低压分布式光伏并网逆变器漏电流阻容性分量分析与提取研究

汪自虎,陈雪薇,乐平富,宋剑枫,林 鹤,牟宇恒,夏 越

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司,江苏 南京 210019;2.中国农业大学,北京 100091)

0 引言

在光伏发电系统中,并网逆变器将光伏电池板所产生的直流电转变为与配电网一致的交流电[1]。并网逆变器根据有无变压器隔离可以分为隔离型和非隔离型两种类型。由于包含变压器,传统的隔离型逆变器不仅体积庞大,且整体效率不高。相反,结构简单、造价低、体积小等优点使得越来越多的光伏并网系统开始使用非隔离型逆变器[2-3]。而在实际应用中,由于非隔离型逆变器的漏电流产生机理不明确,且在复杂工况下无法对漏电流的高频成分进行准确检测并作用于保护装置[4-5],导致漏电、触电事故频繁发生,威胁人身安全,因此漏电流的提取与检测便成为非隔离型光伏并网系统亟需解决的问题[6]。曹洪亮等[7]提出了一种简便的阻性电流提取方法,但该方法在提取的阻性电流峰值处和容性电流补偿算法存在差异。舒成维等[8]基于坐标变换的方法将共模电流分解为剩余电流和漏电流,但该方法只对基波成分的共模电流进行了分解,没有推广到高次谐波。

针对以上问题,本文提出了一种基于不同特性谐波提取的光伏逆变器漏电流检测方法。首先以单相逆变器为例建立非隔离型逆变器并网的等值电路模型,推导共模漏电流形成机理及其波形特性;进而提出了一种漏电流分量提取方法,对漏电流的阻容型分量进行提取;最后通过仿真模拟对非隔离型逆变器实际运行过程进行仿真,根据阻容性分量提取方法对共模漏电流进行提取并分析,验证本文方法的有效性和可行性。

1 共模回路分析

为分析非隔离型逆变器共模漏电流的产生机理,本文以两级式BOOST升压+HERIC逆变电路为例建立模型,提取共模回路。漏电流回路的主电路拓扑如图1所示。图中灰色部分为主电路之外的共模漏电流回路。Q1～Q4为逆变器的桥臂开关管,Q5、Q6为逆变器的续流开关管。Cpv+、Cpv-为PV电池板正负极对大地的寄生电容;Rpv+、Rpv-为模拟人体突然误触光伏电池板正负极的等效对地电阻;C1～C6为逆变器开关管的寄生电容;L1、Ln为逆变器交流侧的滤波电感。

图1 共模漏电流回路模型

该逆变电路存在能量传递以及续流两种工作模态,当开关管Q1&Q4导通或者Q2&Q3导通且同时Q5或Q6有一个断开时为能量传递阶段;当开关管Q1&Q4断开或者Q2&Q3断开且Q5和Q6导通时为续流阶段。电网正半周期和负半周期的情况类似,故以电网电压为正半周期为例进行分析。

在能量传输阶段,此时Q1&Q4导通,Q5断开,共模等效回路如图2所示。

图2 能量传递阶段等效拓扑

因为在共模回路中母线电压为0,所以C3、C2、C5在共模电路中被短路,相应的共模谐振频率如式(1)所示,一般情况下谐振频率接近10 kHz,远低于功率管的开关频率。

(1)

在续流阶段,Q1&Q4断开,Q5导通,此时等效共模回路如图3所示。

图3 续流阶段等效拓扑

同理共模回路中母线电压为0,故C1、C2、C3、C44个寄生电容并联。但由于C1、C2、C3、C4均为寄生电容,通常情况下容值极小,由公式(2)可得此时共模回路谐振频率极高,易产生高频漏电流。

(2)

式中,Cs=C1‖C2‖C3‖C4。

由以上分析可得,首先在能量传递阶段,电源对Cpv进行充放电,此时由于光伏寄生电容和滤波电感的存在,存在高频谐波但有效值较小;当进入续流阶段时,Cpv的充放电已经完成,此时产生高次谐波漏电流,此高次谐波受到滤波电感和寄生电容的影响。

2 共模漏电流分析

在图1中,以PV-为正端,PV+为负端将升压电路、逆变桥以及滤波电感定义为共模电压源Vcm,则共模漏电流Icm的等效回路如图4所示。

图4 等效回路模型

漏电流计算公式如式(3)所示:

(3)

共模电压源基波计算公式如式(4)所示:

(4)

式中,vbasic为共模电压源基值,vgrid为电网电压,Vbus为母线电压,通过分析可知,此时的共模回路中总的电压源的基波Vpvbasic应该是共模电压源基值+光伏电压源的基值,如式(5)所示。

(5)

考虑到开关管开关频率、共模回路谐振等影响,则共模电压源可表示为式(6)。

(6)

上述为容性漏电流成因及机理分析,可得容性漏电流全程均含有大量高次谐波。由工作模态分析得知漏电流在电网电压达到峰值附近时相较电网电压过零小。

由上述式同理可分析阻性漏电流,可以得到阻性漏电流IR的计算公式,如式(7)所示。

(7)

