1.1萬
單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：王冬/Justin
為了達(dá)成2030年碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，光伏行業(yè)將成為長期高速發(fā)展的新能源行業(yè)之一。預(yù)期2027年將保持70-120GW左右的新增裝機(jī)量，2027年我國光伏發(fā)電行業(yè)累計裝機(jī)量可能在827-938GW之間。（見下圖1）
圖1 我國光伏發(fā)電行業(yè)累計裝機(jī)量預(yù)測
新能源作為未來發(fā)展焦點被大家所關(guān)注。其中光伏具有使用范圍廣、使用方便、無污染等優(yōu)點。光伏逆變器作為光伏系統(tǒng)的一個重要設(shè)備，其作用至關(guān)重要，市場競爭激烈，國內(nèi)眾多光伏逆變器廠商均通過元器件國產(chǎn)化來降低生產(chǎn)制造成本，從而提高市場占有率。光伏逆變器的漏電流保護(hù)技術(shù)也是光伏的重要技術(shù)之一，同樣飽受國內(nèi)外廠商和用戶的關(guān)注。
一、光伏系統(tǒng)中產(chǎn)生漏電的原因
光伏系統(tǒng)中的漏電流，本質(zhì)上是一種共模電流。原因是光伏系統(tǒng)與大地之間存在寄生電容。當(dāng)寄生電容-光伏系統(tǒng)-電網(wǎng)形成回路時，共模電壓會在寄生電容上產(chǎn)生共模電流。當(dāng)光伏系統(tǒng)配備工頻變壓器時，由于回路中變壓器繞組之間的寄生電容相對較高，可在一定程度上抑制回路中共模電壓產(chǎn)生的共模電流。但是在沒有變壓器的光伏系統(tǒng)中，環(huán)路阻抗較低，共模電壓會形成較大的共模電流。但有變壓器型的逆變器，因為體積笨重、成本高、效率低等缺點，已經(jīng)被市場淘汰。因此對光伏系統(tǒng)的漏電流問題需要格外關(guān)注。
在PV對地交流電壓和PV對地電容的作用下，交流電壓會在對地電容上產(chǎn)生電流。該電流通過主線路和地線形成回路，這個電流即是系統(tǒng)漏電流，也稱之為系統(tǒng)共模電流，是光伏系統(tǒng)的固有特征之一。高頻共模電流不僅會增加系統(tǒng)損耗， 產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波，還會造成電磁干擾等問題， 甚至?xí){人身安全。光伏逆變器PV端子與大地之間由于共模電壓的存在而具有寄生電容。當(dāng)逆變器通電運(yùn)行時，共模電壓使PV - 逆變器 - 電網(wǎng) - 大地之間形成回路，從而產(chǎn)生漏電流，如圖2所示
圖2 PV - 逆變器 - 電網(wǎng) - 大地之間形成回路
在光伏逆變器中，晶硅組件為浮地系統(tǒng)，而組件的邊框做接地處理，這就導(dǎo)致組件表面對大地存在一定的電壓，一般為1/2 PV直流母線電壓。由于該電壓的存在，組件和大地之間就等效出現(xiàn)了一個寄生電容。
太陽能電池板的外形、 臟污程度以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素都會影響寄生電容的大小。在濕度較大的地區(qū)或是遭遇雨雪天氣， 電池板金屬外殼非常容易吸附導(dǎo)電水膜， 容易增大寄生電容的等效面積， 從而增大電容值。（如圖3所示）
圖3 C1：膠膜和玻璃上的水之間的寄生電容
C2：晶硅層和接地支架之間的寄生電容
C3：晶硅層和屋頂表面之間的寄生電容
若光伏系統(tǒng)出現(xiàn)了絕緣等故障，一根動力線和站在大地上的人接觸（如下圖4），此時會有一個額外的電流流過，這個電流也被稱為“殘余電流”。
殘余漏電流具有突變的特性，與系統(tǒng)漏電流具有明顯的差別。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定殘余電流不得大于30mA，否則會給人體帶來傷害。
系統(tǒng)漏電包括容性交流漏電流和阻性直流漏電流，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)必須直流量和交流量都檢測到；針對人意外觸電的保護(hù)，在工作中的光伏系統(tǒng)，若出現(xiàn)絕緣故障情況會導(dǎo)致人員觸電，會有殘余電流流過人體，逆變器也必須要準(zhǔn)確檢測到這個突變量，及時保護(hù)，且保護(hù)時間需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。光伏系統(tǒng)的漏電檢測須同時滿足這兩部分的檢測
