功率增大對逆變器帶來的高頻漏電問題的解決辦法

近年來，分布式逆變器持續(xù)火熱，包括IGBT，SiC，GaN等核心材料的相對成熟，功率密度要求不斷上升，逆變器的單機功率千瓦數(shù)也因此不斷得以提高。占據(jù)市場主流的逆變器，功率已經(jīng)從50~60KW過渡至70~80KW，單機功率上百千瓦的逆變器也已蓄勢待發(fā)，隨時準備走向市場。

單機功率的增大，對逆變器的整體設(shè)計變得十分嚴格。其中漏電檢測就是非常核心的一塊。它需要克服隨功率增大而帶來的：大量程、電磁干擾、不同的漏電模式等問題。這次來討論其中之一的高頻漏電。

逆變器常見對地漏電的幾種類型

【非隔離型PV系統(tǒng)對地漏電】

由于輸出側(cè)直接接地，如有人觸碰到輸出端任何一條線，都會導致電流通過人體和大地形成漏電回路。

圖 1

圖 2

【隔離型PV系統(tǒng)對地漏電】

而加入隔離型變壓器之后，一次和二次端都沒有直接連接大地。這時候觸碰輸出端，則不會形成有效的漏電回路。

圖 3

圖 4

【高頻對地漏電】

而重點關(guān)注的高頻漏電，不受輸出端是否加有隔離變壓的影響，始終存于系統(tǒng)回路中。

其產(chǎn)生的原理：由于逆變器在高頻切換時，部分輸出電流會經(jīng)由EMI Y電容流經(jīng)PV 組件對大地的寄生電容后，再流回逆變器，因此只要由EMI的Y電容或PV 組件的寄生電容越大，所產(chǎn)生的高頻對地漏電流也越大，而逆變器的輸出電流被影響的程度，也就越嚴重。

圖 5

高頻漏電的處理及保護與否？

（1）要了解逆變器中高頻漏電是否需要保護，首先要知道漏電保護的目的是什么？

一般對漏電流的幾種保護目的：

其一為對人體安全的保護，設(shè)定為短時間的突變，如30mA要在0.03S內(nèi)完成報警保護。

其二為系統(tǒng)設(shè)備防止火災的保護。通常保護閾值設(shè)定為300mA，設(shè)備功率較大的，閾值會隨功率段的增大而增大。

其三為對直流6mA及以下漏電流的檢測，其目的為檢測對地絕緣阻抗值，通過檢測對地電壓的變化量來確認系統(tǒng)對地泄露電是否正常。

而高頻容性漏電隨著逆變器的運行實時存在，基礎(chǔ)值較大，并且隨工況的變化而緩慢變化，這顯然不屬于保護人體安全的突變漏電和絕緣檢測。而從防火的角度來看，高頻漏電更多是由時間很短的奇次諧波構(gòu)成，其能量相對較弱，不足以引發(fā)火災。且這些高次諧波可以通過硬件的方式將其去除掉。對高頻容性漏電的定位存在一定爭議。

圖 6

既然對這些高頻容性漏電的保護目的不是十分明確，那是否有類似的系統(tǒng)可供參考，他們又是怎么處理的？

礦井變頻器在井下工作及漏電產(chǎn)生情況就與光伏逆變器類似。

圖 7

礦井變頻器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，早期經(jīng)常會引起煤礦漏電保護系統(tǒng)做出誤判，導致在正常的生產(chǎn)情況下，漏電保護系統(tǒng)向斷路器發(fā)出錯誤的斷電信號，對煤礦安全生產(chǎn)造成了嚴重的事故隱患。

加入變頻器導致煤礦漏電保護系統(tǒng)誤判的原因主要有以下2點：

① 變頻器內(nèi)部產(chǎn)生高次諧波引發(fā)漏電電流：

變頻器整流過程中產(chǎn)生的矩形方波和逆變過程中經(jīng)PWM調(diào)制形成的脈沖方波除了含有基波外都還含有高次諧波，這樣輸出線路中也就含有基波和高次諧波，由于井下電纜對地電容的存在，且電機機殼之間、繞組對地之間還有寄生電容，以及機器內(nèi)部本身有Y電容。高次諧波會在電容上產(chǎn)生電流，即零序電流，從而使得煤礦漏電保護器系統(tǒng)誤判，發(fā)出斷電信號；

圖 8

② 高頻干擾：

變頻器中的高頻、高脈沖比常規(guī)信號還要高，監(jiān)測點很難分辨這是干擾信號還是正常信號，這種情況下，系統(tǒng)很難保證檢測值的可靠性，從而導致監(jiān)控系統(tǒng)的誤判動作。并且干擾導致的系統(tǒng)檢測與實際保護目標點相比，既會出現(xiàn)偏高，也會出現(xiàn)偏低。對后端的保護，輕者，頻繁保護影響系統(tǒng)的正常運行。重者，在該保護的情況不保護，對生產(chǎn)設(shè)備造成損壞，存在重大事故隱患。高頻干擾總結(jié)為EMC電磁干擾的問題。

