一種非隔離型光伏逆變器設(shè)計(jì)思路

王凱 黃曉東 李小麟

摘 要：逆變器已被廣泛應(yīng)用在各種場合、各種環(huán)境。在使用過程中暴露出產(chǎn)品對不同環(huán)境適應(yīng)性的不足，導(dǎo)致性能下降甚 至設(shè)備損壞。本文提出了一種非隔離型光伏逆變器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，闡述上述設(shè)計(jì)方案的工作原理及優(yōu)勢，目的是提高逆變器 對不同環(huán)境下的適應(yīng)能力。通過對逆變器的絕緣檢測、防雷、高海拔適應(yīng)性、PID防護(hù)等項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化提升了整機(jī)性能，為相 關(guān)產(chǎn)品優(yōu)化提供思路。

關(guān)鍵詞：逆變器，光伏，設(shè)計(jì)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.029

0 引 言

光伏逆變器是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體，其 性能直接決定了整個系統(tǒng)能否長期、可靠、高效運(yùn) 行[1]。其工作原理是由內(nèi)部控制系統(tǒng)來控制整個系 統(tǒng)的運(yùn)作，光伏逆變電路完成直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻?流電流的功能，振蕩電路將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?流；線圈升壓將不規(guī)則的交流電流轉(zhuǎn)為方波交流電 流；最后整流器促使交流電流經(jīng)由方波轉(zhuǎn)為正弦波 交流電流。所提方案便是對絕緣檢測、防雷、高海 拔適應(yīng)性、PID防護(hù)、散熱等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而適 應(yīng)不同環(huán)境，提高產(chǎn)品適應(yīng)力。

1 絕緣檢測設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)的方陣絕緣電阻監(jiān)測功能是為了降 低因直流側(cè)接地故障引起的觸電或火災(zāi)的風(fēng)險；對 于非隔離型逆變器，直流側(cè)接地故障會在故障點(diǎn)和電網(wǎng)之間形成回路，直接導(dǎo)致故障電流，這種情況 下禁止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。

系統(tǒng)接地可分為兩類：直接接地和間接接地。 直接接地（金屬接地）是指直流系統(tǒng)電源正極或負(fù) 極對地的電阻等于或接近于零的情況。這種接地 情況在直流系統(tǒng)中如果同時出現(xiàn)兩點(diǎn)時，就很可能 造成斷路器誤動或拒動，或熔斷絲燒斷等現(xiàn)象。間 接接地（非金屬接地）是指直流系統(tǒng)電源正極或負(fù) 極對地絕緣電阻低至某一允許值之下。這時的接地 電阻是否會對系統(tǒng)造成危害，就要看各個單位的具 體情況，它與系統(tǒng)接地的位置和繼電器的靈敏度有 關(guān)。比如當(dāng)前發(fā)電廠和變電站中最靈敏的中間繼電 器的內(nèi)阻，220 V電壓對應(yīng)內(nèi)阻為200 kΩ，110 V電 壓對應(yīng)內(nèi)阻為6 kΩ，48 V電壓對應(yīng)內(nèi)阻為1.5 kΩ。 絕緣降低是指直流系統(tǒng)所采用的電纜、設(shè)備的 絕緣電阻由于某種原因低于出廠數(shù)值。這些電纜， 設(shè)備構(gòu)成的直流系統(tǒng)的直流電源的正、負(fù)極對地絕 緣電阻總體上低于充許值。

本次設(shè)計(jì)的組串式逆變器屬于非隔離型逆 變器，絕緣監(jiān)測功能需符合NB/T 32004—2018光 伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范中規(guī)定：與不接地的光伏 方陣連接的逆變器應(yīng)在系統(tǒng)啟動前測量光伏方 陣輸入端與地之間的直流絕緣電阻，如果阻抗小 于Umaxpv/30mA（Umaxpv指光伏方陣最大輸出電 壓），對于非隔離逆變器，應(yīng)指示故障，并限制其接 入電網(wǎng)[2]。此時允許其繼續(xù)監(jiān)測方陣的絕緣電阻， 并在絕緣電阻滿足上述要求時，允許停止報警也允 許接入電網(wǎng)。

