隔離型光伏電站漏電流分析研究

耿后來，程 林，王 凱，李 順，顧亦磊

（陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

實現光伏發電系統的并網運行，需要通過逆變裝置進行功率變換。因此，逆變器作為光伏發電側和電網之間的接口，起到極為關鍵的作用。傳統的并網逆變器系統輸出端需要安裝變壓器隔離，以實現電氣隔離。然而，通過增加變壓器進行隔離會導致系統成本高、功率損耗大，系統整機效率下降。因此，非隔離型的光伏逆變器逐漸成為目前的研究熱點。

當前，非隔離光伏逆變器的整體效率得到了改善，但由于光伏發電側和電網直接連接，故系統回路阻抗相對較小，系統對地電壓將在光伏發電系統和大地之間的阻抗上形成較大的漏電流。該漏電流會引起并網電流畸變、電磁干擾等一系列問題，還可能使逆變器外殼帶電，對人身安全構成威脅[1-2]。

傳統的隔離型光伏并網變換器輸出擁有隔離變壓器，由于隔離變壓器繞組間阻抗相對較大且距離逆變器較近不存在對地絕緣異常問題，因此回路的漏電流得到了有效抑制，可以忽略。然而，基于成本等因素考慮，部分大型光伏電站采用非隔離型逆變器通過工頻升壓變壓器連接到高壓側電網，其中升壓變壓器的低壓側不接地且只有三相火線連接到逆變器，形成隔離型光伏發電系統。由于工頻升壓變壓器到逆變器之間線路較長，考慮施工損壞、線纜老化等因素，三相線電壓對地阻抗變差，導致對地有漏電流回路。它的對地漏電流回路不同于傳統的n線接地系統回路。文獻[3-6]雖然對非隔離型系統的漏電流進行了詳細建模分析，但是沒有對隔離型光伏發電系統的漏電流進行研究。

本文介紹漏電流保護要求，以單臺發電系統為例，深入研究隔離型光伏發電系統的漏電回路，進行等效建模，并對隔離型光伏發電系統的漏電流中的各成分進行詳細計算分析。針對漏電流中的直流成分，提出基于正負母線電容電壓不平衡因子的控制方法，并通過MATLAB進行仿真驗證；介紹漏電流中的工頻量提取方案，并通過實驗驗證理論分析的正確性；分析漏電流中的高頻分量，通過理論分析利用并聯阻抗的方案降低對地阻抗的漏電壓，進而達到降低漏電流的目的，并通過實際試驗驗證了分析及方案的正確性。

1 隔離型光伏電站漏電流分析

1.1 漏電流標準要求

根據NB/T 32004—2018標準第6.7.2.5條規定，在逆變器接入交流電網、交流斷路器閉合的任何情況下，逆變器都應提供殘余電流檢測（其為漏電流的一種）。殘余電流檢測應能檢測總的有效值電流，包括直流部分和交流部分。無論逆變器是否帶有隔離、與之連接點光伏方陣是否接地以及隔離形式采用何種等級（基本絕緣隔離或者加錢絕緣隔離），都需要對過量的連續殘余電流及過量的殘余電流的突變進行監控，限值如下。

（a）連續殘余電流。如果連續殘余電流超過如下限值，逆變器應當在0.3 s內斷開并發出故障發生信號：

（1）對于額定輸出小于或等于30 kVA的逆變器，300 mA；

（2）對于額定輸出大于30 kVA的逆變器，10 mA/kVA。

（b）殘余電流的突變。如果殘余電流的突變超過表1所列的限值，則應當在規定的時間內斷開。

表1 突變電流響應時間

IEC62109-2等標準也都對漏電流做了相同或相似的規定，因此需要對漏電流進行重點分析研究。

1.2 三相三電平逆變器漏電路模型分析

圖1為隔離型光伏電站多機并聯系統的等效圖，其中逆變器為非隔離型逆變器，變壓器1為第一級隔離升壓變壓器，不接地，故整體系統等效為隔離系統。由于電站建造面積大，對應的輸入側需要大量電池板串并聯得到直流側電壓VPVN（N≥1）。由于線路多、施工導致破損、老化等原因，直流側對地將會有阻抗。此外，空氣濕度等導致電池板對地有寄生電容和電阻。這些阻抗統一等效為直流側對地阻抗ZPVN（N≥1）。同時，交流側也需要大量的交流線纜進行匯流。由于施工導致破損、老化、變壓器對地阻抗及電容等原因，其對地將會有阻抗，分配到每臺對應阻抗ZACN（N≥1）?？紤]成本等因素，變壓器1沒有拉出n線，也沒有進行接地，因此整個光伏發電系統等效為隔離型光伏發電系統，其漏電流情況和目前的TN系統漏電流情況不同。

