非隔离型并网光伏发电系统中漏电流的分析与保护

王凯欣，方 刚，程 尧，李浩洋，谢胜仁，曾维波

(1.江苏固德威电源科技股份有限公司，苏州 215163；2.苏州大学轨道交通学院，苏州 215131)

0 引言

随着社会的发展，人类对能源的需求日益增加，光伏发电以清洁、环保、建设周期短、分布范围广等特点在世界未来能源计划中占据了重要地位；而光伏发电系统是实现光能转换为电能的重要方式。

在非隔离型并网光伏发电系统中，光伏阵列直流侧与公共电网之间若无变压器进行隔离，而是电气直接连接，会使并网光伏发电系统与大地之间产生共模电流，即漏电流[1-2]。漏电流的存在会加剧光伏组件潜在的电势诱发衰减(potential-induced degradation，PID)效应，危及人身及财产安全，增加光伏发电系统的系统损耗，并降低系统效率。因此，针对减小非隔离型并网光伏发电系统的漏电流和漏电流保护进行研究非常有必要。关于此问题，国内外学者提出了一种全新的光伏逆变器拓扑结构及相应的调制策略，主要方法是通过控制逆变器输出零电平阶段来实现光伏发电直流侧与逆变器输出交流侧的解耦，达到消除漏电流的目的[2]。针对解耦方式，对于单相逆变器而言，学术界提出了直流旁路和交流旁路的全桥逆变拓扑结构，比如H5、H6、HERIC(highly efficient reliable inverter concept)等，但上述拓扑结构均存在逆变器效率低或因已申请专利而无使用权的问题[3-8]；而对于三相逆变器来说，其无法直接采用单相逆变器的解耦方法，因此需要提出新的抑制漏电流的策略。

基于上述问题，本文提出了一种减小非隔离型并网光伏发电系统中漏电流的方法，首先对非隔离型并网光伏发电系统中漏电流的路径进行了分析，建立了漏电流电路模型，然后提出减小漏电流的方法并进行漏电流保护分析，最后通过实验验证了所提出方法的正确性和有效性。

1 非隔离型并网光伏发电系统中漏电流的分析

1.1 漏电流的产生原因

非隔离型并网光伏发电系统中的漏电流包含绝缘阻抗产生的漏电流和调制共模电压产生的漏电流。非隔离型光伏发电系统中漏电流的路径如图1所示，其由光伏电源、寄生电容、T型三电平三相并网逆变器模块、LC滤波器、Y电容和电网等部分组成。

图1 非隔离型并网光伏发电系统的漏电流路径Fig.1 Leakage current path of non-isolated grid-connected PV power generation system

图1 中，Lcom为共模电感；L为滤波电感；C为滤波电容；Cac、Cdc分别为逆变器交流侧并网线缆和光伏阵列直流侧线缆对地的寄生电容，这2个值的大小均取决于线缆的长度；Cy为逆变器内部的Y电容；Cpv为光伏组件对地的寄生电容，其值主要取决于光伏组件的封装材料及其对地面积。

非隔离型并网光伏发电系统中存在3条漏电流路径：开关切换产生的高频脉冲经LC滤波器与直流母线电容在光伏发电系统内形成漏电流，此为第1条漏电流路径；共模电压经过逆变器内部的共模电感、Y电容，以及电网阻抗和光伏组件对地的寄生电容后形成第2条漏电流路径；而共模电压经过逆变器内部的共模电感、逆变器交流侧并网线缆对地的寄生电容、光伏组件对地的寄生电容后形成第3条漏电流路径。

非隔离型并网光伏发电系统中由于硬件导致漏电流产生的原因包含光伏组件对地的寄生电容、光伏阵列直流侧线缆对地的寄生电容、逆变器交流侧并网线缆对地的寄生电容，以及逆变器内部为解决电磁干扰问题引入的Y电容。

由于软件导致漏电流产生的原因为采用的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)方式给调制波注入的三次谐波使母线对中性点有150 Hz 的低频电压信号，从而产生了低频漏电流。由于三相桥臂开关器件的高频切换，整个共模谐振回路还具有高频漏电流。

光伏发电系统绝缘阻抗产生的漏电流相较于整个共模谐振回路的漏电流而言可以忽略，因此只分析共模谐振回路的漏电流，即上文中提到的第1条和第2条漏电流路径。对这2条漏电流所流经的路径建模，具体如图2所示。其中，Rbo为人体触电电阻；Cbus为逆变器的母线电容；Rg为电网阻抗。

图2 漏电流电路模型Fig.2 Leakage current circuit model

1.2 漏电流保护

由上述分析可知，光伏发电系统中的漏电流由低频信号和高频信号组成。若发生人体触电，还会有直流瞬变漏电流产生。

为了避免漏电流引发的火灾等安全问题，NB/T 32004-2018《光伏并网逆变器技术规范》中提出了如下要求：对于30 kVA以下的逆变器，光伏发电系统中的稳态漏电流需要小于300 mA；对于30 kVA以上的逆变器，光伏发电系统中的稳态漏电流需小于10 mA/kVA。

