浅谈并网光伏逆变器的漏电流保护

单位：浙江巨磁智能技术有限公司    作者：王冬/Justin

为了达成2030年碳达峰，2060年前实现碳中和，光伏行业将成为长期高速发展的新能源行业之一。预期2027年将保持70-120GW左右的新增装机量，2027年我国光伏发电行业累计装机量可能在827-938GW之间。（见下图1）


图1 我国光伏发电行业累计装机量预测

新能源作为未来发展焦点被大家所关注。其中光伏具有使用范围广、使用方便、无污染等优点。光伏逆变器作为光伏系统的一个重要设备，其作用至关重要，市场竞争激烈，国内众多光伏逆变器厂商均通过元器件国产化来降低生产制造成本，从而提高市场占有率。光伏逆变器的漏电流保护技术也是光伏的重要技术之一，同样饱受国内外厂商和用户的关注。        

一、光伏系统中产生漏电的原因

光伏系统中的漏电流，本质上是一种共模电流。原因是光伏系统与大地之间存在寄生电容。当寄生电容-光伏系统-电网形成回路时，共模电压会在寄生电容上产生共模电流。当光伏系统配备工频变压器时，由于回路中变压器绕组之间的寄生电容相对较高，可在一定程度上抑制回路中共模电压产生的共模电流。但是在没有变压器的光伏系统中，环路阻抗较低，共模电压会形成较大的共模电流。但有变压器型的逆变器，因为体积笨重、成本高、效率低等缺点，已经被市场淘汰。因此对光伏系统的漏电流问题需要格外关注。

在PV对地交流电压和PV对地电容的作用下，交流电压会在对地电容上产生电流。该电流通过主线路和地线形成回路，这个电流即是系统漏电流，也称之为系统共模电流，是光伏系统的固有特征之一。高频共模电流不仅会增加系统损耗， 产生并网电流谐波，还会造成电磁干扰等问题， 甚至会威胁人身安全。光伏逆变器PV端子与大地之间由于共模电压的存在而具有寄生电容。当逆变器通电运行时，共模电压使PV - 逆变器 - 电网 - 大地之间形成回路，从而产生漏电流，如图2所示


图2  PV - 逆变器 - 电网 - 大地之间形成回路

在光伏逆变器中，晶硅组件为浮地系统，而组件的边框做接地处理，这就导致组件表面对大地存在一定的电压，一般为1/2 PV直流母线电压。由于该电压的存在，组件和大地之间就等效出现了一个寄生电容。

太阳能电池板的外形、 脏污程度以及内部结构等因素都会影响寄生电容的大小。在湿度较大的地区或是遭遇雨雪天气， 电池板金属外壳非常容易吸附导电水膜， 容易增大寄生电容的等效面积， 从而增大电容值。（如图3所示）


图3  C1：胶膜和玻璃上的水之间的寄生电容
C2：晶硅层和接地支架之间的寄生电容
C3：晶硅层和屋顶表面之间的寄生电容

若光伏系统出现了绝缘等故障，一根动力线和站在大地上的人接触（如下图4），此时会有一个额外的电流流过，这个电流也被称为“残余电流”。

残余漏电流具有突变的特性，与系统漏电流具有明显的差别。标准规定残余电流不得大于30mA，否则会给人体带来伤害。

系统漏电包括容性交流漏电流和阻性直流漏电流，标准规定系统必须直流量和交流量都检测到；针对人意外触电的保护，在工作中的光伏系统，若出现绝缘故障情况会导致人员触电，会有残余电流流过人体，逆变器也必须要准确检测到这个突变量，及时保护，且保护时间需满足标准要求。光伏系统的漏电检测须同时满足这两部分的检测


图4 光伏系统中需对残余电流的检测以保护人身安全

为保证人员安全，一旦发生残余电流大于等于30mA，除了绝缘保护外，电气设备要在最短的时间内和电网断开。那么接下来我们一起来看看国内外的一些相关标准对此的规定。

二、光伏系统的漏电保护相关标准

根据国家能标NB/T 32004-2013标准7.10.2规定（如图5），在逆变器接入交流电网且交流断路器断开的任何情况下，逆变器都应提供漏电流检测功能。漏电流检测应能检测总包括直流和交流部分有效值的电流、连续剩余电流。如果连续剩余电流超过以下限值，应断开逆变器并在0.3s 内发出故障信号：
1> 对于额定输出不大于30KVA、300mA的逆变器。
2> 适用于额定输出大于30KVA、10mA/KVA的逆变器。


图5 《NB/T 32004》

根据IEC62109-2的4.8.3.5通用要求中提及的关于残余漏电流的要求，对于非隔离光伏逆变器的漏电检测限值要求是一样的（如下图6）


图6 《IEC62109-2》

三、针对光伏系统的漏电流的RCMU器件

按照漏电流检测的漏电波形进行分类，漏电传感器可以分为AC型漏电传感器、A型漏电传感器、B型漏电传感器
（1）AC型剩余电流保护装置：只对突然施加及缓慢上升的正弦交流剩余电流进行可靠保护。
（2）A型剩余电流保护装置：在AC型的基础上增加了对含有脉动直流分量的剩余电流进行可靠保护。
（3）B型剩余电流保护装置：在A型基础上又增加了对平滑直流漏电以及高频复合波剩余电流进行可靠保护。

