組串式光伏逆變器電氣絕緣設計

喻亮亮 蘇家財 蔣勇亮 林金波 張健

摘要：組串式光伏逆變器直流電壓最高至DC1 500 V，交流電壓可達AC800 V，各個環節均存在人工帶電操作的情況，因此電氣絕緣設計極為重要。鑒于此，從逆變器設計及工程應用出發，遵循光伏逆變器的安規標準，提出低成本的電氣絕緣設計方案，既滿足了各類型的電氣間隙和爬電距離要求，又能控制成本，從而適應市場需求。

關鍵詞：組串式光伏逆變器；絕緣設計；電氣間隙；爬電距離

中圖分類號：TM615? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0023-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.007

0? ? 引言

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，我國電力能源結構逐漸發生轉變，從主要依靠化石能源的能源體系向零碳的風力、光伏和水電轉變。光伏發電作為新能源的主體之一，被廣泛應用于大型地面電站、水面電站、工商業屋頂發電、光伏扶貧等場景，具有較好的經濟效益。組串式光伏逆變器，方便戶外安裝，集成了較多光伏發電所需的附加功能，例如光伏組件PID抑制[1]、光伏組件故障識別等，更適應各類光伏發電應用，未來，組串式光伏逆變器占比將達到60%以上。組串式光伏逆變器目前市場競爭激烈，且涉及高壓直流和交流技術，本文將從工程設計出發，以較低的成本獲得滿足應用的電氣絕緣設計。

1? ? 組串式光伏逆變器絕緣分類

1.1? ? 組串式光伏逆變器組成

以直流側為1 100 V、交流側為380 V的組串式光伏逆變器為例，如圖1所示，電路拓撲包括最大功率點跟蹤（MPPT）電路[2]、交流逆變電路、控制及通信電路、交直流接口電路和通信接口等。

MPPT電路能夠實時偵測太陽能板的發電電壓，并追蹤最高電壓/電流值（VI），使系統以最大功率輸出。最大功率點跟蹤系統是一種通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統，是光伏發電的核心電路系統。MPPT電路在光伏逆變器中一般為BOOST電路。

光伏電池板的直流電通過MPPT電路進行最大功率跟蹤和升壓后，由交流逆變電路變換為交流電壓，通過變壓器或直接并聯接入電網。

控制及通信電路的功能包括：MPPT算法的實現，逆變跟網運行、孤島運行、故障穿越，逆變器硬件狀態監視，對外通信等。

接口電路分為直流接口、交流接口、通信接口電路，用于連接外部的一次、二次線纜，包括從光伏電池板來的直流線纜、至電網的交流線纜以及通信線纜等。

1.2? ? 組串式光伏逆變器絕緣等級劃分

根據光伏逆變器能源行業標準NB/T 32004—2018《光伏并網逆變器技術規范》，光伏逆變器中存在功能絕緣、基本絕緣、加強或雙重絕緣[3-4]等絕緣等級劃分。

對圖1的逆變器示意圖進行簡化，并標注各點絕緣位置，如圖2所示。

在圖2中，各點的絕緣位置包括：直流輸入正與負之間的絕緣位置①；直流母線正與負之間的絕緣位置②；交流輸出線間的絕緣位置③；直流與外殼之間的絕緣位置④；交流與外殼之間的絕緣位置⑤；控制器與一次電路之間的絕緣位置⑥；通信接口與控制器之間的絕緣位置⑦。

逆變器的外殼接地，根據標準[3]中對各絕緣等級的定義，對逆變器內的絕緣劃分說明如下：

1）絕緣位置①②③只涉及電路中的功能可靠性，可定義為功能絕緣。

2）因外殼接地，針對人身安全，外殼為可接觸面，外殼已接地，絕緣位置④⑤（直流、交流與外殼之間的絕緣）可定義為基本絕緣。

3）通信接口同樣是可接觸點，因通信要求，通信接口一般不直接接地，那么通信接口與一次電路之間的絕緣需要雙重或加強絕緣。即存在兩種方案：

方案一為⑥和⑦均為基本絕緣，通信電路和一次電路之間為雙重絕緣。

方案二為⑥或⑦選其中一個位置做成加強絕緣。

在組串式光伏逆變器中，因電力電子拓撲復雜，隔離驅動電路較多，而通信電路較為單一。把⑥作為加強絕緣成本最高；把⑥⑦作為基本絕緣，成本次之；把⑦作為加強絕緣成本最低。因此，在設計中一般把⑥只作為功能絕緣，⑦為加強絕緣。