为了保护人体免受触电危害，上述规范还规定对于30 mA的瞬变漏电流，逆变器需要在300 ms与电网断开；对于60 mA的瞬变漏电流，逆变器需要在150 ms与电网断开；对于150 mA的瞬变漏电流，逆变器需要在40 ms与电网断开。然而，非隔离型并网光伏发电系统中的漏电流构成很复杂，这导致设计符合规范中要求的漏电流保护变得较为困难。

2 逆变器中漏电流保护的处理方式

2.1 逆变器中漏电流减小的方法

由共模谐振回路的漏电流路径可以看出，漏电流由共模电压通过谐振回路的阻抗产生，因此，抑制漏电流主要有以下4种方式：

1)增大共模电感。在共模电压一定的情况下，增大共模电感的值，可以有效抑制漏电流。但是增大共模电感值会导致光伏发电系统的成本及电感体积的增加。

2)增大LC滤波器的滤波电容。由图2可以看出，滤波电容给逆变器内部的漏电流提供了一个低阻抗的通道。滤波电容的电容值越大，该路径中的漏电流越大，逆变器外部的漏电流就越小。但是采用大电容的滤波电容会相应增加成本，且电容值增大，无功功率也会增加，使流过电感与开关管的电流相应增加，这会增加光伏发电系统的系统损耗。

3)减小Y电容的值。减小Y电容的值可使光伏发电系统外的漏电流阻抗变大，但是Y电容的值减小会降低光伏发电系统的电磁干扰性能指标。

4)选取合适的光伏组件。由于光伏组件对地的寄生电容值的大小是由光伏组件的封装材料决定的，挑选寄生电容小的光伏组件有利于降低漏电流。

2.2 逆变器中漏电流的保护方法

光伏发电系统中的共模电压ucom的计算方式为：

式中，uAO、uBO、uCO分别为逆变器输出的A相、B相、C相电压。

对于稳态漏电流I的处理，由于其中包含交、直流分量，可根据式(2)进行计算：

式中，Idc为直流漏电流分量；Iac为交流漏电流分量；ω为Iac的角频率；T为时间周期；t为时间。

对式(2)进行简化，可以求得I，即：

对于由人体触电引入的瞬变漏电流ΔI，可通过ΔI=I1–I2求得，其中，I2为人体电阻接入前的漏电流，I1为人体电阻接入后的漏电流。因为ΔI是由母线正极(或负极)对地的电压加在人体电阻上产生，因此该瞬变漏电流包含交、直流瞬变漏电流分量。母线正极(或负极)对地的交流电压Vac可表示为：

式中，VR、VS、VT分别为有效值为220 V的R相、S相、T相电网电压。

根据式(4)，可以推导出Vac的有效值为48 V。

由漏电流共模谐振回路可知，母线正极(或负极)对地的直流电压为0.5VBus＞300，其中VBus为母线电压。当母线正极(或负极)对地的电压较高且人体电阻为1000 Ω时，人体电阻引入的交流瞬变漏电流为48 V/1000 Ω=0.048 A，人体电阻引入的直流瞬变漏电流至少为300 V/1000 Ω=0.3 A，远大于交流瞬变漏电流。综上可知，人体电阻导致的漏电流中交流瞬变漏电流的有效值增加对于光伏发电系统的影响可以忽略。

由于逆变器只能采集到光伏发电系统中的总漏电流，而对于人体电阻引入的瞬变漏电流，则可以通过逆变器采集到的总漏电流的平均值的差值进行判断。求取平均值时选择的周期取决于低频漏电流的频率，并需满足NB/T 32004-2018中对于保护时间的要求。例如，低频漏电流的时间周期为6.67 ms，则可选用6.67 ms的整数倍作为平均值的取样周期。经实际验证，证明此种选取方式可以满足规范中的要求。

3 逆变器减小及保护漏电流实验

3.1 实验设备及参数

常用的三相非隔离型并网光伏逆变器多为三电平拓扑结构，主要包括中点钳位型(nautral point clamped，NPC)，有源中点钳位型(active nautral point clamped，ANPC)和T型这3种三电平电路结构。与采用前2种电路结构的逆变器相比，T型三电平逆变器的每相减少了2个钳位二极管，可以降低光伏发电系统的损耗并减小逆变器的体积，广泛应用于所需逆变器功率较小的场合。