圖1 大型電站多機并聯系統的等效圖

將圖1的光伏電站進行等效，建立單臺光伏發電系統等效圖，如圖2所示。其中，電池板正負極對地阻抗分別為ZPX、ZQX，其受到環境、線路施工、材料絕緣特性等多方面影響；逆變器輸入有大電容C1、C2串聯，逆變器DC/AC三相橋臂輸出點分別為A、B、C；LA、LB、LC分別為三相濾波電感，電感輸出接濾波電容C3、LgA、LgB、LgC為線路等效阻抗；對于共?；芈?，還含有共模電抗，其連接到三相電網端口R、S、T；由于逆變器為非隔離型逆變器，故其需要實時檢測漏電流情況；Ileak即為逆變器的漏電流傳感器檢測的漏電流；三相電網線路對地分別有阻抗ZRX、ZSX、ZTX。

依據三相逆變器特性，當DC/AC為三電平拓撲時建立逆變系統的開關模型，故可知三相橋臂輸出電壓為：

式中，Vbus為DC/AC輸入側電壓，稱為母線電壓。正半周期，K相橋臂導通時，SK為1；負半周期，K相橋臂導通時，SK為-1。

圖2 單臺隔離性光伏發電系統等效圖

VKM為DC/AC高頻PWM斬波所得，其波形取決于系統調制算法。通常，提高直流側電壓利用率，系統會采用SVPWM調制，則VKM為含有基波成分、三倍頻諧波成分和高頻分量成分的PWM信號，其中高頻分量主要為開關頻率成分。

依據基爾霍夫定律，建立三相系統的回路方程：

考慮電網為三相對稱系統，考慮考慮物料一致性性，通常電抗LA=LB=LC，考慮交流側線路敷設基本相同，LgA=LgB=LgC，則共模成分電壓為：

故單機系統模型等效如圖3所示。圖3中有兩部分電源：一部分是電源VAK，其含有基波和共模成分分量等；一部分是電源電容C1兩端的電壓VC1和電容C2兩端的電壓VC2，其主要為直流成分。

圖3 三相隔離型系統等效示意圖

故可知隔離型光伏發電系統中，漏電流的成分主要有：

（1）直流分量成分；

（2）工頻分量成分；

（3）含三倍頻和開關頻率的共模分量成分。

1.3 漏電流求取及分析

由圖3及上文的分析可知，光伏發電系統的漏電流中直流分量和電容C1和C2上的直流電壓有關，漏電流中直流分量成分為：

式中，ZPX_R和ZQX_R為電池板正極對地的電阻值，ZAC為交流側阻抗ZRX、ZSX、ZTX的并聯值，為：

由圖3及上文的分析可知，光伏發電系統的漏電流中基波分量主要有三相電網電壓/三相調制波的基波決定，故逆變器檢測的漏電流中基波分量成分的計算結果為：

其 中，VAM_1TH、VBM_1TH、VCM_1TH分 別 為VAM、VBM、VCM中的基波分量值，ZACSA為ZSX、ZTX、ZPV的并聯值，ZACSB為ZRX、ZTX、ZPV的并聯值，ZACSC為ZRX、ZSX、ZPV的并聯值，ZPV為ZPX和ZQX的并聯值。

各個阻抗的詳細計算公式為：

由圖3可知，光伏發電的漏電流中共模分量成分主要由逆變器的輸出共模成分電壓決定，故逆變器檢測的漏電流中的共模成分分量成分為：

故可得單臺隔離型光伏發電系統的漏電流為：

由式（9）可知，隔離型光伏發電系統漏電流的成分比非隔離系統復雜得多。通過分析，漏電流主要由以下因素決定：

（1）電池板和線纜等直流側對地絕緣電阻和對地絕緣電容；

（2）交流側線纜對地絕緣電阻和對地絕緣電容；

（3）電網電壓幅值；

（4）逆變器三相濾波電抗和共模電抗及交流側線路阻抗等也有影響，且其感量要求一致性要好。

由式（4）可知，其中直流量由半母線電壓VC1、VC2和直流側對地阻抗ZPX_R、ZQX_R決定，直流側絕緣阻抗可以通過相關電路及方案進行檢測[7]。當直流通過時，電抗等效阻抗約為0，電容等效的阻抗為無窮大。當逆變器將將電容兩端電壓控制平衡（即VC1=VC2）時，如果ZPX_R=ZQX_R，則：

