一種非隔離型光伏逆變器設計思路

王凱 黃曉東 李小麟

摘 要：逆變器已被廣泛應用在各種場合、各種環境。在使用過程中暴露出產品對不同環境適應性的不足，導致性能下降甚 至設備損壞。本文提出了一種非隔離型光伏逆變器優化設計思路，闡述上述設計方案的工作原理及優勢，目的是提高逆變器 對不同環境下的適應能力。通過對逆變器的絕緣檢測、防雷、高海拔適應性、PID防護等項目進行優化提升了整機性能，為相 關產品優化提供思路。

關鍵詞：逆變器，光伏，設計

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.029

0 引 言

光伏逆變器是獨立光伏發電系統的主體，其 性能直接決定了整個系統能否長期、可靠、高效運 行[1]。其工作原理是由內部控制系統來控制整個系 統的運作，光伏逆變電路完成直流電流轉變為交 流電流的功能，振蕩電路將直流電流轉變為交流電 流；線圈升壓將不規則的交流電流轉為方波交流電 流；最后整流器促使交流電流經由方波轉為正弦波 交流電流。所提方案便是對絕緣檢測、防雷、高海 拔適應性、PID防護、散熱等方面進行優化，從而適 應不同環境，提高產品適應力。

1 絕緣檢測設計

光伏系統的方陣絕緣電阻監測功能是為了降 低因直流側接地故障引起的觸電或火災的風險；對 于非隔離型逆變器，直流側接地故障會在故障點和電網之間形成回路，直接導致故障電流，這種情況 下禁止逆變器并網運行。

系統接地可分為兩類：直接接地和間接接地。 直接接地（金屬接地）是指直流系統電源正極或負 極對地的電阻等于或接近于零的情況。這種接地 情況在直流系統中如果同時出現兩點時，就很可能 造成斷路器誤動或拒動，或熔斷絲燒斷等現象。間 接接地（非金屬接地）是指直流系統電源正極或負 極對地絕緣電阻低至某一允許值之下。這時的接地 電阻是否會對系統造成危害，就要看各個單位的具 體情況，它與系統接地的位置和繼電器的靈敏度有 關。比如當前發電廠和變電站中最靈敏的中間繼電 器的內阻，220 V電壓對應內阻為200 kΩ，110 V電 壓對應內阻為6 kΩ，48 V電壓對應內阻為1.5 kΩ。 絕緣降低是指直流系統所采用的電纜、設備的 絕緣電阻由于某種原因低于出廠數值。這些電纜， 設備構成的直流系統的直流電源的正、負極對地絕 緣電阻總體上低于充許值。

本次設計的組串式逆變器屬于非隔離型逆 變器，絕緣監測功能需符合NB/T 32004—2018光 伏并網逆變器技術規范中規定：與不接地的光伏 方陣連接的逆變器應在系統啟動前測量光伏方 陣輸入端與地之間的直流絕緣電阻，如果阻抗小 于Umaxpv/30mA（Umaxpv指光伏方陣最大輸出電 壓），對于非隔離逆變器，應指示故障，并限制其接 入電網[2]。此時允許其繼續監測方陣的絕緣電阻， 并在絕緣電阻滿足上述要求時，允許停止報警也允 許接入電網。

設計逆變器最大輸入電壓1100 V，則方陣絕緣 阻抗應大于1100 V/30 mA，即36 kΩ。逆變器內置了 絕緣阻抗檢測模塊如圖1所示。

正負母線對地等效電阻的實時監測，是進行任 何一種直流系統接地故障檢測的前提。目前廣泛使 用的直流絕緣監視裝置是對稱的電橋（即平衡電 橋），這種電路缺陷是正負母線對地電阻同步下降 時不能檢測真實對地阻值。為了克服上述檢測方法 的缺陷，可采用雙不對稱平衡橋檢測法。

圖1為雙不對稱電橋原理圖，圖中RZ，Rf分別 代表直流系統正負母線總的對地等效電阻，R1，R2 為橋電阻，置k=1或k=2，采樣Rj電阻電壓，通過計算兩組代數方程式即可算出正負母線對地等效電 阻，該方法克服了正負母線對地電阻同步下降時不 能檢測真實對地阻值的缺陷，能夠對直流系統的直 接接地、間接接地、絕緣降低故障進行檢測。雙不 對稱電橋中有兩套電路切換方式，電路的切換由長 壽命的固態繼電器實現，原理圖如圖2所示。

2 交直流防雷設計

本次設計的組串式逆變器的防雷設計滿足IEC 62305的防護要求：對直接雷擊進行防護，承受局部 雷擊電流或感應電流，以及全部雷擊磁場[3]。2級防 雷能夠放電引起感應或傳導過電壓的間接雷擊。交 流側防雷需滿足2級防雷要求。逆變器直流側配置2 級防雷，交流側配置2級防雷。

