光伏逆變器殘余漏電流與方陣絕緣阻抗的檢測(cè)研究

陳信勇，賴崢

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

前言

工業(yè)和科技的高速發(fā)展引發(fā)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題備受關(guān)注，世界各國(guó)積極研究新能源的使用技術(shù)和拓展新能源的應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)也大力倡導(dǎo)綠色可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能作為新能源中重要的可再生資源之一，成本低，可靠性強(qiáng)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)安全的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，成為目前光伏新能源應(yīng)用科技研發(fā)的基礎(chǔ)要求。

光伏逆變器并網(wǎng)性能與電氣安全檢測(cè)的項(xiàng)目多達(dá)50多個(gè)，其中包括過(guò)欠壓保護(hù)，過(guò)欠頻保護(hù)，防孤島效應(yīng)等是光伏逆變器并網(wǎng)性能的重要指標(biāo)，方陣殘余漏電流與方陣絕緣阻抗作為光伏逆變器的的重要電氣安全指標(biāo)，其對(duì)防止人員的接觸觸電與相關(guān)技術(shù)員對(duì)漏電流傳感器的選型具有重要意義，對(duì)其的測(cè)試要求和設(shè)計(jì)的研究成為檢測(cè)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

本文針對(duì)功能接地陣列非隔離小功率光伏逆變器提出了殘余漏電流與絕緣阻抗檢測(cè)的分析，從原理上分析測(cè)試設(shè)備影響。對(duì)于漏電流傳感器的選型和方陣絕緣的阻抗，從標(biāo)準(zhǔn)上詮釋方陣絕緣阻抗對(duì)于非隔離逆變器測(cè)試漏電流時(shí)的影響。

1 殘余漏電流

1.1 關(guān)于殘余漏電流

共模漏電流主要來(lái)源于光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)地的寄生電容產(chǎn)生的諧振電路，對(duì)于人員安全有比較大的隱患。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)-大地形成回路，從而產(chǎn)生漏電流。如圖1所示。

圖1 光伏逆變器方陣殘余漏電流原理圖

光伏單相全橋逆變電路中，分布電容C4的大小與光伏板的材料與當(dāng)?shù)丨h(huán)境具有很強(qiáng)的關(guān)系，在電路中橋臂由于共模也會(huì)與大地產(chǎn)生寄生電容C2，C3，也會(huì)產(chǎn)生漏電流且電網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生漏電流。所以漏電流應(yīng)該具有交直流分量，在測(cè)試中，需要具有AC+DC檔位的電流表或者示波器來(lái)測(cè)量。如圖2所示。

圖2 光伏單相全橋逆變電路殘余漏電流

1.2 漏電流傳感器選型的分析

漏電流傳感器用于在設(shè)備絕緣失效情況下提供保護(hù)，是設(shè)備自身保護(hù)措施的一種補(bǔ)償。

按照漏電電流含有的直流分量特性進(jìn)行分類，漏電流傳感器可分為AC型漏電流傳感器、A型漏電流傳感器和B型漏電流傳感器。

AC型漏電傳感器對(duì)交流型漏電流敏感，用于檢測(cè)交流型的漏電流。A型漏電傳感器的功能除了檢測(cè)交流型的漏電流外，也能檢測(cè)脈動(dòng)型漏電流。依據(jù)IEC 61008-1 and IEC 61009-1，A性漏電傳感器可以承受6 mA的平滑直流電流。B型漏電傳感器的漏電流檢測(cè)范圍更廣，適用于交流電流、脈動(dòng)直流電流、平滑直流電流等。對(duì)漏電傳感器的選型要求，IEC 62109-1附件E給出了指導(dǎo)。

對(duì)于大于16 A或固定布線的并網(wǎng)光伏逆變器，且逆變器未采取其他方法抑制在正?；蛘吖收蠗l件下產(chǎn)生的直流分量，A型和AC型漏電傳感器不能滿足要求，僅B型漏電流傳感器在漏電流檢測(cè)范圍和漏電流類型可以滿足要求。

如果逆變器帶有獨(dú)立認(rèn)證的RCD保護(hù)裝置，且保護(hù)裝置設(shè)置值為30 mA，或者不帶獨(dú)立認(rèn)證的RCD保住裝置，但其說(shuō)明書(shū)中規(guī)定逆變器必須外接RCD并且規(guī)定RCD類型，則無(wú)需測(cè)試殘余漏電流。對(duì)于隔離逆變器，如果危險(xiǎn)漏電流小于30 mA，著火漏電流小于300 mA（額定輸出小于30 kVA)，10 mA/kVA（額定輸出大于30 kVA逆變器），則可以不用增加RCD/RCM保護(hù)裝置。

