無(wú)隔離變壓器光伏逆變器的設計技術(shù)

中心議題：

• 并網(wǎng)光伏逆變器的基本設計

• 無(wú)隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關(guān)鍵

• 光伏逆變器正常運行狀態(tài)下的漏電電流分析

• 光伏組件中的故障電流分析

• 進(jìn)入交流電網(wǎng)的直流分量之分析

并網(wǎng)光伏逆變器的基本設計

無(wú)論采用何種技術(shù)，逆變器的基本設計都很明確，且非常相似。其核心就是將直流電壓（光伏組件）轉換成交流電壓（可并網(wǎng)）的過(guò)程。在轉變的過(guò)程中，不停地轉換直流電的正負極連接，從而形成方向變化的交流電。所以，逆變器的關(guān)鍵部件是橋接開(kāi)關(guān)（晶體管元件，見(jiàn)圖1a）），這個(gè)開(kāi)關(guān)橋的一側連接輸入的直流電源，在另一側連接交流電網(wǎng)。在工作過(guò)程中，只有兩個(gè)相對的開(kāi)關(guān)可以同時(shí)關(guān)閉。

如果將此開(kāi)關(guān)橋的開(kāi)關(guān)速度設置成與電網(wǎng)頻率相同，則在理論上可以將橋的輸出側與電網(wǎng)連接。但是，由于這樣輸出的電流是方波，且強度沒(méi)有變化，因此需要在輸出端安裝一個(gè)具有鐵芯的電感器，用以將輸出電流控制成為正弦波形狀。橋的斷開(kāi)采用脈沖過(guò)程進(jìn)行，從而形成與脈沖相關(guān)的較小電流分量。這樣的電流分量可以對電感器的電流進(jìn)行控制。脈沖的頻率一般為20KHz ， 這樣就完全可以形成50Hz的電流，見(jiàn)圖1b）。

對于光伏逆變器來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)非常重要的設備不能遺漏：輸入端的電容器，見(jiàn)圖1c ） 。電容器的作用是儲存電能，確保來(lái)自發(fā)電側的電流持續一致供給橋接開(kāi)關(guān)，并通過(guò)與電網(wǎng)頻率同步變化的橋進(jìn)入電網(wǎng)。只有在輸入電容器的容量足夠大的情況下，才能夠保證光伏發(fā)電系統的持續、正常運行。

圖1：光伏逆變器的基本設計

圖2描述了可用于直接并網(wǎng)的逆變器的基本功能。但在實(shí)際應用中，輸入電壓的范圍具有一定的局限性。對于并網(wǎng)發(fā)電應用，其輸入電壓必須在任何時(shí)刻都高于電網(wǎng)的峰值電壓。當電網(wǎng)電壓的有效值為250V時(shí)，達到正常并網(wǎng)要求的發(fā)電源側的最低電壓應為354V。

圖2：最常用的逆變器電路圖表一覽

與標準逆變器的基本設計不同，直接并網(wǎng)逆變器有很多方法來(lái)調整或提升輸入電壓范圍。常用的逆變器技術(shù)方案與結構都各不相同：

上面提到的逆變器拓樸結構不僅在電氣隔離方面不同，在可達到的效率、對電壓的依賴(lài)性等方面也各不相同。因此，沒(méi)有統一的公式來(lái)界定何種逆變器設計是最優(yōu)秀的設計，用戶(hù)必須要考慮到具體使用的逆變器特性。

無(wú)隔離變壓器光伏逆變器的技術(shù)關(guān)鍵

目前，只要光伏發(fā)電站設計合理，完全可以經(jīng)濟運行。直接并入電網(wǎng)的無(wú)變壓器型逆變器因為其低成本、高效率而日益受到重視。但是，該技術(shù)仍然被認為是“有問(wèn)題的”。這一點(diǎn)將在下面進(jìn)行檢驗和說(shuō)明。

變壓器將電能轉化成磁能，再將磁能轉化成電能。在輸入與輸出端之間安裝的電氣隔離裝置導致的能量損失可達到1%，甚至高達2%。因此，無(wú)變壓器型逆變器的運行效率要比變壓器型逆變器高。這種技術(shù)還有很多其它的優(yōu)點(diǎn)，例如材料消耗少、重量輕等。

總而言之，無(wú)變壓器型逆變器相對體積較小、重量較輕、價(jià)格也比較便宜，在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢。雖然光伏發(fā)電站的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施，在設計直接并網(wǎng)的逆變器時(shí)還是應該考慮到以下幾個(gè)方面。

圖5：外觀(guān)相同，內部電路不同：變壓器型和無(wú)變壓器型兩種Sunny Boy效率特性。

正常運行狀態(tài)下的漏電電流

將來(lái)自光伏組件的電壓采用高頻率（20kHz）轉換過(guò)程中，高頻電壓應等同于電網(wǎng)電壓峰值；這些電壓在逆變器內部被認為是干擾，濾波器可以阻斷這些干擾，防止其進(jìn)入電網(wǎng)。但在理論上，阻止來(lái)自發(fā)電電源側的直流分量進(jìn)入交流電網(wǎng)是不可能絕對實(shí)現的。

