非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器殘余電流保護(hù)設(shè)計(jì)方法

蔡 鵬

（江蘇博緯新能源科技有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引 言

對于單、多晶硅光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器因其相對更高的轉(zhuǎn)換效率和功率密度以及更低的成本得到了廣泛的應(yīng)用［1］。但由于這一應(yīng)用方式中光伏陣列和電網(wǎng)之間無電氣隔離，使得光伏陣列和大地之間存在的分布電容會在逆變器高頻開關(guān)工作模式下產(chǎn)生漏電流，從而增加了安全隱患［2，3］。文獻(xiàn)［4］、［5］分析對比了目前應(yīng)用于非隔離型并網(wǎng)逆變器的幾種主要拓?fù)?，對它們在不同的PWM調(diào)制方式下產(chǎn)生漏電流的原理、大小等方面均作了詳細(xì)的分析和比較。但上述文獻(xiàn)并未對非隔離型并網(wǎng)逆變器殘余電流的特征和檢測及保護(hù)方式提出分析。

事實(shí)上漏電流的保護(hù)不僅僅針對非隔離型并網(wǎng)逆變器，對隔離型并網(wǎng)逆變器也有相同的要求，但殘余電流的保護(hù)卻是專門針對非隔離并網(wǎng)逆變器提出的要求。本質(zhì)上作為非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器處于非正常工作狀態(tài)所產(chǎn)生的漏電流的一種情況，殘余電流的大小一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過逆變器正常工作時產(chǎn)生的漏電流。為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的殘余電流保護(hù)要求，在非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器殘余電流保護(hù)設(shè)計(jì)中，殘余電流的采樣、檢測及計(jì)算方法尤為關(guān)鍵。本文首先通過理論和仿真分析了逆變器因自身寄生電容產(chǎn)生的漏電流和標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的模擬方法下的殘余電流波形，比較了二者的相對大小，進(jìn)而針對殘余電流波形的特點(diǎn)提出了采樣及軟件計(jì)算方法，最后針對一款具體產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)測并給出了測試波形和結(jié)論。

1 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的漏電流模擬測試方法

文獻(xiàn)［6－8］為針對目前并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品殘余電流測試所使用的主要標(biāo)準(zhǔn)，其中IEC62109－2－2011［6］是IEC62109直接使用的標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［7，8］是文獻(xiàn)［6］所參考使用的標(biāo)準(zhǔn)。IEC62109－2－2011chap 4.8.3.5－Protection by residual current monitoring規(guī)定了并網(wǎng)逆變器漏電流的具體模擬方法，如圖1所示 。

在圖1所示的模擬方法中，逆變器AC端N線（Neutral）與保護(hù)地（PE）短接，通過可調(diào)電阻和電容并聯(lián)的可調(diào)阻抗分別連接PV＋和PV－到保護(hù)地。通過調(diào)節(jié)阻抗的值并從與之串聯(lián)的電流表中讀取突變殘余電流的值，設(shè)定并檢測逆變器的殘余電流保護(hù)響應(yīng)特性。對于連續(xù)性殘余電流（Continuous residual current）的測試，可先接入可調(diào)電阻R1并通過調(diào)節(jié)R1的值使連續(xù)殘余電流接近保護(hù)設(shè)定閾值，再通過開關(guān)并入R2，使連續(xù)殘余電流突然增大超出保護(hù)設(shè)定閾值，以檢測保護(hù)功能是否動作以及保護(hù)時間是否符合限定要求；對于突變型殘余電流（Sudden change residual current）的測試，可先接入可調(diào)電容C1，并調(diào)節(jié)C1的值使殘余電流接近保護(hù)設(shè)定閾值，再通過開關(guān)并入電阻R1或R2，使殘余電流突然增大至超出保護(hù)設(shè)定閾值，以檢測保護(hù)功能是否動作以及保護(hù)時間是否符合限定要求。表1是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而總結(jié)的具體判定條件。

