太陽(yáng)能逆變器中的接地漏電控制

1、前言

《京都協(xié)議書》致力于各國(guó)政府提高綠色能源的生產(chǎn)并為該項(xiàng)推廣的每個(gè)方案給予補(bǔ)助。各國(guó)政府已經(jīng)決定支持為節(jié)約能源以及可持續(xù)能源而做出的一切努力。這可以說(shuō)明太陽(yáng)能重獲生機(jī)的原因。

正是由于盈利性分析，太陽(yáng)能在幾年前就已經(jīng)成為利益的一個(gè)來(lái)源。實(shí)際上，與生成的可用能源相比，太陽(yáng)能所需要的投資明顯更高。這就是直到該更新承諾和當(dāng)今的電子技術(shù)出現(xiàn)之前的現(xiàn)狀，更新承諾和當(dāng)今的電子技術(shù)使該能源更加有利可圖。

例如，2004年歐洲已經(jīng)裝配了410.5MW太陽(yáng)能，與2003年相比增長(zhǎng)了69.2%。德國(guó)在光伏市場(chǎng)處于領(lǐng)先地位，隨后是日本和美國(guó)。然而西班牙也肯定了其光伏市場(chǎng)重要性的增長(zhǎng)地位（2004年裝配11.8 Mw 而 2003年為6.5MW）。

肯定這一總的趨勢(shì)是世界性光伏電池生產(chǎn)的發(fā)展。去年已經(jīng)生產(chǎn)了1194MW（代表具有平均生產(chǎn)能力3kW的大約40萬(wàn)套系統(tǒng)），也就是說(shuō)比2003年多出450MW，增長(zhǎng)率高于60%。2004年，日本完成了50%以上光伏電池的生產(chǎn)，其他主要來(lái)自歐洲（26%）、美國(guó)（12%）和世界其他國(guó)家（12%）。

2、太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)能電池板由串聯(lián)和并聯(lián)在一起的太陽(yáng)能電池方陣構(gòu)成。然后用玻璃和塑料將這些電池封裝。為了能夠安裝在屋頂上，這些太陽(yáng)能電池板通常被裝在鋁框或鋼框內(nèi)，如圖1所示。

 
（照片1）

（照片2）

圖1 太陽(yáng)能電池板（照片1）和組件（圖2）

現(xiàn)在市場(chǎng)上供應(yīng)有各種各樣的太陽(yáng)能電池，一般來(lái)說(shuō)現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的直流電流在7A到7.5A之間。市場(chǎng)上還有產(chǎn)生不同電流值的其他型號(hào)（例如薄膜太陽(yáng)能電池組件）。
 

3、太陽(yáng)能電池板的特性

太陽(yáng)能電池最大功率由電池的工作點(diǎn)進(jìn)行定義，與一定的電壓（Vm）和電流（Im）相對(duì)應(yīng)（圖2）。當(dāng)電池短路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)恒定電流（電流的大小取決于光的強(qiáng)度）。

 
圖2   太陽(yáng)能電池特性曲線

當(dāng)電池開路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以Voc表示的大約0.6V的電壓。整個(gè)太陽(yáng)能電池板的總電壓取決于板上所使用的太陽(yáng)能電池?cái)?shù)量。一般使用36塊、54塊或72塊電池，產(chǎn)生的相應(yīng)電壓Voc為22V、33V或44V。

而且，還可以將幾塊電池板以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式連接起來(lái)，從而獲得所需要的功率和/或最大允許電壓。小于120V的電壓Voc（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)+25°C時(shí)）視為可以觸摸的安全電壓。

4、太陽(yáng)能電池板輸出與控制

在正常的運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板可以通過(guò)采用特殊的控制流程保持在其最大功率運(yùn)行點(diǎn)。例如，一塊由36塊電池構(gòu)成的太陽(yáng)能電池板根據(jù)不同的溫度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大約14V到18V的電壓。

為了使電池板產(chǎn)生的功率最大，一般采用特殊軟件和專用電子元件來(lái)控制電池的運(yùn)行點(diǎn)。

這種方法所產(chǎn)生的電能一般有兩種用途：
⑴ 用于對(duì)遠(yuǎn)離配電網(wǎng)的自動(dòng)化裝置的電池進(jìn)行充電。這一般稱為“離網(wǎng)系統(tǒng)”（2002年市場(chǎng)占有率為30%）；
⑵  用于作為綠色電能反饋回電網(wǎng)。這種“電網(wǎng)連接”系統(tǒng)將會(huì)在下文予以描述（2002年市場(chǎng)占有率為70%）。
 