从下图7中可以看出B型的漏电传感器保护范围更广，适用于交流电流、脉动直流、平滑直流电流等。


图7 不同种类的漏电流

光伏系统的漏电流表现为两个特点，一是成份复杂，在直流转化交流的逆变过程中，有直流部份，也有交流部份；二是所产生副边漏电流的值很少，一般为毫安级别。这就对漏电流检测精度要求较高，需要专用的漏电流传感器。国内外的光伏标准均有规定：对于光伏漏电流的检测须采用TypeB的RCD，也就是交直流漏电流均能测量的电流传感器。根据IEC60364-7-712和NBT32004以及 GB/T 16895.32中对残余电流RCD保护保护的要求都是使用Type B型RCD；如下图8 ~ 图10


图8《IEC60364-7-712》


图9《NB/T32004》


图10《GB/T 16895.32-2021》

RCMU在光伏逆变器中作为一个必不可缺的安规器件，国内外各相关标准都要求加装B型漏电保护装置。故国内外各大逆变器厂商都会对RCMU这一器件的功能进行必要性的声明，如图11所示


图11 各逆变器厂商RCMU声明


四、光伏系统中的漏电保护故障原因

在正确安装了漏电保护器后，依然存在一些因素会导致漏电保护误动作或不动作。

1、光伏发电系统中的支架和逆变器外壳都有防雷安全接地，通常该漏保应该是可以正常运行的。但由于光伏电站的实际情况较复杂，雨水侵入汇流箱、配电箱等导致接线对地短路或漏电的现象，导线老化、线路和用电设备绝缘电阻低、泄漏大、甚至接地，会致使保护器频繁动作。不仅影响光伏电站的正常发电，也会产生一些安全隐患。
2、对于在配电箱内配备防雷系统的，需要检测相关防雷压敏元件的质量和长期稳定性。特别是历经严重雷击后，会对一些防雷压敏元件造成不可恢复的损伤，这种问题比较常见。发现有漏电故障的压敏元件要及时更换，否则将导致漏保频繁误动作。
3、由于环境潮湿、进水等原因导致逆变器内部绝缘降低，也是引起漏保频繁动作的原因之一，要注意将逆变器安装在干燥、防水和通风的位置上。

五、RCMU在应用时应规避的方面

1、因每个厂商的计算逻辑都不一样，在此之前需与逆变器厂商做充分的沟通。因为每一家逆变器厂家的动作阈值计算策略都不一样，在设定这个动作限制之前，要了解厂商的漏电计算机制是Vout-V0或者是Vout-Vref。充分了解这个逻辑后再设置传感器的相关参数，这个步骤是非常关键的。Vout-V0的逻辑可以有效消除零点的偏差值，而Vout-Vref的逻辑可以消除外界温度所带来的对Vref的影响，零点的输出与Vref的差值要有所控制。例：要把动作阈值控制在某个动作限值公差的±1mA以内，若以Vout-Vref逻辑来做动作值判断，因叠加了V0与Vref之间的差值，那么1mA所对应的电压最大值不会按照传感器的理论增益计算所得。
2、逆变器板端的电磁干扰较为严重。在PCBA上一些常规继电器、电容电感等产生的干扰是容易被识别排查到的。然而有一些干扰源是不能在PCBA板端被发现的，比如一些逆变器厂商在做散热结构的设计，不会用到散热风扇而是考虑采用灌胶电感，灌胶后的电感作为一个整体安装在逆变器PCBA板外部（如下图12）。这种方案和把电感安装在逆变器内部相比在散热方面具有2大优势：
①空气的导热系数为0.023W/m·k，铝导热系数为是160 W/m·k，硅胶导热系数约为1.2 W/m·k。采用灌胶工艺的电感，相当于散热面积积扩大了3-4倍，散热速度提高了10多倍，因此可以降低电感温度。
②由于电感是逆变器第二发热元器件，电感和PCBA板分开安装，热量直接向外散发，不会提升逆变器内部温度。
然而这个时候安装在PCBA板端的RCMU会容易受到下方逆变电感的干扰，引起RCD不能准确在规定的动作阈值内精准执行。为解决这个问题，可以从两方面入手：①RCMU的摆放位置尽可能远离干扰源；②摆放位置无法更改时，使RCMU尽可能做屏蔽处理


图12 逆变电感


六、Magtron 公司的交直流漏电检测方案

Magtron基于iFluxgateTM技术的SoC芯片方案，将RCMU进行了数字化集成，将磁通门技术进行底层技术的升级，使得逆变器模块化设计可以更加便捷，最大幅度降低了系统资源整合的成本，为全球光伏逆变器厂商提供了优良性能高性价比的RCMU漏电流检测方案。






----------------------------------------参考文献------------------------------------------
1.  《如何控制漏电流危害—光伏逆变器》--- www.guangfu.bjx.com.cn
2.  《深入了解逆变器里面的电感》--- www.jiapv.com
3.  《NBT 32004-2018 光伏并网逆变器技术规范》
4.  《IEC62109-2 Safety of power converters for use in photovoltaic power systems》
5.  《IEC60364-7-712 Requirements for special installations or locations–Solar
  photovoltaic (PV) power supply systems》
6.  《GB/T 16895.32-2021 特殊装置或场所的要求 太阳能光伏( PV )电源系统》