圖4 光伏系統(tǒng)中需對殘余電流的檢測以保護(hù)人身安全
為保證人員安全，一旦發(fā)生殘余電流大于等于30mA，除了絕緣保護(hù)外，電氣設(shè)備要在最短的時間內(nèi)和電網(wǎng)斷開。那么接下來我們一起來看看國內(nèi)外的一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對此的規(guī)定。
二、光伏系統(tǒng)的漏電保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)國家能標(biāo)NB/T 32004-2013標(biāo)準(zhǔn)7.10.2規(guī)定（如圖5），在逆變器接入交流電網(wǎng)且交流斷路器斷開的任何情況下，逆變器都應(yīng)提供漏電流檢測功能。漏電流檢測應(yīng)能檢測總包括直流和交流部分有效值的電流、連續(xù)剩余電流。如果連續(xù)剩余電流超過以下限值，應(yīng)斷開逆變器并在0.3s 內(nèi)發(fā)出故障信號：
1> 對于額定輸出不大于30KVA、300mA的逆變器。
2> 適用于額定輸出大于30KVA、10mA/KVA的逆變器。
圖5 《NB/T 32004》
根據(jù)IEC62109-2的4.8.3.5通用要求中提及的關(guān)于殘余漏電流的要求，對于非隔離光伏逆變器的漏電檢測限值要求是一樣的（如下圖6）
圖6 《IEC62109-2》
三、針對光伏系統(tǒng)的漏電流的RCMU器件
按照漏電流檢測的漏電波形進(jìn)行分類，漏電傳感器可以分為AC型漏電傳感器、A型漏電傳感器、B型漏電傳感器
（1）AC型剩余電流保護(hù)裝置：只對突然施加及緩慢上升的正弦交流剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。
（2）A型剩余電流保護(hù)裝置：在AC型的基礎(chǔ)上增加了對含有脈動直流分量的剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。
（3）B型剩余電流保護(hù)裝置：在A型基礎(chǔ)上又增加了對平滑直流漏電以及高頻復(fù)合波剩余電流進(jìn)行可靠保護(hù)。
從下圖7中可以看出B型的漏電傳感器保護(hù)范圍更廣，適用于交流電流、脈動直流、平滑直流電流等。
圖7 不同種類的漏電流
光伏系統(tǒng)的漏電流表現(xiàn)為兩個特點，一是成份復(fù)雜，在直流轉(zhuǎn)化交流的逆變過程中，有直流部份，也有交流部份；二是所產(chǎn)生副邊漏電流的值很少，一般為毫安級別。這就對漏電流檢測精度要求較高，需要專用的漏電流傳感器。國內(nèi)外的光伏標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定：對于光伏漏電流的檢測須采用TypeB的RCD，也就是交直流漏電流均能測量的電流傳感器。根據(jù)IEC60364-7-712和NBT32004以及 GB/T 16895.32中對殘余電流RCD保護(hù)保護(hù)的要求都是使用Type B型RCD；如下圖8 ~ 圖10
圖8《IEC60364-7-712》
圖9《NB/T32004》
圖10《GB/T 16895.32-2021》
RCMU在光伏逆變器中作為一個必不可缺的安規(guī)器件，國內(nèi)外各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都要求加裝B型漏電保護(hù)裝置。故國內(nèi)外各大逆變器廠商都會對RCMU這一器件的功能進(jìn)行必要性的聲明，如圖11所示
圖11 各逆變器廠商RCMU聲明
四、光伏系統(tǒng)中的漏電保護(hù)故障原因
在正確安裝了漏電保護(hù)器后，依然存在一些因素會導(dǎo)致漏電保護(hù)誤動作或不動作。
1、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的支架和逆變器外殼都有防雷安全接地，通常該漏保應(yīng)該是可以正常運(yùn)行的。但由于光伏電站的實際情況較復(fù)雜，雨水侵入?yún)R流箱、配電箱等導(dǎo)致接線對地短路或漏電的現(xiàn)象，導(dǎo)線老化、線路和用電設(shè)備絕緣電阻低、泄漏大、甚至接地，會致使保護(hù)器頻繁動作。不僅影響光伏電站的正常發(fā)電，也會產(chǎn)生一些安全隱患。
