——浙江巨磁智能技術(shù)公司 曹宏達(dá)
前言
近年來(lái)，分布式逆變器持續(xù)火熱，包括IGBT，SiC，GaN等核心材料的相對(duì)成熟，功率密度要求不斷上升，逆變器的單機(jī)功率千瓦數(shù)也因此不斷得以提高。占據(jù)市場(chǎng)主流的逆變器，功率已經(jīng)從50~60KW過(guò)渡至70~80KW，單機(jī)功率上百千瓦的逆變器也已蓄勢(shì)待發(fā)，隨時(shí)準(zhǔn)備走向市場(chǎng)。
單機(jī)功率的增大，對(duì)逆變器的整體設(shè)計(jì)變得十分嚴(yán)格。其中漏電檢測(cè)就是非常核心的一塊。它需要克服隨功率增大而帶來(lái)的：大量程、電磁干擾、不同的漏電模式等問(wèn)題。這次來(lái)討論其中之一的高頻漏電。
逆變器常見(jiàn)對(duì)地漏電的幾種類型
【非隔離型PV系統(tǒng)對(duì)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(huì)導(dǎo)致電流通過(guò)人體和大地形成漏電回路。
圖 1
圖 2
【隔離型PV系統(tǒng)對(duì)地漏電】
而加入隔離型變壓器之后，一次和二次端都沒(méi)有直接連接大地。這時(shí)候觸碰輸出端，則不會(huì)形成有效的漏電回路。
圖 3
圖 4
【高頻對(duì)地漏電】
而重點(diǎn)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(shí)，部分輸出電流會(huì)經(jīng)由EMI Y電容流經(jīng)PV 組件對(duì)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(duì)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(yán)重。
圖 5
高頻漏電的處理及保護(hù)與否?
(1)要了解逆變器中高頻漏電是否需要保護(hù)，首先要知道漏電保護(hù)的目的是什么?
一般對(duì)漏電流的幾種保護(hù)目的：
其一為對(duì)人體安全的保護(hù)，設(shè)定為短時(shí)間的突變，如30mA要在內(nèi)完成報(bào)警保護(hù)。
其二為系統(tǒng)設(shè)備防止火災(zāi)的保護(hù)。通常保護(hù)閾值設(shè)定為300mA，設(shè)備功率較大的，閾值會(huì)隨功率段的增大而增大。
其三為對(duì)直流6mA及以下漏電流的檢測(cè)，其目的為檢測(cè)對(duì)地絕緣阻抗值，通過(guò)檢測(cè)對(duì)地電壓的變化量來(lái)確認(rèn)系統(tǒng)對(duì)地泄露電是否正常。
而高頻容性漏電隨著逆變器的運(yùn)行實(shí)時(shí)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(hù)人體安全的突變漏電和絕緣檢測(cè)。而從防火的角度來(lái)看，高頻漏電更多是由時(shí)間很短的奇次諧波構(gòu)成，其能量相對(duì)較弱，不足以引發(fā)火災(zāi)。且這些高次諧波可以通過(guò)硬件的方式將其去除掉。對(duì)高頻容性漏電的定位存在一定爭(zhēng)議。
圖 6
既然對(duì)這些高頻容性漏電的保護(hù)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(huì)引起煤礦漏電保護(hù)系統(tǒng)做出誤判，導(dǎo)致在正常的生產(chǎn)情況下，漏電保護(hù)系統(tǒng)向斷路器發(fā)出錯(cuò)誤的斷電信號(hào)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的事故隱患。
加入變頻器導(dǎo)致煤礦漏電保護(hù)系統(tǒng)誤判的原因主要有以下2點(diǎn)：
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(guò)程中產(chǎn)生的矩形方波和逆變過(guò)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(duì)地電容的存在，且電機(jī)機(jī)殼之間、繞組對(duì)地之間還有寄生電容，以及機(jī)器內(nèi)部本身有Y電容。高次諧波會(huì)在電容上產(chǎn)生電流，即零序電流，從而使得煤礦漏電保護(hù)器系統(tǒng)誤判，發(fā)出斷電信號(hào);
圖 8
② 高頻干擾：
變頻器中的高頻、高脈沖比常規(guī)信號(hào)還要高，監(jiān)測(cè)點(diǎn)很難分辨這是干擾信號(hào)還是正常信號(hào)，這種情況下，系統(tǒng)很難保證檢測(cè)值的可靠性，從而導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)的誤判動(dòng)作。并且干擾導(dǎo)致的系統(tǒng)檢測(cè)與實(shí)際保護(hù)目標(biāo)點(diǎn)相比，既會(huì)出現(xiàn)偏高，也會(huì)出現(xiàn)偏低。對(duì)后端的保護(hù)，輕者，頻繁保護(hù)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。重者，在該保護(hù)的情況不保護(hù)，對(duì)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(wèn)題。
關(guān)于EMC與漏電流之間的關(guān)系，筆者會(huì)在后續(xù)的文章中說(shuō)明。
由變頻器自己產(chǎn)生的高次諧波，對(duì)整個(gè)礦井系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，可以通過(guò)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(cè)也越來(lái)越顯得重要，它能監(jiān)控設(shè)備對(duì)地阻抗的實(shí)時(shí)值，能反應(yīng)設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間工作后有無(wú)泄漏電流等問(wèn)題。
硬件修正法：
圖 9
軟件修正改法：