經(jīng)逆變器到電網(wǎng)的太陽(yáng)能電池方陣可以通過(guò)變壓器連接，也可以不經(jīng)過(guò)變壓器直接連接，即所謂的無(wú)變壓器，表示無(wú)電隔離系統(tǒng)（圖3）。變壓器可以采用位于逆變器和電網(wǎng)之間的傳統(tǒng)50/60Hz類型，也可以采用作為逆變器直流部分部件的高頻變壓器。

 
圖3   無(wú)電隔離系統(tǒng)

無(wú)變壓器設(shè)計(jì)在改善總效率和降低成本的應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)成為一個(gè)總趨勢(shì)。
高頻變壓器具有重量輕和體積小的優(yōu)點(diǎn)。緊湊和輕重量設(shè)計(jì)具有同樣重要的作用。
還有一個(gè)功率的問(wèn)題。產(chǎn)生較高的功率需要大型變壓器，從而需要更大型的裝置和更高的成本，這也正好說(shuō)明人們對(duì)無(wú)變壓器配置感興趣的原因。

不管使用何種系統(tǒng)，有變壓器也好，無(wú)變壓器也好，關(guān)鍵的問(wèn)題是要保證整個(gè)系統(tǒng)的安全，更重要的是要確保與整個(gè)系統(tǒng)相接觸的人員安全。
作為一個(gè)起點(diǎn)，太陽(yáng)能電池板的金屬框可以接地。對(duì)于較大型的系統(tǒng)，根據(jù)建筑安裝標(biāo)準(zhǔn)的要求必須將太陽(yáng)能電池板接地；由于雷擊的相似性，這種做法在高山地區(qū)也很有用（如瑞士和奧地利）。
在美國(guó)，系統(tǒng)直流部分必須接地。當(dāng)發(fā)生電氣故障時(shí)，接地連接必須中斷，整個(gè)裝置也必須與電網(wǎng)斷開。在下一個(gè)安裝規(guī)范發(fā)布之后，會(huì)有不一定要進(jìn)行接地連接的機(jī)會(huì)。
在歐洲，直流系統(tǒng)接地與否不予限制，但是配有無(wú)變壓器逆變器的直流系統(tǒng)將通過(guò)逆變器電子元件進(jìn)行接地（經(jīng)電網(wǎng)零線）。電池方陣不需要另外的接地連接，以避免產(chǎn)生直流接地電流。
在德國(guó)和其他一些國(guó)家，在可能將逆變器接地和開始運(yùn)行之前必須對(duì)接地絕緣進(jìn)行測(cè)試。在使太陽(yáng)能電池板直流電壓對(duì)地漂移時(shí)，首要的是必須確保安全。觸摸單一點(diǎn)不會(huì)立即發(fā)生危險(xiǎn)。

5、太陽(yáng)能電池板的漏電

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電阻（最小500 k）大于1k/V時(shí)定義為漂移（圖4）。

 
圖4   系統(tǒng)對(duì)地漂移的定義

盡管光伏（PV）方陣可以作為漂移接入，整個(gè)系統(tǒng)的漂移將取決于光伏方陣的最大可能電壓（對(duì)于已經(jīng)安裝的接地電阻）。
在未閉合電流路徑（如通過(guò)電阻器閉合）的情況下不可能測(cè)量可能的接地漏電。由于無(wú)變壓器逆變器在測(cè)量過(guò)程中必須與電網(wǎng)斷開（通過(guò)繼電器觸點(diǎn)），因此對(duì)于有變壓器逆變器和無(wú)變壓器逆變器來(lái)說(shuō)以上原則都是適用的。
對(duì)于無(wú)變壓器PV系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建筑安裝規(guī)范要求一個(gè)B型RCD（剩余電流裝置）。由于光伏方陣的接地故障可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流電流，因此對(duì)直流電流也靈敏的B型還是必需的。這種RCD的缺點(diǎn)是對(duì)干擾脈沖的高靈敏度，實(shí)際上必須將這些干擾脈沖手動(dòng)復(fù)位。綜合了這種功能的逆變器具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）該功能可以與所需的方陣絕緣測(cè)量相結(jié)合；（2）在逆變器開始運(yùn)行之前可完成小直流電流的靈敏度測(cè)量，高頻開關(guān)信號(hào)可能對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾；（3）該功能可以在誤動(dòng)作之后通過(guò)自動(dòng)復(fù)位實(shí)現(xiàn)；（4）最后一點(diǎn)是由于太陽(yáng)能電池和附近的地平面之間電容的存在，在接受較大穩(wěn)態(tài)交流接地電流時(shí)，交流和直流接地電流保護(hù)值可以根據(jù)人身安全水平設(shè)定（30mA）。該電流最大允許設(shè)置為300mA。突然改變30mA可導(dǎo)致斷開。差動(dòng)電流測(cè)量可用于此功能。

