非隔離型光伏并網逆變器殘余電流保護設計方法

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發電系統，非隔離型光伏并網逆變器因其相對更高的轉換效率和功率密度以及更低的成本得到了廣泛的應用［1］。但由于這一應用方式中光伏陣列和電網之間無電氣隔離，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工作模式下產生漏電流，從而增加了安全隱患［2，3］。文獻［4］、［5］分析對比了目前應用于非隔離型并網逆變器的幾種主要拓撲，對它們在不同的PWM調制方式下產生漏電流的原理、大小等方面均作了詳細的分析和比較。但上述文獻并未對非隔離型并網逆變器殘余電流的特征和檢測及保護方式提出分析。

事實上漏電流的保護不僅僅針對非隔離型并網逆變器，對隔離型并網逆變器也有相同的要求，但殘余電流的保護卻是專門針對非隔離并網逆變器提出的要求。本質上作為非隔離型光伏并網逆變器處于非正常工作狀態所產生的漏電流的一種情況，殘余電流的大小一般遠遠超過逆變器正常工作時產生的漏電流。為了達到標準規定的殘余電流保護要求，在非隔離型光伏并網逆變器殘余電流保護設計中，殘余電流的采樣、檢測及計算方法尤為關鍵。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生的漏電流和標準所規定的模擬方法下的殘余電流波形，比較了二者的相對大小，進而針對殘余電流波形的特點提出了采樣及軟件計算方法，最后針對一款具體產品進行了實測并給出了測試波形和結論。

1 標準所規定的漏電流模擬測試方法

文獻［6－8］為針對目前并網逆變器產品殘余電流測試所使用的主要標準，其中IEC62109－2－2011［6］是IEC62109直接使用的標準，文獻［7，8］是文獻［6］所參考使用的標準。IEC62109－2－2011chap 4.8.3.5－Protection by residual current monitoring規定了并網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）與保護地（PE）短接，通過可調電阻和電容并聯的可調阻抗分別連接PV＋和PV－到保護地。通過調節阻抗的值并從與之串聯的電流表中讀取突變殘余電流的值，設定并檢測逆變器的殘余電流保護響應特性。對于連續性殘余電流（Continuous residual current）的測試，可先接入可調電阻R1并通過調節R1的值使連續殘余電流接近保護設定閾值，再通過開關并入R2，使連續殘余電流突然增大超出保護設定閾值，以檢測保護功能是否動作以及保護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，可先接入可調電容C1，并調節C1的值使殘余電流接近保護設定閾值，再通過開關并入電阻R1或R2，使殘余電流突然增大至超出保護設定閾值，以檢測保護功能是否動作以及保護時間是否符合限定要求。表1是根據標準規定而總結的具體判定條件。

圖1 IEC62109規定的殘余電流模擬方法

2 標準所規定模擬方法下的漏電流波形分析

為了減少PWM調制方式下因寄生電容產生的漏電流，并網逆變器需要采用合適的拓撲或者調制方式。從文獻［4］的分析以及仿真和試驗結論可知，對于H4全橋逆變器，只有采取雙極性調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制或類單極性調制，則必須要調整拓撲，增加直流側續流回路或交流側續流回路，文獻［5］的分析也得出相同的結論。針對江蘇博緯新能源科技公司研制的一臺實際產品，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節的H6拓撲作為逆變單元，并采用單極性調制，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規定的并網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下進行仿真，仿真參數為:Udc＝300V，Ucdc＝400V，Uac＝230V／50Hz，L1＝L2＝750μH，fs＝20kHz，Cpv1＝Cpv＝100nF，C1＝C2＝470pF，Po＝4.6kW，仿真結果如圖3所示。

圖2 非隔離光伏并網逆變器仿真模型

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次脈動成分。前者由電網電壓產生，后者由高頻開關切換產生，而在電網電壓過零處的高頻成分是由低頻管驅動信號死區引起。仿真結果說明，單極性調制的具有交流側旁路環節的并網逆變器，其正常工作狀態本身所產生的漏電流遠遠小于IEC62109－2－2011規定的殘余電流值。該漏電流的具體大小與寄生電容的大小，直流側電壓和電網電壓的相對大小，以及開關頻率的高低有關，在此不作詳細推導和分析。圖4是根據IEC62109－2－2011規定的并網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，當按照IEC62109－2－2011規定的并網逆變器殘余電流模擬方法進行模擬時，相比逆變器因自身寄生參數所產生的漏電流，前者占了主要成分，其波形仍然為開關次高頻成分和由電網電壓產生的工頻成分。因此可以得到如下結論:

圖4 殘余電流波形

（1）對于IEC62109標準所規定的殘余電流保護功能的檢測方法，可以通過從LN端口對總漏電流進行測試，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算方式。

3 殘余電流保護的設計與實驗結果

基于上述對于非隔離型并網逆變器殘余電流分析和對IEC62109標準所規定的殘余電流保護功能的檢測方法的驗證，在一款實際樣機中進行了測試。圖5所示為該樣機內部結構，除各寄生電容參數以外，其他基本電路參數和前述仿真電路參數一致。

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）生產的RCMU101B型漏電流檢測器。該傳感器采用開環磁通門原理，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。經過700Hz濾波后的采樣信號送AD口轉為數字處理，AD采樣頻率為20kHz，按照所捕獲的當前電網電壓周期對其進行數字有效值計算，并按IEC62109標準規定的保護要求設置保護門限和保護時間。

以該樣機為測試平臺，Intertek公司嚴格按照IEC62109標準，對殘余電流保護功能進行了測試，測試結果全部符合標準要求。具體測試波形如圖6（a）～（c）。

圖5 4.6 kHz非隔離并網逆變器樣機及漏電流采樣單元

圖6 測試波形

在圖6（a）中，當調節模擬阻抗 R1、R2，使漏電流突然增加30mA有效值后，逆變器在164.6ms后保護脫網；在圖6（b）中，當調節模擬阻抗使漏電流突然增加60mA有效值后，逆變器在64.6ms后保護脫網；在圖6（c）中，當調節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后保護脫網。

上述試驗保護的閾值和相應時間符合表1中的要求。

4 結 論

本文針對IEC62109標準對非隔離光伏并網逆變器殘余電流保護功能測試的具體模擬和測試方法，通過仿真分析以及Intertek認證公司對一款具體產品的認證實測，得出如下結論:

（1）對于具有交流側續流環節的單極性控制光伏并網逆變器，其由于光伏陣列分布電容和自身寄生電容所產生的漏電流，遠遠小于IEC62109標準規定的殘余電流保護限值。

（2）對于IEC62109標準規定的漏電流保護要求和實測方法，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前電網頻率進行周期有效值計算。將計算結果用于保護值比較，可以得到較高的準確度，完全滿足標準的要求。

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

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