非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中漏電流的分析與保護

王凱欣，方 剛，程 堯，李浩洋，謝勝仁，曾維波

(1.江蘇固德威電源科技股份有限公司，蘇州 215163；2.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，蘇州 215131)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，光伏發(fā)電以清潔、環(huán)保、建設(shè)周期短、分布范圍廣等特點在世界未來能源計劃中占據(jù)了重要地位；而光伏發(fā)電系統(tǒng)是實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能的重要方式。

在非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列直流側(cè)與公共電網(wǎng)之間若無變壓器進行隔離，而是電氣直接連接，會使并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與大地之間產(chǎn)生共模電流，即漏電流[1-2]。漏電流的存在會加劇光伏組件潛在的電勢誘發(fā)衰減(potential-induced degradation，PID)效應(yīng)，危及人身及財產(chǎn)安全，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)損耗，并降低系統(tǒng)效率。因此，針對減小非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的漏電流和漏電流保護進行研究非常有必要。關(guān)于此問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了一種全新的光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的調(diào)制策略，主要方法是通過控制逆變器輸出零電平階段來實現(xiàn)光伏發(fā)電直流側(cè)與逆變器輸出交流側(cè)的解耦，達到消除漏電流的目的[2]。針對解耦方式，對于單相逆變器而言，學(xué)術(shù)界提出了直流旁路和交流旁路的全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)，比如H5、H6、HERIC(highly efficient reliable inverter concept)等，但上述拓撲結(jié)構(gòu)均存在逆變器效率低或因已申請專利而無使用權(quán)的問題[3-8]；而對于三相逆變器來說，其無法直接采用單相逆變器的解耦方法，因此需要提出新的抑制漏電流的策略。

基于上述問題，本文提出了一種減小非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中漏電流的方法，首先對非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中漏電流的路徑進行了分析，建立了漏電流電路模型，然后提出減小漏電流的方法并進行漏電流保護分析，最后通過實驗驗證了所提出方法的正確性和有效性。

1 非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中漏電流的分析

1.1 漏電流的產(chǎn)生原因

非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的漏電流包含絕緣阻抗產(chǎn)生的漏電流和調(diào)制共模電壓產(chǎn)生的漏電流。非隔離型光伏發(fā)電系統(tǒng)中漏電流的路徑如圖1所示，其由光伏電源、寄生電容、T型三電平三相并網(wǎng)逆變器模塊、LC濾波器、Y電容和電網(wǎng)等部分組成。

圖1 非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的漏電流路徑Fig.1 Leakage current path of non-isolated grid-connected PV power generation system

圖1 中，Lcom為共模電感；L為濾波電感；C為濾波電容；Cac、Cdc分別為逆變器交流側(cè)并網(wǎng)線纜和光伏陣列直流側(cè)線纜對地的寄生電容，這2個值的大小均取決于線纜的長度；Cy為逆變器內(nèi)部的Y電容；Cpv為光伏組件對地的寄生電容，其值主要取決于光伏組件的封裝材料及其對地面積。

非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在3條漏電流路徑：開關(guān)切換產(chǎn)生的高頻脈沖經(jīng)LC濾波器與直流母線電容在光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)形成漏電流，此為第1條漏電流路徑；共模電壓經(jīng)過逆變器內(nèi)部的共模電感、Y電容，以及電網(wǎng)阻抗和光伏組件對地的寄生電容后形成第2條漏電流路徑；而共模電壓經(jīng)過逆變器內(nèi)部的共模電感、逆變器交流側(cè)并網(wǎng)線纜對地的寄生電容、光伏組件對地的寄生電容后形成第3條漏電流路徑。

非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中由于硬件導(dǎo)致漏電流產(chǎn)生的原因包含光伏組件對地的寄生電容、光伏陣列直流側(cè)線纜對地的寄生電容、逆變器交流側(cè)并網(wǎng)線纜對地的寄生電容，以及逆變器內(nèi)部為解決電磁干擾問題引入的Y電容。

