生產制造成本，從而提高市場占有率。光伏逆變器的漏電流保護技術也是光伏的重要技術之一，同樣飽受國內外廠商和用戶的關注。

一、光伏系統(tǒng)中產生漏電的原因

光伏系統(tǒng)中的漏電流，本質上是一種共模電流。原因是光伏系統(tǒng)與大地之間存在寄生電容。當寄生電容-光伏系統(tǒng)-電網形成回路時，共模電壓會在寄生電容上產生共模電流。當光伏系統(tǒng)配備工頻變壓器時，由于回路中變壓器繞組之間的寄生電容相對較高，可在一定程度上抑制回路中共模電壓產生的共模電流。但是在沒有變壓器的光伏系統(tǒng)中，環(huán)路阻抗較低，共模電壓會形成較大的共模電流。但有變壓器型的逆變器，因為體積笨重、成本高、效率低等缺點，已經被市場淘汰。因此對光伏系統(tǒng)的漏電流問題需要格外關注。

在PV對地交流電壓和PV對地電容的作用下，交流電壓會在對地電容上產生電流。該電流通過主線路和地線形成回路，這個電流即是系統(tǒng)漏電流，也稱之為系統(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增加系統(tǒng)損耗， 產生并網電流諧波，還會造成電磁干擾等問題， 甚至會威脅人身安全。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。當逆變器通電運行時，共模電壓使PV - 逆變器 - 電網 - 大地之間形成回路，從而產生漏電流，如圖2所示

圖2 PV - 逆變器 - 電網 - 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，這就導致組件表面對大地存在一定的電壓，一般為1/2 PV直流母線電壓。由于該電壓的存在，組件和大地之間就等效出現了一個寄生電容。

太陽能電池板的外形、 臟污程度以及內部結構等因素都會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)出現了絕緣等故障，一根動力線和站在大地上的人接觸(如下圖4)，此時會有一個額外的電流流過，這個電流也被稱為“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。標準規(guī)定殘余電流不得大于30mA，否則會給人體帶來傷害。

系統(tǒng)漏電包括容性交流漏電流和阻性直流漏電流，標準規(guī)定系統(tǒng)必須直流量和交流量都檢測到;針對人意外觸電的保護，在工作中的光伏系統(tǒng)，若出現絕緣故障情況會導致人員觸電，會有殘余電流流過人體，逆變器也必須要準確檢測到這個突變量，及時保護，且保護時間需滿足標準要求。光伏系統(tǒng)的漏電檢測須同時滿足這兩部分的檢測

圖4 光伏系統(tǒng)中需對殘余電流的檢測以保護人身安全

為保證人員安全，一旦發(fā)生殘余電流大于等于30mA，除了絕緣保護外，電氣設備要在最短的時間內和電網斷開。那么接下來我們一起來看看國內外的一些相關標準對此的規(guī)定。

二、光伏系統(tǒng)的漏電保護相關標準

根據國家能標NB/T 32004-2013標準7.10.2規(guī)定(如圖5)，在逆變器接入交流電網且交流斷路器斷開的任何情況下，逆變器都應提供漏電流檢測功能。漏電流檢測應能檢測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)剩余電流超過以下限值，應斷開逆變器并在0.3s 內發(fā)出故障信號：

1> 對于額定輸出不大于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IEC62109-2的4.8.3.5通用要求中提及的關于殘余漏電流的要求，對于非隔離光伏逆變器的漏電檢測限值要求是一樣的(如下圖6)

三、針對光伏系統(tǒng)的漏電流的RCMU器件

按照漏電流檢測的漏電波形進行分類，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型剩余電流保護裝置：只對突然施加及緩慢上升的正弦交流剩余電流進行可靠保護。