此時，M點的直流電勢和GND點的直流電勢相等，漏電流中的直流分量為0。

因此可知，當正負母線電壓VC1、VC2控制相等時，漏電流中的直流成分發生突變，一定是電池板對地電阻或者是交流側對地電阻發生改變。

工頻分量由逆變器輸出的電壓VAM、VBM、VCM決定，而當n點和大地的阻抗ZNX為0時，則此時系統等效為TN系統。此時，n點和GND相連，不論ZRX、ZSX、ZTX是否相等，其都等效為電網負載，故ZNX為0時理論上不含工頻分量。

對于三倍頻共模分量，其由逆變器調制算法決定注入形式，由調制度決定其注入量。因此，它為可控制的漏電流分量，可依據現場實際情況對其值做出調整。

從以上分析來看，隔離型光伏發電系統由于交直流系統對地絕緣情況不同，尤其是工頻分量漏電流，在TN系統中不會出現的量在隔離型系統中出現。當三相電網為不平衡系統時，它的分析計算更為復雜。當系統為多臺并聯時，漏電流的分析和單臺分析相同。

2 漏電流的控制監測提取及抑制

從漏電流的匯總式（9）可知，隔離性光伏發電系統的漏電流成分復雜，且漏電流值的大小依據逆變器調制方式、線路絕緣、器件特性及環境因素等不同而有很大的變化。故本文依據式（9）從漏電流的各個不同成分特征著手，監測漏電流中的不同成分值，進而對漏電流進行快速控制、監測、必要的告警和抑制。

2.1 漏電流中直流成分控制

從式（4）可知，漏電流中的直流分量成分受到正負母線電容電壓VC1和VC2的影響，即受逆變器控制影響。當正負母線電容電壓控制平衡時，它的直流分量成分完全由系統電阻決定。因此，必須要控制正負母線電容電壓，確保其平衡。

三相三電平逆變器空間矢量可以分為大矢量、中矢量、短矢量和零矢量。其中，零矢量和短矢量存在冗余狀態；零矢量和大矢量對中點電位沒有影響；中矢量對中點電位的影響是不可控的；冗余短矢量可以較好地控制中點電位。傳統的中點平衡算法正是利用這一特性，實現中點電位的平衡。然而傳統方案控制復雜，故本文采用一種基于功率流的中點不平衡方案來快速實現中點點位不平衡控制。

圖4中的兩個電容C1和C2參與了功率的傳輸，從直流側Pin傳遞到交流側的平均功率是P1和P2之和。以三相系統的中一相分析，當AC處于正半周期時，功率P1通過電容器C1傳輸至交流側；當AC處于負半周期時，功率P2則通過C2與功率傳輸時的逆變器的交流側。

因此，可以考慮引入不平衡因子m，其依據正負母線電容C1和C2的電壓而改變。不平衡因子m的計算公式為：

當正負母線電容電壓差值的絕對值超過預設值（如30 V），則啟動不平衡因子；當正負母線電容電壓差值低于預設值（如15 V），則關閉不平衡因子，即令m=1。通常情況下，調制波不進行處理。引入不平衡因子后，以A相調制波為例，其調制波調整為：

從式（12）可知，根據不平衡電容電壓的值產生不同的輸出電壓。當電容電壓較高時，將輸出更多能量，電容電壓將自動降低；而電壓較低的電容器將自動降低輸出能量，電容電壓將逐步增加。

2.2 漏電流中基波成分檢測

從漏電流式（9）可知，隔離性光伏發電系統不同于非隔離光伏發電系統的主要成分是多出了基波成分。通過基波成分大小，能較好地判斷系統的整體絕緣情況。對于基波成分，可參考FFT方式進行提取：

式中，Ileak(t)為漏電流實時值，Ts為工頻周期，sinwt和coswt由鎖相環得到。

當檢測到漏電流中的基波成分ILeak_1TH超過預設值，則說明：

（1）系統等效為IT系統；

（2）交直流側的絕緣阻抗較低，必要時需要提示客戶檢查系統絕緣是否有異常。

由于基波漏電流受到電網電壓和電網側對地絕緣的影響，不在逆變器的可控范圍內，因此基波漏電流逆變器沒有較好的控制手段。較好的方式是通過漏電流的基波分量提前檢測預警。漏電流中的工頻分量檢測只是一種方案，逆變器也可以采集三相對地電壓進行計算、判斷和處理。

2.3 漏電流中高頻成分抑制

漏電流中的共模成分分量有共模分量電壓導致，如式（3）所示，包含兩部分。第一部分為保持較高的母線電壓利用率，三相逆變器會在調制波中輸入三倍頻分量；第二部分為SPWM調制導致的高頻漏漏電流分量。下面針對這兩種漏電流成分分量優化進行分析介紹。