設(shè)計(jì)逆變器最大輸入電壓1100 V，則方陣絕緣 阻抗應(yīng)大于1100 V/30 mA，即36 kΩ。逆變器內(nèi)置了 絕緣阻抗檢測模塊如圖1所示。

正負(fù)母線對地等效電阻的實(shí)時監(jiān)測，是進(jìn)行任 何一種直流系統(tǒng)接地故障檢測的前提。目前廣泛使 用的直流絕緣監(jiān)視裝置是對稱的電橋（即平衡電 橋），這種電路缺陷是正負(fù)母線對地電阻同步下降 時不能檢測真實(shí)對地阻值。為了克服上述檢測方法 的缺陷，可采用雙不對稱平衡橋檢測法。

圖1為雙不對稱電橋原理圖，圖中RZ，Rf分別 代表直流系統(tǒng)正負(fù)母線總的對地等效電阻，R1，R2 為橋電阻，置k=1或k=2，采樣Rj電阻電壓，通過計(jì)算兩組代數(shù)方程式即可算出正負(fù)母線對地等效電 阻，該方法克服了正負(fù)母線對地電阻同步下降時不 能檢測真實(shí)對地阻值的缺陷，能夠?qū)χ绷飨到y(tǒng)的直 接接地、間接接地、絕緣降低故障進(jìn)行檢測。雙不 對稱電橋中有兩套電路切換方式，電路的切換由長 壽命的固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖2所示。

2 交直流防雷設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的組串式逆變器的防雷設(shè)計(jì)滿足IEC 62305的防護(hù)要求：對直接雷擊進(jìn)行防護(hù)，承受局部 雷擊電流或感應(yīng)電流，以及全部雷擊磁場[3]。2級防 雷能夠放電引起感應(yīng)或傳導(dǎo)過電壓的間接雷擊。交 流側(cè)防雷需滿足2級防雷要求。逆變器直流側(cè)配置2 級防雷，交流側(cè)配置2級防雷。

2.1 直流側(cè)防雷

用于光伏直流系統(tǒng)的SPD，配置2級防雷符合 最新標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643和EN 50539—11。直流防雷規(guī) 格見表1。

2.2 交流側(cè)防雷

用于逆變器交流側(cè)的SPD，配置2級防雷符合 最新標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643和EN 50539。交流防雷規(guī)格見 表2。

3 高海拔設(shè)計(jì)

NB/T 32004—2018《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技 術(shù)規(guī)范》對于高海拔下逆變器的設(shè)計(jì)和使用規(guī)定如 下：逆變器安裝場所的海拔高度大于2000 m時，需 考慮電氣介電強(qiáng)度的下降。影響逆變器高海拔應(yīng)用 的因素主要是逆變器的散熱及逆變器內(nèi)部元器件 的電氣間隙。功能絕緣、基本絕緣或附加絕緣的最 小電氣間隙應(yīng)滿足表3要求。海拔2000～6000 m的 逆變器，電氣間隙應(yīng)根據(jù)表3進(jìn)行修正見表4。

海拔越高，空氣密度越稀薄，大氣壓力下降， 空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱， 散熱方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷的逆變器散熱效果會打折扣， 應(yīng)重點(diǎn)考慮。本次設(shè)計(jì)逆變器配置了強(qiáng)制智能風(fēng)冷 進(jìn)行散熱，出廠前已完成高海拔型式試驗(yàn)測試，最 大總風(fēng)量大于理論設(shè)計(jì)所需并留有足夠裕量，可滿 足高海拔下?lián)Q熱能力的使用需求。

根據(jù)NB/T 32004—2018的安規(guī)測試報告，逆變器的電氣間隙設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，海拔4000 m不降 額。逆變器在環(huán)境溫度45 ℃時，海拔低于3000 m的 區(qū)域能1.1倍過載運(yùn)行，海拔在3000～4000 m區(qū)域能 夠滿載即100%功率運(yùn)行。

