光伏逆变器中的黑科技—漏电流控制

光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电，除此之外，逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态，和外界通信交流，系统安全管家等重要功能。在光伏行业标准NB32004-2013中，逆变器有100多个严格的技术参数，每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查，对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器，从开发到量产，要两年多时间才能出来，除了过欠电压保护等功能外，逆变器还有很多鲜为人知的黑科技，如漏电流控制、热设计、电磁兼容、谐波抑制，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器的漏电流控制技术

1、 光伏系统为什么会产生漏电流

光伏系统漏电流，又称方阵残余电流，本质为共模电流，其产生原因是光伏系统和大地之间存在寄生电容，当寄生电容-光伏系统-电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上产生共模电流。当光伏系统中安装有工频变压器时，由于回路中变压器绕组间寄生电容阻抗相对较大，因此回路中共模电压产生的共模电流可以得到一定抑制。然而在无变压器的光伏系统中，回路阻抗相对较小，共模电压将在光伏系统和大地之间的寄生电容上形成较大的共模电流，即漏电流。




2、 漏电流的危害

光伏系统中的漏电流，包括直流部分和交流部分，如果接入电网，会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，对电网内的设备运行产生影响；漏电流还可能使逆变器外壳带电，会对人身安全构成威胁。

3、 漏电流的标准及检测方法

根据NB32004-2013标准第7.10.2条规定，在逆变器接入交流电网，交流断路器闭合的任何情况下，逆变器都应提供漏电流检测。漏电流检测应能检测总的（包括直流和交流部分）有效值电流，连续残余电流，如果连续残余电流超过下面限制，逆变器应该在0.3s内断开并发出故障信号：

1）对于额定输出小于或等于30KVA的逆变器，300mA;

2）对于额定输出大于30KVA的逆变器，10mA/KVA。

光伏系统漏电流有两个特点，一是成份复杂，有直流部份，也有交流部份；二是电流副值很少，毫安级别，对精度要求极高，需要专用的电流传感器，能源部的光伏标准规定：对于光伏漏电流的检测须采用Type B，也就是交直流漏电流均能测量的电流传感器。




漏电流传感器安装在逆变器对外地线输出接口，检测逆变器输出地线的电流。

4、 漏电流控制技术

目前，漏电流抑制技术已成为光伏并网系统研究中的热点问题，各位高校研究机构和厂家都在研究，漏电流的大小取决于光伏PV和大地之间的寄生电容Cpv，和共模电压变化率。寄生电容其值与外部环境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关，一般在50~150nF/kW左右，共模电压变化率则和逆变器的拓扑结构、调制算法等因素有关。

对于传统单/三相无变压器型光伏并网逆变器拓扑，共模电流(漏电流)有效抑制的两个基本条件为：各桥臂电感值选取一致；采用非零矢量合成参考矢量，使得共模电压保持恒定。

（1）全H4桥拓扑



为了解决全 H 桥光伏逆变器中漏电流的问题，可以使用双极性PWM 调制。这种调制消除了共模电压对板的高频成分，从而共模电压一般只有一次谐波的低频分量，从而减少漏电流的影响

（2）H5拓扑结构



这种拓扑结构相比于全桥只需要增加一个的晶体管，这就是它命名H5 的原因。电流续流期间将光伏电池从电网断开，以防止面板两极对地电压随开关频率波动，从而保持共模电压几乎不变。

（3）HERIC拓扑




HERIC交流旁路拓扑，其工作原理如下：正半周期内，开关S5始终关断而S6始终导通、S1和S4以开关频率调制。当S1和S4导通时，和电压分别为Udc和0，此时共模电压= Udc/2；当S1和S4关断时，电流经S6、S5反并联二极管续流，和电压均Udc/2，此时共模电压= Udc/2。

（4）H6拓扑结构




H6直流旁路拓扑，其工作原理如下：正半周期内，开关S1和S4始终导通，S5、S6和S2、S3交替导通。当S5、S6导通，S2、S3关断时，此时共模电压= Udc/2；当S2、S3导通，S5、S6关断时，电流续流路径有2条：(1)S1、S3反并联二极管，(2) S4、S2反并联二极管。二极管D7和D8将电压钳位至Udc/2，此时共模电压= Udc/2。负半周期内共模电压也是Udc/2，因此漏电流可以得到有效抑制。

（5）H6.5拓扑结构




H6.5拓扑在HERIC的基础上有所改进，相比传统的HERIC少一颗diode，因此效率相对会比HERIC有所提高。在无功交换没有经过母线电容，开关状态时工模电压为二分之一母线电压，因此工模电流会很小。

以上的几个拓扑结构，都是采用降低共模电压的方式，来降低漏电流。 采用3电平或者5电平等多电平技术，也可以降低组件正负极对地的电压，从而减少漏电流。

5、系统安装时要注意的事情

漏电流都是通过逆变器地线的电流来检测的，因此在安装时，逆变器的地线要接牢靠，并且不能和逆变器的零线以及组件的安全防雷地线接在一起，否则会影响检测的精度，造成逆变器判断错误。