三相調制波為：

式中，Vz為注入的三倍頻漏分量，其大小及各次分量依據系統調制而定。

通常情況下，為增加直流母線電壓利用率[8]，Vz=Asin(3t)/6。而為了降低因為注入的漏電壓導致的漏電流，通常可取Vz=0。此時，系統為SPWM調制，直流母線電壓利用率最低。

考慮Vz為逆變器可控制的分量且為低頻分量，其幅值占比較低，因此其導致的共模成分電流對系統影響較低，故可以不做考慮。SPWM調制會導致較高的高頻共模電壓，導致較大的高頻共模電流，雖然其分量能通過不同的矢量選擇降低其幅值，然而其值依然較高，特別是當系統阻抗較低時，共模電流非常大。針對高頻共模電流大的問題，一種做法是增加共?；芈返淖杩梗珪^大幅度地增加成本；另一種方式是降低對地阻抗上的共模電壓，從而到達降低共模電流的目的。

對于逆變器而言，降低對地阻抗上的共模電壓可操作性的空間，較好的方式是通過并聯阻抗來達到目的。如圖5所示，通過在逆變器輸出的三相輸出端口a、b、c與直流側端口并聯阻抗，從而到達降低逆變器輸出端口阻抗目的。并聯后系統阻抗分得的共模電壓為：

式中，Zparr為外加并聯阻抗和系統對地阻抗ZAC及ZPV并聯后的阻抗值。

從式（15）可以看出，并聯后的阻抗值Zparr越小，系統對地阻抗分得的共模電壓值才能越小，故需要外加并聯阻抗越小?；诔杀?、效率和可實現性等方面考慮，外加并聯阻抗一種較優的方案是通過電容實現。

圖5 三相隔離型系統增加并聯阻抗等效示意圖

故將濾波電容C3公共點O或者C3的部分電容C4外拉出公共點O’與直流側端口連接。由于電容C1、C2的容值較大，故對于高頻分量而言，其阻抗幾乎為0。P、Q、M三點近似短路，三點都可以與O、O’點相連，都能降低對地阻抗上的共模電壓，進而降低高頻漏電流。此分析及方案對于單相系統同樣適用。

3 仿真及實驗驗證

3.1 中點電壓不平衡仿真驗證

為了驗證基于功率流的中點平衡算法的正確性，在MATLAB中搭建仿真模型，正母線電壓300 V，負母線電壓600 V，且正母線電容并聯500 Ω電阻，負母線電容并聯1 000 Ω電阻，對不平衡因子m進行上下限幅值，分別為1.1、0.9，仿真結果如圖6所示。從仿真結果來看，正負母線電壓得到快速控制，調節時間約為0.06 s，動態性能較好，從而驗證了此不平衡控制算法的有效性。

圖6 加入不平衡因子后的正負母線電壓仿真波形

3.2 工頻分量測試驗證

為了驗證理論分析正確性，按照圖2搭建了一實際并網逆變器平臺。電網線電壓為480 V，變壓器的n點不接地。在實際并網逆變器的PV-和電網A相對地都加1 μF的電容，流過電容的電流在MATLAB中進行FFT分析，結果如圖7所示。從分析結果來看，基波電流值為0.065 64 A，與理論值誤差0.003 A，且150 Hz量為基波電流值的一半，也與理論分析相同，驗證了理論分析的正確性。實際只需提取工頻分量，當檢測到的工頻分量超過預設值時，則進行預警提示客戶。

圖7 實際漏電流的FFT分析結果

3.3 高頻漏電流仿真驗證

按照圖2搭建一實際并網逆變器平臺，變壓器的n點接地，在Q點與大地間接上一個1 μF的電容。圖8為并聯電容前后的測試結果。從圖8（a）和圖8（b）的實驗結果可知：O’點和M點不并聯電容時，對地高頻漏電流為1.418 A；O’點和M點并聯電容后，漏電流變為50.94 mA?？梢?，采用并聯電容的方式后，漏電流大幅降低，驗證了理論分析的正確性。

4 結 論

本文建立了隔離型光伏發電系統的三相三電平光伏逆變器漏等效模型，并依據模型對系統漏電流的幾種主要成分分別進行分析，剖析其影響因素。采用基于功率流的中點不平衡控制方法，能夠快速有效地控制正負母線中點電位，進而降低逆變器的直流漏電流分量，并通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性。針對基波漏電流分析，提出基于FFT方式進行提取并進行判斷，然后通過實驗驗證了理論分析的正確性；基于阻抗分壓的分析方法，將濾波電容公共點和直流側任意一個端點相連，降低了系統對地的高頻共模電壓分量，進而達到降低系統共模電流作用，并通過實驗驗證了分析的正確性和處理措施的有效性。

圖8 并聯電容前后漏電流的實驗波形