而对于逆变器调制，综合考虑控制复杂度、技术成熟水平和调制效果等方面的因素，目前多采用SVPWM方法对逆变器进行调制。

实验逆变器为1台功率为6 kW的T型三电平三相逆变器，其具体拓扑结构与图1中的逆变器拓扑结构一致。

进行实验模拟时的相关设置如下：所用电网的接线方式为TN接地；光伏发电系统为非隔离型并网光伏发电系统(与图1一致)；光伏阵列正、负极对地的电容均取2.2 μF，以便于模拟光伏组件对地的寄生电容，即Cpv为2.2 μF；逆变器交流侧并网线缆的寄生电容、光伏阵列直流侧线缆对地的寄生电容及逆变器内部的Y电容均选用10 nF的小电容，即Cac、Cdc、Cy的取值均为10 nF；LC滤波器由10 μF的滤波电容与2 mH的滤波电感组成，即C的取值为10 μF、L的取值为2 mH；共模电感采用三相共模电感，Lcom的取值为0.5 mH；直流母线电容为200 μF；最大功率点直流电压Vmppt为600 V。具体的实验参数如表1所示。

表1 实验参数Table 1 Experiment parameters

3.2 漏电流的减小实验

由于高频共模电压是由桥臂开关器件的高频切换产生的，如图3所示，共模电压的频率与桥臂开关的切换频率一致，这说明此为共模电压的高频成分。图4为母线正极对中性点的低频电压信号。由图4可知，母线正极对中性点有150 Hz的低频电压信号，这是由SVPWM而产生的共模电压的低频成分。

图3 共模电压频率与桥臂开关切换频率图Fig.3 Picture of common mode voltage frequency and bridge arm switching frequency

图4 母线正极对中性点的低频电压信号Fig.4 Low-frequency voltage signal from positive pole of bus to neutral point

低频和高频共模电压信号均是产生漏电流的激励，通过图3和图4可以验证漏电流的存在。

图5为漏电流的测量位置图。图中，1、2、3均为漏电流的测量位置；A、B、C、O分别为A相线、B相线、C相线、中性线。其中，第1处为逆变器内部检测漏电流的位置，第2处为光伏发电系统的总漏电流，第3处为LC滤波电容上的漏电流，第4处为逆变器内部Y电容产生的漏电流。

图5 漏电流的测量位置Fig.5 Location of leakage current measurement

由于实验所采用的光伏阵列内部对地的Y电容值小于实际光伏组件对地的寄生电容，所以测量得到的光伏发电系统的总漏电流很小，为了尽量符合实际现场的应用，测量漏电流波形时，光伏阵列正、负极对地各加入2.2 μF的电容模拟光伏组件对地的寄生电容，并对比该模拟电容加入前、后的波形，具体如图6、图7所示。

图6 模拟电容加入前光伏发电系统的总漏电流Fig.6 Total leakage current of PV power generation system before simulation capacitor is added

图7 模拟电容加入后光伏发电系统的总漏电流Fig.7 Total leakage current of PV power generation system after simulation capacitor is added

从图6、图7中可以看出，加入模拟电容后，光伏发电系统的总漏电流由加入前的30.4 mA变为639 mA，这说明增大光伏组件对地的寄生电容会引起光伏发电系统总漏电流的增加。根据规范，漏电流的上限为700 mA，超过该值会带来安全隐患。这也验证了上文提到的通过选取寄生电容较小的光伏组件来减小漏电流方法的有效性。

结合图2可以看出，LC滤波电容与母线电容形成的振荡回路为漏电流提供了一个逆变器内部的低阻抗通道，能起到分流作用，且LC滤波电容的电容值越大，该路径的漏电流就越大，可有效降低逆变器外部光伏发电系统的漏电流。图8为LC滤波电容上的漏电流情况。从图8可以看到，电网侧LC滤波电容上的漏电流值为2 A，远大于光伏发电系统的总漏电流，这说明逆变器内部的低阻抗通道的分流作用明显。这也从侧面验证了上文所提的通过增大LC滤波电容来减小逆变器外部漏电流方法的有效性。

图8 LC滤波电容上的漏电流情况Fig.8 Leakage current on LC filter capacitor

3.3 漏电流保护实验

由于人体阻抗存在差异，规范中对不同漏电流时逆变器的断开时间有不同的要求，本实验中模拟的是人体触电60 mA时逆变器的漏电流保护效果。逆变器的漏电流保护效果波形图如图9所示。

图9 逆变器漏电流保护效果Fig.9 Leakage current protection effect of inverter

从图9可以看出，从60 mA漏电流产生，到逆变器与电网断开，共历时130 ms，小于规范中规定的150 ms。由此可知，本文采用的逆变器可以满足规范中对漏电流保护的要求。

4 结论

本文对非隔离型光伏发电系统漏电流的产生原因及减小漏电流的方法进行了分析；并以带LC滤波器的T型三电平三相逆变器为实验对象，验证了所提漏电流保护方法的有效性。