由于軟件導(dǎo)致漏電流產(chǎn)生的原因為采用的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)方式給調(diào)制波注入的三次諧波使母線對中性點有150 Hz 的低頻電壓信號，從而產(chǎn)生了低頻漏電流。由于三相橋臂開關(guān)器件的高頻切換，整個共模諧振回路還具有高頻漏電流。

光伏發(fā)電系統(tǒng)絕緣阻抗產(chǎn)生的漏電流相較于整個共模諧振回路的漏電流而言可以忽略，因此只分析共模諧振回路的漏電流，即上文中提到的第1條和第2條漏電流路徑。對這2條漏電流所流經(jīng)的路徑建模，具體如圖2所示。其中，Rbo為人體觸電電阻；Cbus為逆變器的母線電容；Rg為電網(wǎng)阻抗。

圖2 漏電流電路模型Fig.2 Leakage current circuit model

1.2 漏電流保護

由上述分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的漏電流由低頻信號和高頻信號組成。若發(fā)生人體觸電，還會有直流瞬變漏電流產(chǎn)生。

為了避免漏電流引發(fā)的火災(zāi)等安全問題，NB/T 32004-2018《光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》中提出了如下要求：對于30 kVA以下的逆變器，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)漏電流需要小于300 mA；對于30 kVA以上的逆變器，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)漏電流需小于10 mA/kVA。

為了保護人體免受觸電危害，上述規(guī)范還規(guī)定對于30 mA的瞬變漏電流，逆變器需要在300 ms與電網(wǎng)斷開；對于60 mA的瞬變漏電流，逆變器需要在150 ms與電網(wǎng)斷開；對于150 mA的瞬變漏電流，逆變器需要在40 ms與電網(wǎng)斷開。然而，非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的漏電流構(gòu)成很復(fù)雜，這導(dǎo)致設(shè)計符合規(guī)范中要求的漏電流保護變得較為困難。

2 逆變器中漏電流保護的處理方式

2.1 逆變器中漏電流減小的方法

由共模諧振回路的漏電流路徑可以看出，漏電流由共模電壓通過諧振回路的阻抗產(chǎn)生，因此，抑制漏電流主要有以下4種方式：

1)增大共模電感。在共模電壓一定的情況下，增大共模電感的值，可以有效抑制漏電流。但是增大共模電感值會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本及電感體積的增加。

2)增大LC濾波器的濾波電容。由圖2可以看出，濾波電容給逆變器內(nèi)部的漏電流提供了一個低阻抗的通道。濾波電容的電容值越大，該路徑中的漏電流越大，逆變器外部的漏電流就越小。但是采用大電容的濾波電容會相應(yīng)增加成本，且電容值增大，無功功率也會增加，使流過電感與開關(guān)管的電流相應(yīng)增加，這會增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)損耗。

3)減小Y電容的值。減小Y電容的值可使光伏發(fā)電系統(tǒng)外的漏電流阻抗變大，但是Y電容的值減小會降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的電磁干擾性能指標。

4)選取合適的光伏組件。由于光伏組件對地的寄生電容值的大小是由光伏組件的封裝材料決定的，挑選寄生電容小的光伏組件有利于降低漏電流。

2.2 逆變器中漏電流的保護方法

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的共模電壓ucom的計算方式為：

式中，uAO、uBO、uCO分別為逆變器輸出的A相、B相、C相電壓。

對于穩(wěn)態(tài)漏電流I的處理，由于其中包含交、直流分量，可根據(jù)式(2)進行計算：

式中，Idc為直流漏電流分量；Iac為交流漏電流分量；ω為Iac的角頻率；T為時間周期；t為時間。

對式(2)進行簡化，可以求得I，即：

對于由人體觸電引入的瞬變漏電流ΔI，可通過ΔI=I1–I2求得，其中，I2為人體電阻接入前的漏電流，I1為人體電阻接入后的漏電流。因為ΔI是由母線正極(或負極)對地的電壓加在人體電阻上產(chǎn)生，因此該瞬變漏電流包含交、直流瞬變漏電流分量。母線正極(或負極)對地的交流電壓Vac可表示為：