6、電流傳感器的直流偏移

對(duì)電網(wǎng)連接的另外一個(gè)要求是不能將直流電流供入電網(wǎng)。各國(guó)的允許電流值各不相同，但是一般要求為標(biāo)稱電流輸出值的0.5%或1%。因此，在逆變器控制環(huán)路中所使用的電流傳感器直流偏移應(yīng)該盡可能的低。
而且，作為逆變器內(nèi)IGBT切換延遲的結(jié)果，直流偏移應(yīng)盡量避免或盡可能的小。這個(gè)直流偏移所能引起的結(jié)果可能是網(wǎng)絡(luò)分配變壓器的飽和。為了減小這個(gè)直流偏移，新的逆變器拓?fù)浼夹g(shù)正在開發(fā)過(guò)程中。必須將輸出電流的全諧波失真（THD）限制在一個(gè)由不同公用程序定義的值。由于尚未協(xié)定一個(gè)真實(shí)值，全諧波失真（THD）會(huì)根據(jù)所涉及國(guó)家的不同而不同。
當(dāng)這些問(wèn)題發(fā)生時(shí)，通常將電路斷路器用于把太陽(yáng)能裝置從電網(wǎng)上斷開。
為響應(yīng)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，提供一種小型低成本可靠的基于電流傳感器的解決方案 ，LEM特別設(shè)計(jì)CT系列（圖5）來(lái)滿足現(xiàn)代太陽(yáng)能拓?fù)浼夹g(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

 
圖5  CT系列電流傳感器（照片）

常規(guī)使用的裝置（如RCD）都是眾所周知的設(shè)備，但是體積相當(dāng)龐大，而且也不符合太陽(yáng)能逆變器的新要求。考慮到直流電流和交流電流都必須通過(guò)由高速IGBT切換而產(chǎn)生的高達(dá)30kHz光譜元件來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些常規(guī)裝置可能會(huì)發(fā)生故障。
阻抗測(cè)量也可以作為一種檢查絕緣水平和檢測(cè)太陽(yáng)能電池板內(nèi)接地故障的方法。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須進(jìn)行三種測(cè)量，即阻抗測(cè)量、電阻率變化+阻抗測(cè)量（用于檢測(cè)太陽(yáng)能電池板內(nèi)對(duì)稱接地故障）以及電壓測(cè)量。

對(duì)于漂移的以及經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)的PV，目前尚無(wú)特別的要求。但是，在啟動(dòng)之前對(duì)PV方陣和地之間的阻抗測(cè)量可作為證明真實(shí)漂移點(diǎn)的方法（對(duì)于最小值500 k/V要求為1 k/V）。要測(cè)量這個(gè)值，可以使用電壓或電流傳感器。
對(duì)于接地的以及經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)的PV，阻抗測(cè)量和/或差動(dòng)電流測(cè)量可用于證明接地連接。
LEM CT系列差動(dòng)電流傳感器用于安全測(cè)量標(biāo)稱值為100mA、200mA和400mA的電流，在標(biāo)稱電流下提供一個(gè)5V的線性電壓輸出。在80%峰值電流時(shí)反應(yīng)時(shí)間小于20ms，在90%峰值電流時(shí)反應(yīng)時(shí)間小于60ms。高技術(shù)（“磁通量閘門”）的使用已經(jīng)成為這些問(wèn)題的解決方案，特別是要對(duì)十分小的直流或交流電流進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)。也可以測(cè)量高達(dá)30kHz的直流元件和交流元件。 CT產(chǎn)品為PCB安裝型體積小重量輕的元件，配有一個(gè)用于插入接地漏電線的開孔。一般來(lái)說(shuō)，CT系列也適合用于其他場(chǎng)合，包括中型功率逆變器場(chǎng)合。

7、結(jié)論

正是有著國(guó)際協(xié)議要求降低礦物燃料所產(chǎn)生的二氧化碳量以及各國(guó)政府派發(fā)的補(bǔ)助支持，根據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，到2010年歐洲可能由太陽(yáng)能所產(chǎn)生的能量大概有4500MW。這可保證電氣測(cè)量要求會(huì)越來(lái)越得以實(shí)現(xiàn)，從而確保質(zhì)量和安全。