可以得到,阻性漏电流的主要成分为基波和一次谐波,次要成分才是由高频谐振带来的高次谐波。

为验证以上的理论分析,搭建如图1所示的仿真模型,分别用电容和电阻代替寄生电容以及人体等效电阻进行仿真,设置共模电容为50 nF/kW,人体触电电阻为2 kΩ,经过FFT分析后得到的漏电流频谱如图5所示。

图5 容性和阻性剩余电流频谱

由图5可知,容性漏电流特征为全程均含有大量高次谐波;阻性漏电流主要成分应为直流量和基波,次要成分为由高频谐振带来的高次谐波。

3 谐波提取方法

由上文的理论分析可得,容性漏电流和阻性漏电流的成分及特性不同,若将阻性漏电流从总漏电流中解析出来,再通过阻性漏电流和总漏电流计算出容性漏电流,则可以大大提高漏电流保护的精确度。

对基波分量进行分析,首先考虑到电阻线性原件,故对电阻而言其电流和电压一定是同相位的,而电容电流超前其电压90°的。因此针对基波可以采用正交三角函数进行积分来提取阻性基波有效值。设变量Vac是和电网同频同相位的分量。设阻性漏电流Ir、容性漏电流Ic、总漏电流I、总漏电流有效值Iev。则有下列式子。

Vac=Macsin(ωt)

(8)

(9)

(10)

I=IR+IC

(11)

(12)

式中,Mac为电网电压最大值,MR0为阻性漏电流中的直流分量部分,MR1为阻性漏电流中的基波分量最大值,MC1为容性漏电流中的基波分量最大值。

阻性漏电流中的直流分量部分可通过对总漏电流中的一整个周期进行取均值来获得,如式(13)所示。

(13)

其中,m为一个漏电流周期中的采样点的个数。

(14)

将采集到的数据带入上面两式计算阻性漏电流的MR0和MR1,通过采集到的直流和基波有效值计算阻性漏电流的有效值,如式(15)所示。

(15)

容性漏电流计算公式如式(16)所示,由于容性漏电流的衰减,此处计算出来的只是初步有效值,若要保证精度,仍需进行后期的参数修正。

(16)

计算得到相应的阻性漏电流的有效值、容性漏电流有效值后,则可通过分析对比阻性漏电流数值和容性漏电流数值与总的漏电流比值的相对高低来最终确定该漏电流值是更倾向于阻性还是容性,以便采取相应的保护方案。

4 仿真与实验结果

根据上述电路搭建仿真模型进行漏电流提取验证,采用的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

首先,验证前面对阻性漏电流的分析。根据前文的分析,阻性漏电流的主成分由直流分量和一次基波构成。设置漏电流参数为Rpv+=5 kΩ、Cpv+/Rpv-/Cpv-

断开,Vbus=300 V,Rpv+在0.1 s时接入,仿真得到的漏电流如图6所示。

图6 阻性漏电流仿真结果

通过程序对漏电流成分进行提取,提取结果如表2所示。

表2 阻性漏电流提取

从结果中可以看到,尽管在回路的设置上并没有电容,但是电流仍然存在容性部分,其原因则是开关管寄生电容的存在产生了高频震荡和对地电容的存在。所以在提取的时候存在容性部分。通过前文提出的比较阻性漏电流和阻性漏电流与总漏电流差值的大小则可以判断是否正确。由于阻性漏电流有效值大于容性漏电流有效值,可以判断是偏阻性的。

为了证明提取方法的正确性以及验证纯容性情况下的漏电流的情况。设置Cpv-为500 nF,在0.1 s时接入,Cpv+/Rpv+/Rpv-断开。仿真结果如图7所示。

图7 容性漏电流仿真结果

针对该情况实现电流有效值提取,提取结果如表3所示。

表3 容性漏电流提取

从提取的结果可以看到,电流容性分量较大。尽管在寄生电路的设置上并没有电阻,但是漏电流仍然存在阻性部分,其原因是交流侧对地电阻的存在。通常情况下,产生的都是高次谐波,而在提取方法中,高次谐波被归为容性成分。

然后模拟阻容性情况下对电路进行仿真。设置Cpv+为500 nF,Rpv+为3 kΩ,在0.1 s时接入,断开Cpv-/Rpv-。仿真结果如图8所示。

图8 阻容性漏电流仿真结果

漏电流有效值提取结果如表4所示。

表4 阻容性漏电流提取

从图表可以看出漏电流的高频特性和纯容性漏电流保持一致,但由于阻性漏电流直流分量的存在,总漏电流会出现上下偏移。

下面模拟考虑光伏板寄生电容50 nF/kW。初始设置与阻性设置保持一致,当t=0.1 s时接入电阻支路。对比接入电阻支路前后的真实阻性漏电流有效值、总漏电流的有效值以及谐波提取方法的有效值,结果如表5所示。

表5 阻容性漏电流提取

从表中结果可以看出,通过总漏电流有效值做差计算出的突变漏电流非常不准确,而谐波提取方法计算得到的突变漏电流非常准确。

5 结语

本文首先对漏电流的成分分析进行公式推导,然后根据各漏电流成分的特点分别进行漏电流的成分提取。其中由于阻性漏电流的特殊性,故先对阻性漏电流的主成分设计提取方法。在完成了阻性漏电流的有效值提取之后,通过总漏电流有效值完成容性漏电流有效值的提取,为应用场景中逆变器漏电流的检测及保护提供了思路及基础。