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法

根據(jù)IEC 62109-2的關(guān)于殘余漏電流的要求，對(duì)于不接地陣列的非隔離光伏逆變器將進(jìn)行如下兩種測(cè)試：①連續(xù)殘余漏電流：如果連續(xù)殘余漏電流超過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)，逆變器將在0.3 s內(nèi)關(guān)斷并發(fā)送故障信號(hào)：300 mA，當(dāng)逆變器持續(xù)輸出功率≤30 kVA。10 mA /kVA的持續(xù)額定輸出，當(dāng)逆變器持續(xù)輸出功率>30 kVA。②突變殘余漏電流：逆變器突變殘余漏電流如果超過(guò)如表1值，應(yīng)該在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)報(bào)故障并斷開(kāi)電網(wǎng)。

表1 突變電流響應(yīng)時(shí)間

1.3.1 非隔離逆變器殘余漏電流的測(cè)試

殘余漏電流測(cè)試電路如圖3，在光伏輸入端加入開(kāi)關(guān)和可調(diào)變阻器。

以PV-端的殘余漏電流測(cè)試為例，如圖3殘余漏電流的測(cè)試原理圖。按照測(cè)試要求，必須能夠準(zhǔn)確測(cè)出逆變器斷開(kāi)電網(wǎng)所需要的時(shí)間，因此需要采用能夠準(zhǔn)確采集到S2的開(kāi)關(guān)信號(hào)的設(shè)備。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，采用示波器進(jìn)行開(kāi)關(guān)信號(hào)補(bǔ)抓是比較精確和方便，直接檢測(cè)圖中電流表位置或B點(diǎn)位置的電流降為0的時(shí)間與并入電網(wǎng)的L或N端的電流時(shí)間，計(jì)算時(shí)差是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在實(shí)際操作時(shí)，由于電流探頭的長(zhǎng)度限制，測(cè)試電流無(wú)法準(zhǔn)確獲得斷開(kāi)時(shí)間?？梢圆捎猛饨有铍姵貦z測(cè)斷開(kāi)瞬間的電壓替代電流突變?yōu)?的時(shí)間。如圖4蓄電池的簡(jiǎn)圖，使圖3中的C點(diǎn)與D1相連，D2與示波器電壓探頭負(fù)極相連，圖3中B端與示波器電壓探頭正極相連，用于檢測(cè)S2斷開(kāi)瞬間的電壓變化。示波器采集電池的電壓信號(hào)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集。在并網(wǎng)端連接交流電源端L或N處，如A，采用交流電流探頭檢測(cè)并網(wǎng)情況。

圖4 蓄電池簡(jiǎn)圖

殘余漏電流測(cè)試方法如下：

1）根據(jù)圖3和上述并入蓄電池的方法連接好測(cè)試線路圖，閉合S1，調(diào)節(jié)R1,直到逆變器保護(hù)，記錄此時(shí)的殘余漏電流值。

2）斷開(kāi)S1，再次啟動(dòng)逆變器，閉合S2，調(diào)節(jié)R1到1）所記錄的殘余漏電流值減去10 mA。

3）斷開(kāi)S1，閉合S2，調(diào)節(jié)R2的值到20 mA。

4）斷開(kāi)S2，閉合S1，閉合S2，記錄逆變器的保護(hù)時(shí)間。5）重復(fù)測(cè)試5次，限值0.3 s。

測(cè)試得到的波形如圖5。

圖5 連續(xù)殘余漏電流

1.3.2 突變殘余漏電流測(cè)試

突變殘余漏電流測(cè)試連接方式也參考圖3檢測(cè)的漏電流和并網(wǎng)端電流。

同樣，采用圖3、蓄電池和示波器連接方法測(cè)試步驟如下：

圖3 殘余漏電流測(cè)試原理圖

1）連接好測(cè)試線路圖，閉合S3，調(diào)節(jié)可調(diào)電容箱，直到逆變器保護(hù)，記錄此時(shí)的殘余漏電流值。

2）斷開(kāi)S3，再次啟動(dòng)逆變器，閉合S3，調(diào)節(jié)可調(diào)電容箱直到1所記錄的值減去1.5倍突變殘余電流的值（30 mA，60 mA，150 mA）。

3） 斷開(kāi)S3，閉合S2,調(diào)節(jié)R2，使得阻性電流值達(dá)到所要求的電流值（30 mA，60 mA，150 mA）。

4）啟動(dòng)逆變器，先接入可調(diào)電容箱,再接入R2，記錄逆變器保護(hù)時(shí)間。

5）重復(fù)測(cè)試5次，限值如表1。

交流輸出端電流波形、采集的蓄電池開(kāi)關(guān)信號(hào)值如圖6所示。

圖6 變殘余漏電流測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)該注意交流端的地線是否為虛地，交流源（電網(wǎng)）的N線與地線在正常情況下，電勢(shì)差應(yīng)該為1V左右，如出現(xiàn)太大偏差，那么作為參考電平的N線應(yīng)該是有問(wèn)題的，測(cè)試將出現(xiàn)電壓跑偏現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為測(cè)試PV+地時(shí)，電壓跑偏到PV-對(duì)地，測(cè)試PV-對(duì)地時(shí)，電壓跑偏到PV+對(duì)地。所以在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)首先確定N線與地線的電勢(shì)差。注意，原理圖中所用的電流表應(yīng)該為可以同時(shí)檢測(cè)出AC+DC檔的萬(wàn)用表（殘余漏電流是交直流）。使用AC+DC檔的萬(wàn)用表測(cè)試值如圖7（a）與DC檔的萬(wàn)用表測(cè)試如圖7（b）所測(cè)的漏電流值有較大差異，影響測(cè)試準(zhǔn)確度。

