太陽能逆變器中的接地漏電控制

1、前言

《京都協(xié)議書》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方案給予補(bǔ)助。各國政府已經(jīng)決定支持為節(jié)約能源以及可持續(xù)能源而做出的一切努力。這可以說明太陽能重獲生機(jī)的原因。

正是由于盈利性分析，太陽能在幾年前就已經(jīng)成為利益的一個來源。實際上，與生成的可用能源相比，太陽能所需要的投資明顯更高。這就是直到該更新承諾和當(dāng)今的電子技術(shù)出現(xiàn)之前的現(xiàn)狀，更新承諾和當(dāng)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太陽能，與2003年相比增長了69.2%。德國在光伏市場處于領(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重要性的增長地位（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40萬套系統(tǒng)），也就是說比2003年多出450MW，增長率高于60%。2004年，日本完成了50%以上光伏電池的生產(chǎn)，其他主要來自歐洲（26%）、美國（12%）和世界其他國家（12%）。

2、太陽能電池板
太陽能電池板由串聯(lián)和并聯(lián)在一起的太陽能電池方陣構(gòu)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，這些太陽能電池板通常被裝在鋁框或鋼框內(nèi)，如圖1所示。

（照片1）

（照片2）

圖1 太陽能電池板（照片1）和組件（圖2）

現(xiàn)在市場上供應(yīng)有各種各樣的太陽能電池，一般來說現(xiàn)在的太陽能電池板所產(chǎn)生的直流電流在7A到7.5A之間。市場上還有產(chǎn)生不同電流值的其他型號（例如薄膜太陽能電池組件）。

3、太陽能電池板的特性

太陽能電池最大功率由電池的工作點進(jìn)行定義，與一定的電壓（Vm）和電流（Im）相對應(yīng)（圖2）。當(dāng)電池短路時，產(chǎn)生一個恒定電流（電流的大小取決于光的強(qiáng)度）。

圖2 太陽能電池特性曲線

當(dāng)電池開路時，會產(chǎn)生一個以Voc表示的大約0.6V的電壓。整個太陽能電池板的總電壓取決于板上所使用的太陽能電池數(shù)量。一般使用36塊、54塊或72塊電池，產(chǎn)生的相應(yīng)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，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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)+25°C時）視為可以觸摸的安全電壓。

4、太陽能電池板輸出與控制

在正常的運(yùn)行過程中，太陽能電池板可以通過采用特殊的控制流程保持在其最大功率運(yùn)行點。例如，一塊由36塊電池構(gòu)成的太陽能電池板根據(jù)不同的溫度會產(chǎn)生一個大約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用電子元件來控制電池的運(yùn)行點。

這種方法所產(chǎn)生的電能一般有兩種用途：
⑴ 用于對遠(yuǎn)離配電網(wǎng)的自動化裝置的電池進(jìn)行充電。這一般稱為“離網(wǎng)系統(tǒng)”（2002年市場占有率為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(tǒng)將會在下文予以描述（2002年市場占有率為70%）。

經(jīng)逆變器到電網(wǎng)的太陽能電池方陣可以通過變壓器連接，也可以不經(jīng)過變壓器直接連接，即所謂的無變壓器，表示無電隔離系統(tǒng)（圖3）。變壓器可以采用位于逆變器和電網(wǎng)之間的傳統(tǒng)50/60Hz類型，也可以采用作為逆變器直流部分部件的高頻變壓器。

圖3 無電隔離系統(tǒng)

無變壓器設(shè)計在改善總效率和降低成本的應(yīng)用場合已經(jīng)成為一個總趨勢。
高頻變壓器具有重量輕和體積小的優(yōu)點。緊湊和輕重量設(shè)計具有同樣重要的作用。
還有一個功率的問題。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，這也正好說明人們對無變壓器配置感興趣的原因。

不管使用何種系統(tǒng)，有變壓器也好，無變壓器也好，關(guān)鍵的問題是要保證整個系統(tǒng)的安全，更重要的是要確保與整個系統(tǒng)相接觸的人員安全。
作為一個起點，太陽能電池板的金屬框可以接地。對于較大型的系統(tǒng)，根據(jù)建筑安裝標(biāo)準(zhǔn)的要求必須將太陽能電池板接地；由于雷擊的相似性，這種做法在高山地區(qū)也很有用（如瑞士和奧地利）。
在美國，系統(tǒng)直流部分必須接地。當(dāng)發(fā)生電氣故障時，接地連接必須中斷，整個裝置也必須與電網(wǎng)斷開。在下一個安裝規(guī)范發(fā)布之后，會有不一定要進(jìn)行接地連接的機(jī)會。
在歐洲，直流系統(tǒng)接地與否不予限制，但是配有無變壓器逆變器的直流系統(tǒng)將通過逆變器電子元件進(jìn)行接地（經(jīng)電網(wǎng)零線）。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始運(yùn)行之前必須對接地絕緣進(jìn)行測試。在使太陽能電池板直流電壓對地漂移時，首要的是必須確保安全。觸摸單一點不會立即發(fā)生危險。

