光伏系統漏電流檢測及抑制研究

趙愛光　王占永

摘 要：在非隔離的光伏并網發電系統中，檢測及抑制漏電流是一個關鍵技術，成為光伏行業研究的熱點，逆變器則在光伏系統中承擔了檢測及抑制漏電的作用，保證了光伏系統的安全。本文主要解析光伏系統漏電流產生的原理，同時逆變器通過電路拓撲來抑制漏電流的產生，同時實時檢測光伏系統的漏電流大小，如果漏電流超過安規值，則停止光伏發電系統。

關鍵詞：光伏發電 逆變器 漏電流 非隔離 拓撲

一、光伏并網發電系統簡介

光伏并網發電系統通常是由太陽電池板陣列、接線箱、逆變器、電表盤和電網組成，系統的核心是光伏并網逆變器。太陽光照射在太陽電池板表面，太陽電池板陣列輸出的直流電，經光伏并網逆變器最大功率點跟蹤控制、逆變后，產生與電網電壓同頻、同相的交流電，送入電網中。

隨著現在國家倡導的發展新動能，加快新舊動能轉換，太陽能作為一種清潔能源得到了廣泛應用，其中包括光伏并網發電系統。傳統的光伏并網發電系統是將光伏板與電網之間加工頻變壓器變壓器隔離，實現電氣隔離，保證系統及人身安全。近幾年為提高系統效率，降低系統成本，將工頻變壓器變壓器省掉，但隨之而來的就是系統會產生漏電流，如果不加以檢測及抑制，勢必會造成系統安全。

二、光伏并網發電系統產生漏電流的原理

光伏系統漏電流，又稱方陣殘余電流，本質為共模電流，其產生原因是光伏系統和大地之間存在寄生電容，當寄生電容-光伏系統-電網三者之間形成回路時，共模電壓將在寄生電容上產生共模電流。當光伏系統中安裝有工頻變壓器時，由于回路中變壓器繞組間寄生電容阻抗相對較大，因此回路中共模電壓產生的共模電流可以得到一定抑制。然而在無變壓器的光伏系統中，回路阻抗相對較小，共模電壓將在光伏系統和大地之間的寄生電容上形成較大的共模電流，即漏電流。

三、光伏并網發電系統產生漏電流的危害

由于光伏組件與公共電網是不隔離的，大面積的太陽能光伏組件與地之間存在較大的分布電容，因而形成了有寄生電容、濾波元件和電網阻抗組成的共模諧振回路。共模電壓加在寄生電容上就會產生漏電流，光伏并網發電系統中的漏電流，包括直流部分和交流部分，如果接入電網，會引起并網電流畸變、電磁干擾等問題，對電網內的設備運行產生影響；漏電流還可能使逆變器外殼帶電，會對人身安全構成威脅。

四、光伏并網發電系統漏電的檢測及抑制策略

1、光伏并網發電系統漏電流的檢測

光伏并網發電系統漏電流的檢測主要是在光伏并網逆變器中完成，逆變器中安裝有漏電流互感器，實時檢測光伏并網發電系統的漏電流，并根據漏電流大小發出保護信號，以此來保護光伏并網發電系統及人身安全。

根據NB32004-2013標準第7.10.2條規定，如果逆變器檢測到漏電流大小超過下面限制，逆變器應該在0.3s內斷開并發出故障信號：

1）對于額定輸出小于或等于30KVA的逆變器，300mA；

2）對于額定輸出大于30KVA的逆變器，10mA/KVA。

2、光伏并網發電系統漏電流抑制控制策略

目前，漏電流抑制技術已成為光伏并網系統研究中的熱點問題，各位高校研究機構和廠家都在研究，漏電流的大小取決于光伏PV和大地之間的寄生電容Cpv，和共模電壓變化率，寄生電容其值與外部環境條件、光伏電池板尺寸結構等因素有關，一般在50～150nF/kW左右，共模電壓變化率則和逆變器的拓撲結構、調制算法等因素有關。

對于傳統單/三相無變壓器型光伏并網逆變器拓撲，共模電流（漏電流）有效抑制的兩個基本條件為：各橋臂電感值選取一致；采用非零矢量合成參考矢量，使得共模電壓保持恒定。

（1）全H4橋拓撲

為了解決全H橋光伏逆變器中漏電流的問題，可以使用雙極性PWM調制。這種調制消除了共模電壓對板的高頻成分，從而共模電壓一般只有一次諧波的低頻分量，從而減少漏電流的影響。

（2）H5拓撲結構

這種拓撲結構相比于全橋只需要增加一個的晶體管，這就是它命名H5的原因。電流續流期間將光伏電池從電網斷開，以防止面板兩極對地電壓隨開關頻率波動，從而保持共模電壓幾乎不變。

（3）HERIC拓撲

HERIC交流旁路拓撲，其工作原理如下：正半周期內，開關S5始終關斷而S6始終導通、S1和S4以開關頻率調制。當S1和S4導通時，和電壓分別為Udc和0，此時共模電壓=Udc/2；當S1和S4關斷時，電流經S6、S5反并聯二極管續流，和電壓均Udc/2，此時共模電壓=Udc/2。

（4）H6拓撲結構

H6直流旁路拓撲，其工作原理如下：正半周期內，開關S1和S4始終導通，S5、S6和S2、S3交替導通。當S5、S6導通，S2、S3關斷時，此時共模電壓=Udc/2；當S2、S3導通，S5、S6關斷時，電流續流路徑有2條：（1）S1、S3反并聯二極管，（2）S4、S2反并聯二極管。二極管D7和D8將電壓鉗位至Udc/2，此時共模電壓=Udc/2。負半周期內共模電壓也是Udc/2，因此漏電流可以得到有效抑制。

除了以上的幾個拓撲結構外，采用3電平或者5電平等多電平技術，可以降低組件正負極對地的電壓，也可以減少漏電流。

總結

總之，隨著對系統成本要求原來越低，非隔離光伏并網發電系統成本趨勢，但只有將漏電流的檢測及抑制做到最好，才能保證整個系統的正常運行，保證光伏并網發電系統及人身安全。