圖7 萬(wàn)用表測(cè)試值

2 方陣絕緣阻抗

2.1 關(guān)于不接地陣列方陣絕緣阻抗

方陣絕緣阻抗保護(hù)是保證逆變器的直流電阻不會(huì)過(guò)低造成安全隱患，其作用是通過(guò)電路檢測(cè)保證流過(guò)PV端到地的直流電阻的漏電流超過(guò)如表1所示漏電流的值，逆變器將會(huì)保護(hù)，對(duì)于不接地陣列逆變器從PV到地設(shè)計(jì)的電阻值不能低于R=Vmaxpv/漏電流值，由于30 mA，60 mA，150 mA為突變漏電流值，30 mA為最小值，所以R不得小于Vmaxpv/30 mA。

2.2 相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與方法

IEC 62109-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將小于限定值90 %的測(cè)試電阻接入PV到地中，逆變器應(yīng)做出相關(guān)動(dòng)作，這里的測(cè)試電阻為0.9*（Vmax/30 mA）。在測(cè)試中將R=0.9*（Vmax/30 mA）的電阻Rt分別接入PV+與PV-到地之間，觀察逆變器是否報(bào)故障。如果阻抗小于此限值R，對(duì)于隔離逆變器，顯示一個(gè)故障直至阻抗恢復(fù)到該限值以上；對(duì)于非隔離逆變器或隔離逆變器且防火災(zāi)傷害類的殘余電流測(cè)試結(jié)果不滿足要求的，顯示一個(gè)故障且不并網(wǎng)。如圖8所示。

圖8 測(cè)試簡(jiǎn)圖

在逆變電路與主電路非隔離時(shí)，因絕緣阻抗保護(hù)功能光伏陣列與地之間有聯(lián)系，應(yīng)考慮絕緣阻抗保護(hù)功能的影響。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62109-2的4.8.3.3中對(duì)隔離逆變器的防火災(zāi)傷害類的殘余電流測(cè)試要求，可以失效絕緣阻抗進(jìn)行測(cè)試。因此，測(cè)試人員應(yīng)注意區(qū)分逆變器的隔離情況，再判定是否能夠通過(guò)失效方陣絕緣阻抗后再進(jìn)行殘余電流的測(cè)試。而不是在殘余電流測(cè)試不合格時(shí)直接失效方陣絕緣以達(dá)到殘余電流符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 減小漏電流的方法

在逆變器變流器的檢測(cè)中，殘余漏電流檢測(cè)是必不可少的項(xiàng)目，但是，無(wú)論是殘余漏電流檢測(cè)還是方陣絕緣阻抗檢測(cè)，都是為了將漏電流對(duì)使用者的傷害降低到最小。

通過(guò)如上所述漏電流產(chǎn)生的原因，可以得出減小漏電流的方式：①通過(guò)開(kāi)發(fā)研究新的電路導(dǎo)電材料來(lái)減小寄生電容可以有效遏制漏電流；②對(duì)于IGBT晶體管輸出控制的調(diào)整也可以實(shí)現(xiàn)減小漏電流。單極性調(diào)節(jié)方式只能使得輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)輸出一個(gè)單極性電壓或者零電壓，可以產(chǎn)生共模電流；而雙極性調(diào)節(jié)方式在一個(gè)周期內(nèi)的輸出電壓一直在一個(gè)極性電壓下，可以減小漏電流。解決漏電流的方式有很多，改良電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加元器件濾波，都可以達(dá)到改善漏電流。

另外，為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在檢測(cè)中應(yīng)注意選用合適的檢測(cè)設(shè)備，得出正確的數(shù)據(jù)，對(duì)于非隔離型逆變器在測(cè)試殘余漏電流時(shí)應(yīng)注意方陣絕緣阻抗功能的影響。

4 總結(jié)

本文主要是以功能接地陣列非隔離小功率光伏逆變器的殘余漏電流與絕緣阻抗的深入分析。漏電流是一種交直流分量共有的電流形式，注意選用可以同步測(cè)試交/直流的設(shè)備和B型漏電流傳感器。對(duì)于非隔離逆變器的殘余漏電流測(cè)試中，應(yīng)考慮絕緣阻抗功能的影響。