圖1 IEC62109規(guī)定的殘余電流模擬方法

2 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定模擬方法下的漏電流波形分析

為了減少PWM調(diào)制方式下因寄生電容產(chǎn)生的漏電流，并網(wǎng)逆變器需要采用合適的拓?fù)浠蛘哒{(diào)制方式。從文獻(xiàn)［4］的分析以及仿真和試驗(yàn)結(jié)論可知，對于H4全橋逆變器，只有采取雙極性調(diào)制方式才能將漏電流限制在較小的水平。如果為了效率的提高而采用單極性調(diào)制或類單極性調(diào)制，則必須要調(diào)整拓?fù)?，增加直流?cè)續(xù)流回路或交流側(cè)續(xù)流回路，文獻(xiàn)［5］的分析也得出相同的結(jié)論。針對江蘇博緯新能源科技公司研制的一臺實(shí)際產(chǎn)品，基于SIMtrix電路仿真軟件建立了仿真模型如圖2。該逆變器前端采用Boost升壓電路作為最大功率追蹤（MPPT）單元，后級采用具有交流旁路環(huán)節(jié)的H6拓?fù)渥鳛槟孀儐卧?，并采用單極性調(diào)制，額定功率4.6kW。

圖2中Cpv1和Cpv2為光伏陣列對地分布電容，C1，C2為逆變器IGBT集電極對地寄生電容，R1、R2為IEC62109－2－2011規(guī)定的并網(wǎng)逆變器殘余電流模擬電阻。另外由于共模濾波器的Y電容值較小，產(chǎn)生的漏電流相對可以忽略，因此未納入仿真模型中。在R1、R2未接入的情況下，對逆變器正常工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為:Udc＝300V，Ucdc＝400V，Uac＝230V／50Hz，L1＝L2＝750μH，fs＝20kHz，Cpv1＝Cpv＝100nF，C1＝C2＝470pF，Po＝4.6kW，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 非隔離光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型

圖3 逆變器輸出電流與漏電流波形

從圖3（b）漏電流仿真波形可以看出，漏電流包含低頻的工頻脈動成分和高頻的開關(guān)次脈動成分。前者由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生，后者由高頻開關(guān)切換產(chǎn)生，而在電網(wǎng)電壓過零處的高頻成分是由低頻管驅(qū)動信號死區(qū)引起。仿真結(jié)果說明，單極性調(diào)制的具有交流側(cè)旁路環(huán)節(jié)的并網(wǎng)逆變器，其正常工作狀態(tài)本身所產(chǎn)生的漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IEC62109－2－2011規(guī)定的殘余電流值。該漏電流的具體大小與寄生電容的大小，直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓的相對大小，以及開關(guān)頻率的高低有關(guān)，在此不作詳細(xì)推導(dǎo)和分析。圖4是根據(jù)IEC62109－2－2011規(guī)定的并網(wǎng)逆變器殘余電流模擬方法，通過接入阻抗R1＝R2＝1kΩ的殘余電流仿真波形。

從圖4的仿真波形可以看到，當(dāng)按照IEC62109－2－2011規(guī)定的并網(wǎng)逆變器殘余電流模擬方法進(jìn)行模擬時，相比逆變器因自身寄生參數(shù)所產(chǎn)生的漏電流，前者占了主要成分，其波形仍然為開關(guān)次高頻成分和由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的工頻成分。因此可以得到如下結(jié)論:

圖4 殘余電流波形

（1）對于IEC62109標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的殘余電流保護(hù)功能的檢測方法，可以通過從LN端口對總漏電流進(jìn)行測試，二者基本相等；

（2）對于從LN端口檢測到的總漏電流，由于低頻成分是50Hz（or 60Hz）的工頻分量，而高頻成分是開關(guān)次（一般在20kHz左右）分量，所以建議使用截止頻率為500Hz～1kHz的低通濾波器濾波后的漏電流可采用有效值計(jì)算方式。

3 殘余電流保護(hù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述對于非隔離型并網(wǎng)逆變器殘余電流分析和對IEC62109標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的殘余電流保護(hù)功能的檢測方法的驗(yàn)證，在一款實(shí)際樣機(jī)中進(jìn)行了測試。圖5所示為該樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，除各寄生電容參數(shù)以外，其他基本電路參數(shù)和前述仿真電路參數(shù)一致。