關(guān)于EMC與漏電流之間的關(guān)系，筆者會在后續(xù)的文章中說明。

由變頻器自己產(chǎn)生的高次諧波，對整個礦井系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，可以通過硬件的方式處理。如：安裝輸出濾波器、電抗器限制、變壓器隔離等方法。

另外，設(shè)備的接地與否，以及絕緣阻抗值的檢測也越來越顯得重要，它能監(jiān)控設(shè)備對地阻抗的實時值，能反應設(shè)備在長時間工作后有無泄漏電流等問題。

硬件修正法：

圖 9

軟件修正改法：

在經(jīng)過一系列的硬件處理過后，高次諧波漏電會被去除大部分，但仍然會留下一小部分。而且會趨向于平滑。對于此時的平滑漏電，一般采取提高變頻器保護閾值的方法來操作。每個礦井的環(huán)境有所不同，所以這個閾值的選擇也需要分別調(diào)試

（2）在專門處理漏電檢測的低壓電器行業(yè)，對于高頻容性漏電又是怎樣進行保護的呢？

筆者收集了相關(guān)信息，從漏保使用的各處客戶現(xiàn)場端了解到，早期在給變頻器選用漏保的時候經(jīng)常會出現(xiàn)機器運行時跳閘的現(xiàn)象。在考慮到變頻器工況的特殊性之后，再給變頻器選擇漏保時大家都更傾向于選擇帶漏電保護可調(diào)功能的漏保裝置。原因是機器在運行時本身就帶有高頻容性漏電，行業(yè)內(nèi)把它稱作假漏電。叫它假漏電的原因是它不是漏保真正要保護的對象。其危害性較小，它的存在影響到了人體安全保護及火災漏電保護的準確性。

所以在我們經(jīng)常能見到很多漏保上會有可調(diào)節(jié)漏電保護閾值的功能。

具體調(diào)節(jié)廠家需根據(jù)自身變頻器系統(tǒng)既定存在的漏電大小，結(jié)合總保護閾值的大小做一定比例分配。一般采取的比例為：

保護閾值（IΔn）=真實漏電流（0.7*IΔn）+高頻容性漏電（0.3*IΔn）；

要求高頻容性漏電部分占比不高于保護閾值的30%，不然會導致整個系統(tǒng)頻繁報警無法正常工作。

回歸到光伏逆變器中漏電流的檢測方式：

光伏逆變器的高頻容性漏電產(chǎn)生原因和礦井變頻器類似。兩者的實時漏電流值都會受寄生電容及自己本身的電壓變化影響?？紤]到安規(guī)，逆變器的功率段越大，所需要用到的吸收電容總?cè)葜稻驮酱?。在提高了抗電網(wǎng)電壓沖擊和EMC抗擾度能力的同時，也間接增加了高頻容性漏電。對于高次諧波等高頻漏電的處理方式一般采用電抗器等方式濾除。

逆變器內(nèi)部對漏電流的處理方式分偏軟件處理和偏硬件處理。

【主軟件處理】：

（對于偏軟件處理的漏電檢測也分兩種方案）

① 對所采集到的所有漏電成分都進行累加計算。

但該方案存在一定缺陷：很難完整地采集到所有漏電流信號；同時由于高頻容性漏電的存在，它會對逆變器突變漏電保護和持續(xù)漏電保護的準確性造成很大的影響。

舉例：

一臺較大功率的逆變器在現(xiàn)場工作時，由于其前端連接的組件數(shù)量較多，整機運行起來后，其產(chǎn)生的高頻容性漏電基礎(chǔ)值就已經(jīng)很大了。而且現(xiàn)場的影響因素不定，其基礎(chǔ)漏電由無數(shù)個大小時間各不相同的諧波組成。這時候任何一點現(xiàn)場變化都會放大漏電檢測的真實輸出，且極大可能觸發(fā)突變漏電。這里的變化包括，環(huán)境溫濕度，線纜風擺，逆變器內(nèi)部的電壓變化以及電磁干擾等。

這時，我們再來反觀IEC62109中的檢測要求。測試模型中其實并沒有檢測高頻容性漏電的要求。有的則是在高頻容性漏電的基礎(chǔ)上突加阻性漏電，以檢驗這時候突變漏電的可靠性。

圖 11

為了說明逆變器中容性疊加阻性這一測試要求，這里引入汽車漏電保護的要求

舉例IEC62752汽車漏電保護。漏電流檢測的項目中有一項要求是在正常檢測工頻50Hz漏電流基礎(chǔ)上，疊加1KHz波形。標準中就明確注明了疊加1KHz的目的：模擬運行中的各種干擾工況。要求測試中系統(tǒng)的保護閾值以50Hz為基準，但不能受1KHz波形的干擾。法規(guī)同樣認可你可以提前濾除高頻的干擾再做檢測判斷。