2.1 直流側防雷

用于光伏直流系統的SPD，配置2級防雷符合 最新標準IEC 61643和EN 50539—11。直流防雷規 格見表1。

2.2 交流側防雷

用于逆變器交流側的SPD，配置2級防雷符合 最新標準IEC 61643和EN 50539。交流防雷規格見 表2。

3 高海拔設計

NB/T 32004—2018《光伏發電并網逆變器技 術規范》對于高海拔下逆變器的設計和使用規定如 下：逆變器安裝場所的海拔高度大于2000 m時，需 考慮電氣介電強度的下降。影響逆變器高海拔應用 的因素主要是逆變器的散熱及逆變器內部元器件 的電氣間隙。功能絕緣、基本絕緣或附加絕緣的最 小電氣間隙應滿足表3要求。海拔2000～6000 m的 逆變器，電氣間隙應根據表3進行修正見表4。

海拔越高，空氣密度越稀薄，大氣壓力下降， 空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱， 散熱方式為強迫風冷的逆變器散熱效果會打折扣， 應重點考慮。本次設計逆變器配置了強制智能風冷 進行散熱，出廠前已完成高海拔型式試驗測試，最 大總風量大于理論設計所需并留有足夠裕量，可滿 足高海拔下換熱能力的使用需求。

根據NB/T 32004—2018的安規測試報告，逆變器的電氣間隙設計滿足標準要求，海拔4000 m不降 額。逆變器在環境溫度45 ℃時，海拔低于3000 m的 區域能1.1倍過載運行，海拔在3000～4000 m區域能 夠滿載即100%功率運行。

4 PID防護和修復

4.1 PID現象及防護/修復原理

P I D（英 文 全 稱 是 P o t e n t i a l I n d u c e d Degradation），即電勢誘導衰減。光伏組件在長期 使用過程中其輸出功率會逐漸下降，主要是由光照 衰減和材料老化導致[4]，有些組件功率衰減竟高達 50%以上。組件衰減誘因很多，如光致衰減、老化 衰減、隱裂、電池片破裂，其中重要原因之一是組件 PID效應。

組件PID對光伏電站發電量影響巨大，特別是 在溫度高、濕度大的東部分布式屋頂、水面等應用 場景。實際電站運行數據顯示，具有PID修復功能 的模塊，可以對已發生PID問題的組件進行修復，使 組件各項參數指標恢復正常。

從PID形成機理看，通過改變系統或電路結 構，消除電池片與金屬邊框之間的負偏壓?？梢孕?復產生PID現象的組件。控制U對地電壓大于0，可 以防護和修復衰減組件。

4.2 PID防護和修復

逆變器的內部已經集成了使用直流側負極電位 抬升解決方案的PID模塊，可靈活處理白天PID防護 和夜間PID修復功能。

逆變器無需配置外置的PID防護盒，節省設備 及安裝成本。逆變器內部集成PID直接抬升PV-對 地電壓≥0，從而達到防護和修復的目的，PID設計 原理如圖3所示。

4.2.1 PID工作模式

PID防護模式：當直流側電壓上升至100 V左右時，啟動PID防護模塊，通過采集直流側PV對地電 壓，調整電壓輸入，使PV對地大地電壓為0 V。 PID修復模式：對于已經發生PID現象的組件， 當逆變器待機且直流側PV電壓低于50 V時，通過 APP設置進入PID修復模式，調整PV對地輸出電壓 為500 V（默認500 V，具體值通過APP可設），修復 光伏組件。

4.2.2 PID模塊對箱變要求

若低壓側繞組為Y型，中性點禁止接地；低壓 側交流防雷器L對PE電壓不低于1000 V，若選用3+1 方案，推薦防雷器UC750 V＼In10 kA＼Imax25 Ka；升 壓變壓器低壓側繞組、交流電纜及二次設備（包括 繼電保護、檢測計量及相關輔助設備）對地耐壓要 求不低于1000 V。

5 結 語

光伏逆變發電是當前最清潔環保的發電途徑。 隨著環保要求的日益嚴苛，加之能源緊缺，氣候變 化，人們對電能的需求也在增多，因此太陽能光伏 發電設備的數量也在不斷增多[5]，光伏發電越來越 受到市場重視。由于光伏逆變器所處環境較為惡 劣，因此設計之初，應當考慮逆變器對不同環境的 適應性。本文提出的逆變器優化設計思路，可顯著 提升逆變器對不同環境的適應能力，可以作為一種 逆變器產品更新升級的方案。

參考文獻

張佳褀，秦嶺，王亞芳，等.獨立光伏逆變器研究進展[J].電 源技術，2016，40（7）：1532-1535

中國電器工業協會.光伏并網逆變器技術規范：NB/ T 32004-2018[S].

雷電防護：IEC62305[S].

閔堅.光伏組件PID效應的機理研究與防護措施[J].神 州，2017（26）：212-213.

王淼源.光伏并網發電逆變技術研究[J].科技傳 播，2016（14）：200-200，232.

作者簡介

王凱，本科，工程師，研究方向為電氣產品檢測與設計。

（責任編輯：袁文靜）