光伏系统漏电流检测及抑制研究

作者：赵爱光　王占永

来源：《科学与财富》2018年第18期

        摘 要：在非隔离的光伏并网发电系统中，检测及抑制漏电流是一个关键技术，成为光伏行业研究的热点，逆变器则在光伏系统中承担了检测及抑制漏电的作用，保证了光伏系统的安全。本文主要解析光伏系统漏电流产生的原理，同时逆变器通过电路拓扑来抑制漏电流的产生，同时实时检测光伏系统的漏电流大小，如果漏电流超过安规值，则停止光伏发电系统。

        关键词：光伏发电 逆变器 漏电流 非隔离 拓扑

        一、光伏并网发电系统简介

        光伏并网发电系统通常是由太阳电池板阵列、接线箱、逆变器、电表盘和电网组成，系统的核心是光伏并网逆变器。太阳光照射在太阳电池板表面，太阳电池板阵列输出的直流电，经光伏并网逆变器最大功率点跟踪控制、逆变后，产生与电网电压同频、同相的交流电，送入电网中。

        随着现在国家倡导的发展新动能，加快新旧动能转换，太阳能作为一种清洁能源得到了广泛应用，其中包括光伏并网发电系统。传统的光伏并网发电系统是将光伏板与电网之间加工频变压器变压器隔离，实现电气隔离，保证系统及人身安全。近几年为提高系统效率，降低系统成本，将工频变压器变压器省掉，但随之而来的就是系统会产生漏电流，如果不加以检测及抑制，势必会造成系统安全。

        二、光伏并网发电系统产生漏电流的原理

        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。

        三、光伏并网发电系统产生漏电流的危害

        由于光伏组件与公共电网是不隔离的，大面积的太阳能光伏组件与地之间存在较大的分布电容，因而形成了有寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。共模电压加在寄生电容上就会产生漏电流，光伏并网发电系统中的漏电流，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。

        四、光伏并网发电系统漏电的检测及抑制策略

        1、光伏并网发电系统漏电流的检测

        光伏并网发电系统漏电流的检测主要是在光伏并网逆变器中完成，逆变器中安装有漏电流互感器，实时检测光伏并网发电系统的漏电流，并根据漏电流大小发出保护信号，以此来保护光伏并网发电系统及人身安全。

        根据NB32004-2013标准第7.10.2条规定，如果逆变器检测到漏电流大小超过下面，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。

        2、光伏并网发电系统漏电流抑制控制策略

        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。

        除了以上的几个拓扑结构外，采用3电平或者5电平等多电平技术，可以降低组件正负极对地的电压，也可以减少漏电流。

        总结

        总之，随着对系统成本要求原来越低，非隔离光伏并网发电系统成本趋势，但只有将漏电流的检测及抑制做到最好，才能保证整个系统的正常运行，保证光伏并网发电系统及人身安全。