太陽(yáng)能逆變器中的接地漏電控制

1、前言

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

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今的電子技術(shù)出現之前的現狀，更新承諾和當今的電子技術(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(cháng)了69.2%。德國在光伏市場(chǎng)處于領(lǐng)先地位，隨后是日本和美國。然而西班牙也肯定了其光伏市場(chǎng)重要性的增長(cháng)地位（2004年裝配11.8 Mw 而 2003年為6.5MW）。

肯定這一總的趨勢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），也就是說(shuō)比2003年多出450MW，增長(cháng)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（12%）和世界其他國家（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，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）

現在市場(chǎng)上供應有各種各樣的太陽(yáng)能電池，一般來(lái)說(shuō)現在的太陽(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（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）相對應（圖2）。當電池短路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)恒定電流（電流的大小取決于光的強度）。

圖2 太陽(yáng)能電池特性曲線(xiàn)

當電池開(kāi)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)能電池數量。一般使用36塊、54塊或72塊電池，產(chǎn)生的相應電壓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（標準狀態(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行點(diǎn)。例如，一塊由36塊電池構成的太陽(yáng)能電池板根據不同的溫度會(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(zhuān)用電子元件來(lái)控制電池的運行點(diǎn)。

這種方法所產(chǎn)生的電能一般有兩種用途：
⑴ 用于對遠離配電網(wǎng)的自動(dòng)化裝置的電池進(jìn)行充電。這一般稱(chēng)為“離網(wǎng)系統”（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（圖3）。變壓器可以采用位于逆變器和電網(wǎng)之間的傳統50/60Hz類(lèi)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

無(wú)變壓器設計在改善總效率和降低成本的應用場(chǎng)合已經(jīng)成為一個(gè)總趨勢。
高頻變壓器具有重量輕和體積小的優(yōu)點(diǎn)。緊湊和輕重量設計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)明人們對無(wú)變壓器配置感興趣的原因。

不管使用何種系統，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)系統的安全，更重要的是要確保與整個(gè)系統相接觸的人員安全。
作為一個(gè)起點(diǎn)，太陽(yáng)能電池板的金屬框可以接地。對于較大型的系統，根據建筑安裝標準的要求必須將太陽(yáng)能電池板接地；由于雷擊的相似性，這種做法在高山地區也很有用（如瑞士和奧地利）。
在美國，系統直流部分必須接地。當發(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(kāi)。在下一個(gè)安裝規范發(fā)布之后，會(huì )有不一定要進(jìn)行接地連接的機會(huì )。
在歐洲，直流系統接地與否不予限制，但是配有無(wú)變壓器逆變器的直流系統將通過(guò)逆變器電子元件進(jìn)行接地（經(jīng)電網(wǎng)零線(xiàn)）。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。
在德國和其他一些國家，在可能將逆變器接地和開(kāi)始運行之前必須對接地絕緣進(jìn)行測試。在使太陽(yáng)能電池板直流電壓對地漂移時(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。

5、太陽(yáng)能電池板的漏電

當系統對地電阻（最小500 k）大于1k/V時(shí)定義為漂移（圖4）。

圖4 系統對地漂移的定義

盡管光伏（PV）方陣可以作為漂移接入，整個(gè)系統的漂移將取決于光伏方陣的最大可能電壓（對于已經(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）的情況下不可能測量可能的接地漏電。由于無(wú)變壓器逆變器在測量過(guò)程中必須與電網(wǎng)斷開(kāi)（通過(guò)繼電器觸點(diǎn)），因此對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。
對于無(wú)變壓器PV系統來(lái)說(shuō)，建筑安裝規范要求一個(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，因此對直流電流也靈敏的B型還是必需的。這種RCD的缺點(diǎn)是對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量相結合；（2）在逆變器開(kāi)始運行之前可完成小直流電流的靈敏度測量，高頻開(kāi)關(guān)信號可能對測量產(chǎn)生干擾；（3）該功能可以在誤動(dòng)作之后通過(guò)自動(dòng)復位實(shí)現；（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，在接受較大穩態(tài)交流接地電流時(shí)，交流和直流接地電流保護值可以根據人身安全水平設定（30mA）。該電流最大允許設置為300mA。突然改變30mA可導致斷開(kāi)。差動(dòng)電流測量可用于此功能。

6、電流傳感器的直流偏移

對電網(wǎng)連接的另外一個(gè)要求是不能將直流電流供入電網(wǎng)。各國的允許電流值各不相同，但是一般要求為標稱(chēng)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該盡可能的低。
而且，作為逆變器內IGBT切換延遲的結果，直流偏移應盡量避免或盡可能的小。這個(gè)直流偏移所能引起的結果可能是網(wǎng)絡(luò )分配變壓器的飽和。為了減小這個(gè)直流偏移，新的逆變器拓撲技術(shù)正在開(kāi)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 )根據所涉及國家的不同而不同。
當這些問(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(kāi)。
為響應不斷增長(cháng)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特別設計CT系列（圖5）來(lái)滿(mǎn)足現代太陽(yáng)能拓撲技術(shù)的標準。

圖5 CT系列電流傳感器（照片）

常規使用的裝置（如RCD）都是眾所周知的設備，但是體積相當龐大，而且也不符合太陽(yáng)能逆變器的新要求?？紤]到直流電流和交流電流都必須通過(guò)由高速I(mǎi)GBT切換而產(chǎn)生的高達30kHz光譜元件來(lái)進(jìn)行監測，這些常規裝置可能會(huì )發(fā)生故障。
阻抗測量也可以作為一種檢查絕緣水平和檢測太陽(yáng)能電池板內接地故障的方法。要實(shí)現這一點(diǎn)，必須進(jìn)行三種測量，即阻抗測量、電阻率變化+阻抗測量（用于檢測太陽(yáng)能電池板內對稱(chēng)接地故障）以及電壓測量。

對于漂移的以及經(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PV方陣和地之間的阻抗測量可作為證明真實(shí)漂移點(diǎn)的方法（對于最小值500 k/V要求為1 k/V）。要測量這個(gè)值，可以使用電壓或電流傳感器。
對于接地的以及經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)的PV，阻抗測量和/或差動(dòng)電流測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量標稱(chēng)值為100mA、200mA和400mA的電流，在標稱(chēng)電流下提供一個(gè)5V的線(xiàn)性電壓輸出。在80%峰值電流時(shí)反應時(shí)間小于20ms，在90%峰值電流時(shí)反應時(shí)間小于60ms。高技術(shù)（“磁通量閘門(mén)”）的使用已經(jīng)成為這些問(wèn)題的解決方案，特別是要對十分小的直流或交流電流進(jìn)行精確測量時(shí)。也可以測量高達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(xiàn)的開(kāi)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、結論

正是有著(zhù)國際協(xié)議要求降低礦物燃料所產(chǎn)生的二氧化碳量以及各國政府派發(fā)的補助支持，根據統計預測，到2010年歐洲可能由太陽(yáng)能所產(chǎn)生的能量大概有4500MW。這可保證電氣測量要求會(huì )越來(lái)越得以實(shí)現，從而確保質(zhì)量和安全。