式中，VR、VS、VT分別為有效值為220 V的R相、S相、T相電網(wǎng)電壓。

根據(jù)式(4)，可以推導(dǎo)出Vac的有效值為48 V。

由漏電流共模諧振回路可知，母線正極(或負極)對地的直流電壓為0.5VBus＞300，其中VBus為母線電壓。當母線正極(或負極)對地的電壓較高且人體電阻為1000 Ω時，人體電阻引入的交流瞬變漏電流為48 V/1000 Ω=0.048 A，人體電阻引入的直流瞬變漏電流至少為300 V/1000 Ω=0.3 A，遠大于交流瞬變漏電流。綜上可知，人體電阻導(dǎo)致的漏電流中交流瞬變漏電流的有效值增加對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響可以忽略。

由于逆變器只能采集到光伏發(fā)電系統(tǒng)中的總漏電流，而對于人體電阻引入的瞬變漏電流，則可以通過逆變器采集到的總漏電流的平均值的差值進行判斷。求取平均值時選擇的周期取決于低頻漏電流的頻率，并需滿足NB/T 32004-2018中對于保護時間的要求。例如，低頻漏電流的時間周期為6.67 ms，則可選用6.67 ms的整數(shù)倍作為平均值的取樣周期。經(jīng)實際驗證，證明此種選取方式可以滿足規(guī)范中的要求。

3 逆變器減小及保護漏電流實驗

3.1 實驗設(shè)備及參數(shù)

常用的三相非隔離型并網(wǎng)光伏逆變器多為三電平拓撲結(jié)構(gòu)，主要包括中點鉗位型(nautral point clamped，NPC)，有源中點鉗位型(active nautral point clamped，ANPC)和T型這3種三電平電路結(jié)構(gòu)。與采用前2種電路結(jié)構(gòu)的逆變器相比，T型三電平逆變器的每相減少了2個鉗位二極管，可以降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的損耗并減小逆變器的體積，廣泛應(yīng)用于所需逆變器功率較小的場合。

而對于逆變器調(diào)制，綜合考慮控制復(fù)雜度、技術(shù)成熟水平和調(diào)制效果等方面的因素，目前多采用SVPWM方法對逆變器進行調(diào)制。

實驗?zāi)孀兤鳛?臺功率為6 kW的T型三電平三相逆變器，其具體拓撲結(jié)構(gòu)與圖1中的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)一致。

進行實驗?zāi)M時的相關(guān)設(shè)置如下：所用電網(wǎng)的接線方式為TN接地；光伏發(fā)電系統(tǒng)為非隔離型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)(與圖1一致)；光伏陣列正、負極對地的電容均取2.2 μF，以便于模擬光伏組件對地的寄生電容，即Cpv為2.2 μF；逆變器交流側(cè)并網(wǎng)線纜的寄生電容、光伏陣列直流側(cè)線纜對地的寄生電容及逆變器內(nèi)部的Y電容均選用10 nF的小電容，即Cac、Cdc、Cy的取值均為10 nF；LC濾波器由10 μF的濾波電容與2 mH的濾波電感組成，即C的取值為10 μF、L的取值為2 mH；共模電感采用三相共模電感，Lcom的取值為0.5 mH；直流母線電容為200 μF；最大功率點直流電壓Vmppt為600 V。具體的實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)Table 1 Experiment parameters

3.2 漏電流的減小實驗

由于高頻共模電壓是由橋臂開關(guān)器件的高頻切換產(chǎn)生的，如圖3所示，共模電壓的頻率與橋臂開關(guān)的切換頻率一致，這說明此為共模電壓的高頻成分。圖4為母線正極對中性點的低頻電壓信號。由圖4可知，母線正極對中性點有150 Hz的低頻電壓信號，這是由SVPWM而產(chǎn)生的共模電壓的低頻成分。