(2)A型剩余電流保護裝置：在AC型的基礎上增加了對含有脈動直流分量的剩余電流進行可靠保護。

(3)B型剩余電流保護裝置：在A型基礎上又增加了對平滑直流漏電以及高頻復合波剩余電流進行可靠保護。

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

圖7 不同種類的漏電流

光伏系統(tǒng)的漏電流表現為兩個特點，一是成份復雜，在直流轉化交流的逆變過程中，有直流部份，也有交流部份;二是所產生副邊漏電流的值很少，一般為毫安級別。這就對漏電流檢測精度要求較高，需要專用的漏電流傳感器。國內外的光伏標準均有規(guī)定：對于光伏漏電流的檢測須采用TypeB的RCD，也就是交直流漏電流均能測量的電流傳感器。根據IEC60364-7-712和NBT32004以及 GB/T 16895.32中對殘余電流RCD保護保護的要求都是使用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必不可缺的安規(guī)器件，國內外各相關標準都要求加裝B型漏電保護裝置。故國內外各大逆變器廠商都會對RCMU這一器件的功能進行必要性的聲明，如圖11所示

圖11 各逆變器廠商RCMU聲明

四、光伏系統(tǒng)中的漏電保護故障原因

在正確安裝了漏電保護器后，依然存在一些因素會導致漏電保護誤動作或不動作。

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，通常該漏保應該是可以正常運行的。但由于光伏電站的實際情況較復雜，雨水侵入匯流箱、配電箱等導致接線對地短路或漏電的現象，導線老化、線路和用電設備絕緣電阻低、泄漏大、甚至接地，會致使保護器頻繁動作。不僅影響光伏電站的正常發(fā)電，也會產生一些安全隱患。

2、對于在配電箱內配備防雷系統(tǒng)的，需要檢測相關防雷壓敏元件的質量和長期穩(wěn)定性。特別是歷經嚴重雷擊后，會對一些防雷壓敏元件造成不可恢復的損傷，這種問題比較常見。發(fā)現有漏電故障的壓敏元件要及時更換，否則將導致漏保頻繁誤動作。

3、由于環(huán)境潮濕、進水等原因導致逆變器內部絕緣降低，也是引起漏保頻繁動作的原因之一，要注意將逆變器安裝在干燥、防水和通風的位置上。

五、RCMU在應用時應規(guī)避的方面

1、因每個廠商的計算邏輯都不一樣，在此之前需與逆變器廠商做充分的溝通。因為每一家逆變器廠家的動作閾值計算策略都不一樣，在設定這個動作限制之前，要了解廠商的漏電計算機制是Vout-V0或者是Vout-Vref。充分了解這個邏輯后再設置傳感器的相關參數，這個步驟是非常關鍵的。Vout-V0的邏輯可以有效消除零點的偏差值，而Vout-Vref的邏輯可以消除外界溫度所帶來的對Vref的影響，零點的輸出與Vref的差值要有所控制。例：要把動作閾值控制在某個動作限值公差的±1mA以內，若以Vout-Vref邏輯來做動作值判斷，因疊加了V0與Vref之間的差值，那么1mA所對應的電壓最大值不會按照傳感器的理論增益計算所得。

2、逆變器板端的電磁干擾較為嚴重。在PCBA上一些常規(guī)繼電器、電容電感等產生的干擾是容易被識別排查到的。然而有一些干擾源是不能在PCBA板端被發(fā)現的，比如一些逆變器廠商在做散熱結構的設計，不會用到散熱風扇而是考慮采用灌膠電感，灌膠后的電感作為一個整體安裝在逆變器PCBA板外部(如下圖12)。這種方案和把電感安裝在逆變器內部相比在散熱方面具有2大優(yōu)勢：

①空氣的導熱系數為0.023W/m·k，鋁導熱系數為是160 W/m·k，硅膠導熱系數約為1.2 W/m·k。采用灌膠工藝的電感，相當于散熱面積積擴大了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板分開安裝，熱量直接向外散發(fā)，不會提升逆變器內部溫度。

然而這個時候安裝在PCBA板端的RCMU會容易受到下方逆變電感的干擾，引起RCD不能準確在規(guī)定的動作閾值內精準執(zhí)行。為解決這個問題，可以從兩方面入手：①RCMU的擺放位置盡可能遠離干擾源;②擺放位置無法更改時，使RCMU盡可能做屏蔽處理

六、Magtron 公司的交直流漏電檢測方案

Magtron基于iFluxgateTM技術的SoC芯片方案，將RCMU進行了數字化集成，將磁通門技術進行底層技術的升級，使得逆變器模塊化設計可以更加便捷，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商提供了優(yōu)良性能高性價比的RCMU漏電流檢測方案。

審核編輯：湯梓紅