在經(jīng)過(guò)一系列的硬件處理過(guò)后，高次諧波漏電會(huì)被去除大部分，但仍然會(huì)留下一小部分。而且會(huì)趨向于平滑。對(duì)于此時(shí)的平滑漏電，一般采取提高變頻器保護(hù)閾值的方法來(lái)操作。每個(gè)礦井的環(huán)境有所不同，所以這個(gè)閾值的選擇也需要分別調(diào)試。
(2) 在專門處理漏電檢測(cè)的低壓電器行業(yè)，對(duì)于高頻容性漏電又是怎樣進(jìn)行保護(hù)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(chǎng)端了解到，早期在給變頻器選用漏保的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行時(shí)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(shí)大家都更傾向于選擇帶漏電保護(hù)可調(diào)功能的漏保裝置。原因是機(jī)器在運(yùn)行時(shí)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(hù)的對(duì)象。其危害性較小，它的存在影響到了人體安全保護(hù)及火災(zāi)漏電保護(hù)的準(zhǔn)確性。
圖 10
所以在我們經(jīng)常能見(jiàn)到很多漏保上會(huì)有可調(diào)節(jié)漏電保護(hù)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(hù)閾值的大小做一定比例分配。一般采取的比例為：
保護(hù)閾值(IΔn)=真實(shí)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(hù)閾值的30%，不然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)頻繁報(bào)警無(wú)法正常工作。
回歸到光伏逆變器中漏電流的檢測(cè)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(shí)時(shí)漏電流值都會(huì)受寄生電容及自己本身的電壓變化影響。考慮到安規(guī)，逆變器的功率段越大，所需要用到的吸收電容總?cè)葜稻驮酱蟆Ｔ谔岣吡丝闺娋W(wǎng)電壓沖擊和EMC抗擾度能力的同時(shí)，也間接增加了高頻容性漏電。對(duì)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(duì)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(duì)于偏軟件處理的漏電檢測(cè)也分兩種方案)
① 對(duì)所采集到的所有漏電成分都進(jìn)行累加計(jì)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(hào);同時(shí)由于高頻容性漏電的存在，它會(huì)對(duì)逆變器突變漏電保護(hù)和持續(xù)漏電保護(hù)的準(zhǔn)確性造成很大的影響。
舉例：
一臺(tái)較大功率的逆變器在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，由于其前端連接的組件數(shù)量較多，整機(jī)運(yùn)行起來(lái)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(chǎng)的影響因素不定，其基礎(chǔ)漏電由無(wú)數(shù)個(gè)大小時(shí)間各不相同的諧波組成。這時(shí)候任何一點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)變化都會(huì)放大漏電檢測(cè)的真實(shí)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(fēng)擺，逆變器內(nèi)部的電壓變化以及電磁干擾等。
這時(shí)，我們?cè)賮?lái)反觀IEC62109中的檢測(cè)要求。測(cè)試模型中其實(shí)并沒(méi)有檢測(cè)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(yàn)這時(shí)候突變漏電的可靠性。
圖 11
為了說(shuō)明逆變器中容性疊加阻性這一測(cè)試要求，這里引入汽車漏電保護(hù)的要求
舉例IEC62752汽車漏電保護(hù)。漏電流檢測(cè)的項(xiàng)目中有一項(xiàng)要求是在正常檢測(cè)工頻50Hz漏電流基礎(chǔ)上，疊加1KHz波形。標(biāo)準(zhǔn)中就明確注明了疊加1KHz的目的：模擬運(yùn)行中的各種干擾工況。要求測(cè)試中系統(tǒng)的保護(hù)閾值以50Hz為基準(zhǔn)，但不能受1KHz波形的干擾。法規(guī)同樣認(rèn)可你可以提前濾除高頻的干擾再做檢測(cè)判斷。
圖 12
圖 13
兩個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證方式相比就不難發(fā)現(xiàn)，高頻部分都是作為影響真實(shí)漏電檢測(cè)的干擾量。
② 對(duì)采集到的漏電軟件濾除所有高頻部分，只保留下低頻至直流的漏電。
這種方式的好處在于，系統(tǒng)只對(duì)認(rèn)為要保護(hù)的漏電進(jìn)行保護(hù)，不受高頻部分的影響。它對(duì)真實(shí)漏電報(bào)警的準(zhǔn)確率會(huì)大大提升。但缺點(diǎn)同樣明顯，以軟件來(lái)區(qū)分真實(shí)漏電和高頻漏電的算法困難度較高，還要占據(jù)大量的運(yùn)算量。
【主硬件處理】：
光伏逆變器通過(guò)自身硬件濾除大部分高頻干擾漏電。但光靠硬件無(wú)法完全去除干凈，此時(shí)傳感器通過(guò)自身內(nèi)部集成的低通濾波，把檢測(cè)到的信號(hào)再一次濾除。將真正需要關(guān)注的漏電流以主體形式體現(xiàn)出來(lái)。
仿真驗(yàn)證測(cè)試如下：
針對(duì)逆變器內(nèi)部剩余存在的高頻漏電，通過(guò)調(diào)節(jié)低通濾波可以將其控制到合理位置。
圖 14
客戶端實(shí)際應(yīng)用：
圖 15
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