2、對于在配電箱內(nèi)配備防雷系統(tǒng)的，需要檢測相關(guān)防雷壓敏元件的質(zhì)量和長期穩(wěn)定性。特別是歷經(jīng)嚴(yán)重雷擊后，會對一些防雷壓敏元件造成不可恢復(fù)的損傷，這種問題比較常見。發(fā)現(xiàn)有漏電故障的壓敏元件要及時更換，否則將導(dǎo)致漏保頻繁誤動作。
3、由于環(huán)境潮濕、進(jìn)水等原因?qū)е履孀兤鲀?nèi)部絕緣降低，也是引起漏保頻繁動作的原因之一，要注意將逆變器安裝在干燥、防水和通風(fēng)的位置上。
五、RCMU在應(yīng)用時應(yīng)規(guī)避的方面
1、因每個廠商的計算邏輯都不一樣，在此之前需與逆變器廠商做充分的溝通。因為每一家逆變器廠家的動作閾值計算策略都不一樣，在設(shè)定這個動作限制之前，要了解廠商的漏電計算機(jī)制是Vout-V0或者是Vout-Vref。充分了解這個邏輯后再設(shè)置傳感器的相關(guān)參數(shù)，這個步驟是非常關(guān)鍵的。Vout-V0的邏輯可以有效消除零點的偏差值，而Vout-Vref的邏輯可以消除外界溫度所帶來的對Vref的影響，零點的輸出與Vref的差值要有所控制。例：要把動作閾值控制在某個動作限值公差的±1mA以內(nèi)，若以Vout-Vref邏輯來做動作值判斷，因疊加了V0與Vref之間的差值，那么1mA所對應(yīng)的電壓最大值不會按照傳感器的理論增益計算所得。
2、逆變器板端的電磁干擾較為嚴(yán)重。在PCBA上一些常規(guī)繼電器、電容電感等產(chǎn)生的干擾是容易被識別排查到的。然而有一些干擾源是不能在PCBA板端被發(fā)現(xiàn)的，比如一些逆變器廠商在做散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不會用到散熱風(fēng)扇而是考慮采用灌膠電感，灌膠后的電感作為一個整體安裝在逆變器PCBA板外部（如下圖12）。這種方案和把電感安裝在逆變器內(nèi)部相比在散熱方面具有2大優(yōu)勢：
①空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m·k，鋁導(dǎo)熱系數(shù)為是160 W/m·k，硅膠導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2 W/m·k。采用灌膠工藝的電感，相當(dāng)于散熱面積積擴(kuò)大了3-4倍，散熱速度提高了10多倍，因此可以降低電感溫度。
②由于電感是逆變器第二發(fā)熱元器件，電感和PCBA板分開安裝，熱量直接向外散發(fā)，不會提升逆變器內(nèi)部溫度。
然而這個時候安裝在PCBA板端的RCMU會容易受到下方逆變電感的干擾，引起RCD不能準(zhǔn)確在規(guī)定的動作閾值內(nèi)精準(zhǔn)執(zhí)行。為解決這個問題，可以從兩方面入手：①RCMU的擺放位置盡可能遠(yuǎn)離干擾源；②擺放位置無法更改時，使RCMU盡可能做屏蔽處理
六、Magtron 公司的交直流漏電檢測方案
Magtron基于iFluxgateTM技術(shù)的SoC芯片方案，將RCMU進(jìn)行了數(shù)字化集成，將磁通門技術(shù)進(jìn)行底層技術(shù)的升級，使得逆變器模塊化設(shè)計可以更加便捷，最大幅度降低了系統(tǒng)資源整合的成本，為全球光伏逆變器廠商提供了優(yōu)良性能高性價比的RCMU漏電流檢測方案。
參考文獻(xiàn)
1. 《如何控制漏電流危害—光伏逆變器》--- www.guangfu.bjx.com.cn
2. 《深入了解逆變器里面的電感》--- www.jiapv.com
3. 《NBT 32004-2018 光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》
4. 《IEC62109-2 Safety of power converters for use in photovoltaic power systems》
5. 《IEC60364-7-712 Requirements for special installations or locations–Solar photovoltaic (PV) power supply systems》
6. 《GB/T 16895.32-2021 特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏( PV )電源系統(tǒng)》