圖3 共模電壓頻率與橋臂開關(guān)切換頻率圖Fig.3 Picture of common mode voltage frequency and bridge arm switching frequency

圖4 母線正極對中性點的低頻電壓信號Fig.4 Low-frequency voltage signal from positive pole of bus to neutral point

低頻和高頻共模電壓信號均是產(chǎn)生漏電流的激勵，通過圖3和圖4可以驗證漏電流的存在。

圖5為漏電流的測量位置圖。圖中，1、2、3均為漏電流的測量位置；A、B、C、O分別為A相線、B相線、C相線、中性線。其中，第1處為逆變器內(nèi)部檢測漏電流的位置，第2處為光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流，第3處為LC濾波電容上的漏電流，第4處為逆變器內(nèi)部Y電容產(chǎn)生的漏電流。

圖5 漏電流的測量位置Fig.5 Location of leakage current measurement

由于實驗所采用的光伏陣列內(nèi)部對地的Y電容值小于實際光伏組件對地的寄生電容，所以測量得到的光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流很小，為了盡量符合實際現(xiàn)場的應(yīng)用，測量漏電流波形時，光伏陣列正、負極對地各加入2.2 μF的電容模擬光伏組件對地的寄生電容，并對比該模擬電容加入前、后的波形，具體如圖6、圖7所示。

圖6 模擬電容加入前光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流Fig.6 Total leakage current of PV power generation system before simulation capacitor is added

圖7 模擬電容加入后光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流Fig.7 Total leakage current of PV power generation system after simulation capacitor is added

從圖6、圖7中可以看出，加入模擬電容后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流由加入前的30.4 mA變?yōu)?39 mA，這說明增大光伏組件對地的寄生電容會引起光伏發(fā)電系統(tǒng)總漏電流的增加。根據(jù)規(guī)范，漏電流的上限為700 mA，超過該值會帶來安全隱患。這也驗證了上文提到的通過選取寄生電容較小的光伏組件來減小漏電流方法的有效性。

結(jié)合圖2可以看出，LC濾波電容與母線電容形成的振蕩回路為漏電流提供了一個逆變器內(nèi)部的低阻抗通道，能起到分流作用，且LC濾波電容的電容值越大，該路徑的漏電流就越大，可有效降低逆變器外部光伏發(fā)電系統(tǒng)的漏電流。圖8為LC濾波電容上的漏電流情況。從圖8可以看到，電網(wǎng)側(cè)LC濾波電容上的漏電流值為2 A，遠大于光伏發(fā)電系統(tǒng)的總漏電流，這說明逆變器內(nèi)部的低阻抗通道的分流作用明顯。這也從側(cè)面驗證了上文所提的通過增大LC濾波電容來減小逆變器外部漏電流方法的有效性。

圖8 LC濾波電容上的漏電流情況Fig.8 Leakage current on LC filter capacitor

3.3 漏電流保護實驗

由于人體阻抗存在差異，規(guī)范中對不同漏電流時逆變器的斷開時間有不同的要求，本實驗中模擬的是人體觸電60 mA時逆變器的漏電流保護效果。逆變器的漏電流保護效果波形圖如圖9所示。

圖9 逆變器漏電流保護效果Fig.9 Leakage current protection effect of inverter

從圖9可以看出，從60 mA漏電流產(chǎn)生，到逆變器與電網(wǎng)斷開，共歷時130 ms，小于規(guī)范中規(guī)定的150 ms。由此可知，本文采用的逆變器可以滿足規(guī)范中對漏電流保護的要求。

4 結(jié)論

本文對非隔離型光伏發(fā)電系統(tǒng)漏電流的產(chǎn)生原因及減小漏電流的方法進行了分析；并以帶LC濾波器的T型三電平三相逆變器為實驗對象，驗證了所提漏電流保護方法的有效性。