5、太陽能電池板的漏電

當(dāng)系統(tǒng)對地電阻（最小500 k）大于1k/V時定義為漂移（圖4）。

圖4 系統(tǒng)對地漂移的定義

盡管光伏（PV）方陣可以作為漂移接入，整個系統(tǒng)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（如通過電阻器閉合）的情況下不可能測量可能的接地漏電。由于無變壓器逆變器在測量過程中必須與電網(wǎng)斷開（通過繼電器觸點），因此對于有變壓器逆變器和無變壓器逆變器來說以上原則都是適用的。
對于無變壓器PV系統(tǒng)來說，建筑安裝規(guī)范要求一個B型RCD（剩余電流裝置）。由于光伏方陣的接地故障可能會產(chǎn)生一個直流電流，因此對直流電流也靈敏的B型還是必需的。這種RCD的缺點是對干擾脈沖的高靈敏度，實際上必須將這些干擾脈沖手動復(fù)位。綜合了這種功能的逆變器具有如下一些優(yōu)點：（1）該功能可以與所需的方陣絕緣測量相結(jié)合；（2）在逆變器開始運(yùn)行之前可完成小直流電流的靈敏度測量，高頻開關(guān)信號可能對測量產(chǎn)生干擾；（3）該功能可以在誤動作之后通過自動復(fù)位實現(xiàn)；（4）最后一點是由于太陽能電池和附近的地平面之間電容的存在，在接受較大穩(wěn)態(tài)交流接地電流時，交流和直流接地電流保護(hù)值可以根據(jù)人身安全水平設(shè)定（30mA）。該電流最大允許設(shè)置為300mA。突然改變30mA可導(dǎo)致斷開。差動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(biāo)稱電流輸出值的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(yīng)該盡可能的低。
而且，作為逆變器內(nèi)IGBT切換延遲的結(jié)果，直流偏移應(yīng)盡量避免或盡可能的小。這個直流偏移所能引起的結(jié)果可能是網(wǎng)絡(luò)分配變壓器的飽和。為了減小這個直流偏移，新的逆變器拓?fù)浼夹g(shù)正在開發(fā)過程中。必須將輸出電流的全諧波失真（THD）限制在一個由不同公用程序定義的值。由于尚未協(xié)定一個真實值，全諧波失真（THD）會根據(jù)所涉及國家的不同而不同。
當(dāng)這些問題發(fā)生時，通常將電路斷路器用于把太陽能裝置從電網(wǎng)上斷開。
為響應(yīng)不斷增長的市場需求，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(shè)計CT系列（圖5）來滿足現(xiàn)代太陽能拓?fù)浼夹g(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 CT系列電流傳感器（照片）

常規(guī)使用的裝置（如RCD）都是眾所周知的設(shè)備，但是體積相當(dāng)龐大，而且也不符合太陽能逆變器的新要求?？紤]到直流電流和交流電流都必須通過由高速IGBT切換而產(chǎn)生的高達(dá)30kHz光譜元件來進(jìn)行監(jiān)測，這些常規(guī)裝置可能會發(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能電池板內(nèi)接地故障的方法。要實現(xiàn)這一點，必須進(jìn)行三種測量，即阻抗測量、電阻率變化+阻抗測量（用于檢測太陽能電池板內(nèi)對稱接地故障）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，目前尚無特別的要求。但是，在啟動之前對PV方陣和地之間的阻抗測量可作為證明真實漂移點的方法（對于最小值500 k/V要求為1 k/V）。要測量這個值，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/或差動電流測量可用于證明接地連接。
LEM CT系列差動電流傳感器用于安全測量標(biāo)稱值為100mA、200mA和400mA的電流，在標(biāo)稱電流下提供一個5V的線性電壓輸出。在80%峰值電流時反應(yīng)時間小于20ms，在90%峰值電流時反應(yīng)時間小于60ms。高技術(shù)（“磁通量閘門”）的使用已經(jīng)成為這些問題的解決方案，特別是要對十分小的直流或交流電流進(jìn)行精確測量時。也可以測量高達(dá)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，配有一個用于插入接地漏電線的開孔。一般來說，CT系列也適合用于其他場合，包括中型功率逆變器場合。

7、結(jié)論

正是有著國際協(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(bǔ)助支持，根據(jù)統(tǒng)計預(yù)測，到2010年歐洲可能由太陽能所產(chǎn)生的能量大概有4500MW。這可保證電氣測量要求會越來越得以實現(xiàn)，從而確保質(zhì)量和安全。