殘余電流的采樣仍通過在LN線端口的電流差取樣。傳感器采用巨磁公司（MAGTRON）生產(chǎn)的RCMU101B型漏電流檢測器。該傳感器采用開環(huán)磁通門原理，具有較高的飽和電流值（±600mA）、較高的線性度（0.4%）和較高的精確度（2%），最高7kHz的帶寬，同時內(nèi)置700Hz的低通濾波器，非常適合用于對光伏逆變器漏電流和殘余電流保護(hù)的檢測。控制與算法部分，通過逆變器主控芯片TMS320系列的DSP2808完成。經(jīng)過700Hz濾波后的采樣信號送AD口轉(zhuǎn)為數(shù)字處理，AD采樣頻率為20kHz，按照所捕獲的當(dāng)前電網(wǎng)電壓周期對其進(jìn)行數(shù)字有效值計(jì)算，并按IEC62109標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護(hù)要求設(shè)置保護(hù)門限和保護(hù)時間。

以該樣機(jī)為測試平臺，Intertek公司嚴(yán)格按照IEC62109標(biāo)準(zhǔn)，對殘余電流保護(hù)功能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。具體測試波形如圖6（a）～（c）。

圖5 4.6 kHz非隔離并網(wǎng)逆變器樣機(jī)及漏電流采樣單元

圖6 測試波形

在圖6（a）中，當(dāng)調(diào)節(jié)模擬阻抗 R1、R2，使漏電流突然增加30mA有效值后，逆變器在164.6ms后保護(hù)脫網(wǎng)；在圖6（b）中，當(dāng)調(diào)節(jié)模擬阻抗使漏電流突然增加60mA有效值后，逆變器在64.6ms后保護(hù)脫網(wǎng)；在圖6（c）中，當(dāng)調(diào)節(jié)模擬阻抗使漏電流由0突然增加為150mA有效值后，逆變器在25ms后保護(hù)脫網(wǎng)。

上述試驗(yàn)保護(hù)的閾值和相應(yīng)時間符合表1中的要求。

4 結(jié) 論

本文針對IEC62109標(biāo)準(zhǔn)對非隔離光伏并網(wǎng)逆變器殘余電流保護(hù)功能測試的具體模擬和測試方法，通過仿真分析以及Intertek認(rèn)證公司對一款具體產(chǎn)品的認(rèn)證實(shí)測，得出如下結(jié)論:

（1）對于具有交流側(cè)續(xù)流環(huán)節(jié)的單極性控制光伏并網(wǎng)逆變器，其由于光伏陣列分布電容和自身寄生電容所產(chǎn)生的漏電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IEC62109標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的殘余電流保護(hù)限值。

（2）對于IEC62109標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的漏電流保護(hù)要求和實(shí)測方法，可以在LN端通過檢測電流差得到的總漏電流來等效模擬殘余電流，并通過低通濾波后按當(dāng)前電網(wǎng)頻率進(jìn)行周期有效值計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果用于保護(hù)值比較，可以得到較高的準(zhǔn)確度，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］Myrzik J M A，Calais M.String and module integrated inverters for single－phase grid connected photovoltaic systems:a review［C］.IEEE.2008.

［2］Roberto G，Eugenio G，Jesus L，et al.Transformerless single phasemultilevel based photovoltaic inverter［J］.IEEE Trans.on IndustrialElectronics，2008，55（7）:2694－2702.

［3］Kerekes T，Teodorescu R，Liserre M.Common mode voltage in case of transformerless PV inverters connected to the grid［C］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics，Cambridge，UK，2008.

［4］肖華鋒，謝少軍.非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析模型研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（18）:18－21.

［5］孫龍林，張 興，趙 為，等.單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中共模電流抑制的研究［C］.中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十一屆學(xué)術(shù)年會，2008.

［6］IEC 62019.Safety of power converters for use in photovoltaic power systems– Part 1:General requirements［S］.2003.

［7］IEC 62020.Electrical accessories– Residual current monitors for household and similar uses（RCMs）［S］.2003.

［8］IEC 60755.General requirements for residual current operated protective devices［S］.2011.