這樣，根據所采用逆變器結構的不同，在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽(yáng)能電池組和/或者其接線(xiàn)端對地存在交流電壓，將產(chǎn)生“漏電電流”，通過(guò)寄生電容流向電池組接地點(diǎn)。

圖6：Sunny Boy 2100TL逆變器光伏電池組對地電壓

圖7：Sunny Boy 5000TL HC多組串逆變器光伏電池組對地電壓

下面我們以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC兩種逆變器為例。如上圖所示。這兩種逆變器的運行會(huì )在其電子部分產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)的電勢，它們的光伏組件對地電壓也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型橋結構，加在光伏組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。

多組串逆變器SB5000TL HC則采用電容半橋結構。橋的中線(xiàn)直接連接在電網(wǎng)的中線(xiàn)上。這樣的結果就是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值，其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分，只相當于變壓器拓撲結構中的電壓紋波量。

除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮，漏電電流的大小還取決于光伏組件寄生電容的大小，該電容值大小與電池面積及組件與邊框之間的距離相關(guān)。因此，關(guān)于漏電電流情況，應該在設計系統時(shí)就仔細考慮逆變器的結構和光伏組件尺寸。面積越大、電池與光伏組件邊框之間的距離越小，產(chǎn)生的漏電電流就越大。無(wú)邊框結構光伏組件的漏電電流值很低。然而，安裝在不銹鋼箔上的非晶電池會(huì )產(chǎn)生很大的漏電電流。

外部條件也會(huì )對漏電電流產(chǎn)生影響，因此不可避免會(huì )產(chǎn)生一定的波動(dòng)。如果沉淀物或者清潔液弄濕了光伏組件，漏電電流就會(huì )增加；這些液體中的電子物質(zhì)成分縮短電池與電池間的距離，造成漏電電流升高。

總之，光伏組件在運行時(shí)的漏電電流（正常情況下）取決于很多運行條件，沒(méi)有定值來(lái)衡量。以H型橋逆變器（如Sunny Boy 2100TL）為例，在運行過(guò)程中光伏組件的漏電電流值在1-30mA/KWp范圍內。

光伏組件中的故障電流

在并網(wǎng)應用的光伏電站中，只能使用電池片與邊框有可靠絕緣的光伏組件。組件要具有雙倍或超強的絕緣措施，并且要充分考慮光伏組件的系統耐壓性，以保證即使在光伏系統運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面，不會(huì )造成危險。目前，所有的光伏組件可以達到Ⅱ級防護，在選擇時(shí)并沒(méi)有太嚴格的限制。

如上所述， 對于無(wú)變壓器型逆變器，在運行時(shí)光伏組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當觸摸組件表面時(shí)，可能會(huì )產(chǎn)生對地的故障電流。如果組件的絕緣足夠好，一般來(lái)說(shuō)很難有這樣的電流產(chǎn)生。但是，故障電流放電的強度會(huì )隨一些條件的變化而增加，如光伏電池距離縮短（這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少）、接觸面積增加等。比如：由于清潔光伏組件的液體中含有導電物質(zhì)，會(huì )造成導電面積擴大，從而導致意外的故障電流。在這種情況下雖然無(wú)法對危險電流預先檢測，但如果發(fā)生意外會(huì )造成一定的危險。為了避免由此（類(lèi)似突然從梯子上掉下來(lái)等）產(chǎn)生的安全隱患，也為了避免危險，在建設光伏并網(wǎng)發(fā)電系統時(shí)，用戶(hù)應該遵循以下步驟：

1）將光伏組件的邊框以及其他導電氣部分與接地線(xiàn)連接
2）在對系統進(jìn)行維護或對光伏組件進(jìn)行清理時(shí)，斷開(kāi)逆變器與電網(wǎng)的連接

有了這些保護措施，人員安全就能夠得到完全的保障。設計精密的無(wú)變壓器型逆變器還有額外的保護，即使超過(guò)電氣隔離型逆變器要求的安全標準，也勿需擔心安全問(wèn)題。

在該類(lèi)型逆變器中， 要對組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進(jìn)行持續監測， 一旦產(chǎn)生故障電流（ 大于3 0mA） ， 逆變器立即斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接。然而，現實(shí)應用中對故障電流的監測比簡(jiǎn)單監測漏電電流大小更為復雜。漏電電流在系統運行狀態(tài)下是隨時(shí)變化的，在并網(wǎng)之前無(wú)從得知當前的數值。因此，在每次逆變器接入電網(wǎng)前，會(huì )檢測光伏組件的絕緣電阻。只有當