絕緣等級確認后，即可開展逆變器的電氣間隙和爬電距離[5]設計工作。

2? ? 組串式光伏逆變器電氣間隙設計

基本絕緣的電氣間隙由逆變器的最大工作電壓、瞬時過電壓（脈沖電壓）和暫時過電壓決定，受海拔高度影響[3-4]，較低電壓還受污染等級的影響。

瞬時過電壓（脈沖電壓）、暫時過電壓通過系統電壓值在標準中查表確定，本文引用標準中表格如表1所示。

以直流側1 100 V、交流側380 V的組串式光伏逆變器為例，光伏輸入直流側最大開路電壓為DC1 100 V，交流側最大相電壓為220 V rms，峰值為312 V。

直流側過電壓等級為Ⅱ，不直接連接電網電源，允許插值，瞬時過電壓值為4 800 V；交流側過電壓等級為Ⅲ，連接電網電源，不允許插值，瞬時過電壓值為4 000 V。

同樣可查得，交流側的暫時過電壓值為峰值2 120 V，有效值1 500 V。

根據上述電壓值，在標準中查表計算可得到基本絕緣的電氣間隙，如表2所示。

設備在某海拔高度應用時，基本絕緣的電氣間隙設計值由式（1）計算：

式中：Dair1為由最大工作電壓確定的電氣間隙；Dair2為由瞬時過電壓確定的電氣間隙；Dair3為由暫時過電壓確定的電氣間隙；Kair為海拔校驗系數。

直流側為1 100 V、交流側為380 V的組串式光伏逆變器電氣間隙設計結果如表3所示。

由于逆變器直流與交流側不隔離[6]，在2 000 m海拔高度，基本絕緣的電氣間隙設計值選交直流側的最大值，即4.3 mm。如設備需要工作在4 000 m海拔高度，則需要乘海拔校驗系數。

加強絕緣和功能絕緣的電氣間隙可使用表4描述進行設計。

3? ? 組串式光伏逆變器爬電距離設計

逆變器的絕緣爬電距離由工作電壓、污染等級、材料的CTI[7]決定。爬電距離根據標準提供的相應表格進行設計計算，其中功能絕緣與基本絕緣的爬電距離相同，加強絕緣為基本絕緣爬電距離的兩倍。

爬電距離允許插值計算，本文直接給出印制線路板上基本絕緣的計算數據，如表5所示。

需要注意的是，印制線路板若為多層板，內層可降低為污染等級1。

4? ? 組串式光伏逆變器絕緣認證測試

絕緣認證測試的目的是檢驗絕緣設計的可靠性，一般有交流耐壓試驗、直流耐壓試驗和脈沖耐壓試驗[3-4]。

交流耐壓，試驗有極性，存在介質損耗，破壞性強，呈現介質容抗分壓，對地Y電容容易產生誤判，允許拆除Y電容測試，試驗時間1 min。

直流耐壓，無介質損耗，破壞性相對小，介質阻抗分壓，試驗時間1 min。

脈沖耐壓，模擬雷電或開關過電壓，主要對電氣間隙和固體絕緣進行校驗，波形為1.2/50 μs脈沖波，正負極性各5次，最小時間間隔為1 s。

在認證測試中，如存在對地Y電容，則允許采用直流耐壓進行絕緣耐壓測試。

需要注意的是，光伏逆變器除了常規耐壓試驗，在濕熱試驗后，直流電解電容短路等單一故障后，均需要開展耐壓試驗。

5? ? 結束語

本文以直流側1 100 V、交流側380 V的光伏逆變器為例，介紹了逆變器內的絕緣類型、絕緣等級，并對電氣間隙和爬電距離進行了設計，同時對比了不同絕緣設計的成本差異，提出了較低成本的絕緣設計方案，滿足了工程實際應用條件，可為類似工程應用提供一定的借鑒。

[參考文獻]

[1] 楊躍武.光伏組件PID效應的修復及抑制研究[J].電源技術，2022，46（12）：1473-1476.

[2] 楊曉雨.基于Boost電路的MPPT控制系統的設計[J].工業控制計算機，2019，32（3）：157-158.

[3] 光伏并網逆變器技術規范：NB/T 32004—2018[S].

[4] Safety of power converters for use in photovoltaic power systems-Part 1：General requirements：IEC 62109-1—2010[S].

[5] 張羽.電氣間隙和爬電距離的分析與測量[J].電氣開關，2021，59（4）：99-105.

[6] 劉勇，李志.非隔離型光伏逆變器電氣安全距離設計[J].電子世界，2021，44（6）：96-98.

[7] 史勇強.相比電痕化指數（CTI）測試關鍵要點[J].印制電路信息，2009（2）：52-53.

收稿日期：2023-05-04

作者簡介：喻亮亮（1987—），男，江蘇人，工程師，研究方向：發電廠控制保護、新能源發電、電力系統繼電保護及自動化。