4 PID防護(hù)和修復(fù)

4.1 PID現(xiàn)象及防護(hù)/修復(fù)原理

P I D（英 文 全 稱 是 P o t e n t i a l I n d u c e d Degradation），即電勢誘導(dǎo)衰減。光伏組件在長期 使用過程中其輸出功率會逐漸下降，主要是由光照 衰減和材料老化導(dǎo)致[4]，有些組件功率衰減竟高達(dá) 50%以上。組件衰減誘因很多，如光致衰減、老化 衰減、隱裂、電池片破裂，其中重要原因之一是組件 PID效應(yīng)。

組件PID對光伏電站發(fā)電量影響巨大，特別是 在溫度高、濕度大的東部分布式屋頂、水面等應(yīng)用 場景。實(shí)際電站運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，具有PID修復(fù)功能 的模塊，可以對已發(fā)生PID問題的組件進(jìn)行修復(fù)，使 組件各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)恢復(fù)正常。

從PID形成機(jī)理看，通過改變系統(tǒng)或電路結(jié) 構(gòu)，消除電池片與金屬邊框之間的負(fù)偏壓。可以修 復(fù)產(chǎn)生PID現(xiàn)象的組件?？刂芔對地電壓大于0，可 以防護(hù)和修復(fù)衰減組件。

4.2 PID防護(hù)和修復(fù)

逆變器的內(nèi)部已經(jīng)集成了使用直流側(cè)負(fù)極電位 抬升解決方案的PID模塊，可靈活處理白天PID防護(hù) 和夜間PID修復(fù)功能。

逆變器無需配置外置的PID防護(hù)盒，節(jié)省設(shè)備 及安裝成本。逆變器內(nèi)部集成PID直接抬升PV-對 地電壓≥0，從而達(dá)到防護(hù)和修復(fù)的目的，PID設(shè)計(jì) 原理如圖3所示。

4.2.1 PID工作模式

PID防護(hù)模式：當(dāng)直流側(cè)電壓上升至100 V左右時，啟動PID防護(hù)模塊，通過采集直流側(cè)PV對地電 壓，調(diào)整電壓輸入，使PV對地大地電壓為0 V。 PID修復(fù)模式：對于已經(jīng)發(fā)生PID現(xiàn)象的組件， 當(dāng)逆變器待機(jī)且直流側(cè)PV電壓低于50 V時，通過 APP設(shè)置進(jìn)入PID修復(fù)模式，調(diào)整PV對地輸出電壓 為500 V（默認(rèn)500 V，具體值通過APP可設(shè)），修復(fù) 光伏組件。

4.2.2 PID模塊對箱變要求

若低壓側(cè)繞組為Y型，中性點(diǎn)禁止接地；低壓 側(cè)交流防雷器L對PE電壓不低于1000 V，若選用3+1 方案，推薦防雷器UC750 V＼In10 kA＼Imax25 Ka；升 壓變壓器低壓側(cè)繞組、交流電纜及二次設(shè)備（包括 繼電保護(hù)、檢測計(jì)量及相關(guān)輔助設(shè)備）對地耐壓要 求不低于1000 V。

5 結(jié) 語

光伏逆變發(fā)電是當(dāng)前最清潔環(huán)保的發(fā)電途徑。 隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)苛，加之能源緊缺，氣候變 化，人們對電能的需求也在增多，因此太陽能光伏 發(fā)電設(shè)備的數(shù)量也在不斷增多[5]，光伏發(fā)電越來越 受到市場重視。由于光伏逆變器所處環(huán)境較為惡 劣，因此設(shè)計(jì)之初，應(yīng)當(dāng)考慮逆變器對不同環(huán)境的 適應(yīng)性。本文提出的逆變器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，可顯著 提升逆變器對不同環(huán)境的適應(yīng)能力，可以作為一種 逆變器產(chǎn)品更新升級的方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

王凱，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姎猱a(chǎn)品檢測與設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）