3kW光伏并网逆变系统漏电流分析 .pdf

第 5 2卷第 1 8期 2 0 1 5年9月2 5日 电测与仪 表 El e c t r ic a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e nt a t io n V0 1 5 2 No 1 8 S e p 2 5 2 01 5 3 k W 光伏 并 网逆 变 系统漏 电流分析 梅盼 ， 雷必成 ， 陈跃 ( 1 浙江理工大学， 杭1 q 1 3 1 0 0 1 8 ； 2 台州学院， 浙江 台州 3 1 7 0 0 0 ) 摘要 ： 并 网逆变器漏电流的存在会导致逆变器启动及运行故障甚至人身伤害。文章结合 3 k W 光伏并 网逆变器 实际工程研发过程中碰到的漏 电流问题为研究对象 ， 对工作过程进行建模分析 ， 包括启动瞬间漏电流和运行过 程漏电流分析， 找到逆变器漏电流产生原因并提出漏电流解决方案。通过实验仿真分析以及实际调试， 证明方 案能够有效地抑制并网逆变系统的对地漏电流， 实现产品化需求。 关键词 ： 漏电流 ； 3 k W； 光伏 ； 并网； 逆变 中图分类号： T M 4 6 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 8 - 0 1 1 3 - 0 5 Le a k a g e c ur r e nt a n a l y s is o n 3 kW pho t o v o l t a ic g r id- c o nn e c t e d inv e r t e r s y s t e m Me i P a n ，Le i Bic h e n g ，Ch e n Yu e ( Z h e j ia n g S e c T e c U n iv e r s it y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ，C h in a 2 T a iz h o u U n i v e r s i t y ， T a i z h o u 3 1 7 0 0 0 ， Z h e fi a n g ，C h in a ) Abs t r a c t：T he l e a ka g e c u r r e n t o f g r id in v e r t e r wil l c a u s e t he de v i c e s t a rtu p a n d o pe r a t io n f a il u r e a n d e v e n p e r s o n a l in j u r y C o m b in in g w i t h t h e l e a k a g e c u rr e n t p r o b l e m s in t h e p r o c e s s o f t h e 3 k W p h o t o v o h a ic( P V)g rid in v e r t e r p r o j e c t a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， ，t h r o u g h t h e m o d e l b u il d in g a n a l y s is ，in c l u d in g s t a rt in g i n s t a n t a n e o u s l e a k a g e c u rr e n t a n d l e a k a g e c u r r e n t o p e r a t i o n pr o c e s s a n a l y s is，t hi s p a pe r f in d s t h e c a us e o f t h e l e a k a g e c u r r e n t a n d it s s o l u t io n is p u t f o r - wa r d T h r o u g h t h e e x p e r ime n t a l s imu l a t io n a n a l y s is a n d t h e a c t u a l d e b u g g in g ，it p r o v e s t h a t t h is s c h e me c a n e f f e c t iv e l y in h ib it t h e l e a k a g e c u r r e n t o f 3 k W p h o t o v o l t a ic( P V)g r i d in v e r t e r s y s t e m a n d a c h ie v e t h e p r o d u c t io n r e q u ir e m e n t s Ke y wo r ds： l e a ka g e c u rre n t ，3 kW ，p h o t o v o l t a ic，g ri d，i n v e r t e r 0 引 言 能源是人类存在 和发展 的物质基 础 ， 随着世 界 人 口的不 断增长 以及工 业的不断发展 ， 能源危 机逐 渐成为全世界各国面临的重大 问题。太 阳能 以其取 之不尽用之不竭 ， 清洁无污染的特点 ， 得到 了广泛地 应用u 。世界各国开始把太阳能光伏发电技术作为 解决能源危机的重要手段。 随着光伏产业 的发展 ， 各 功率等级光伏并 网逆 变器随之应运而生。传统逆变器结构采用单级式隔 离变压器结构， 这种结构在逆变输出端采用工频变 压器实现 隔离 ， 保证 了逆变输 出不会 向电网输 入直 流分量 ， 提高并网波形质量的同时保 障了人生安全。 但是这种光伏逆 变器 由于隔离变压器体积大 ， 重量 重， 效率不高等特点限制了其使用。两级式非隔离 拓扑结 构 解 决 了 逆 变 器 体 积 ， 重 量 和 效 率 的 问 题L 2 。这种结构逆变输 出滤波后直接送入 电网进 行并 网操作 ， 不可避免 的会 产生输 出直流分量 ， 同时 这种结构使得 系统对地 漏电流增大 ， 影 响输 出波形 质量的同时存在安全隐患。 提高逆变效率且 保证逆变 系统安 全可靠 ， 成为 解决光伏并网逆变器设计过程 中漏电流问题 的重要 目的之一 。本文结合 具体工程项 目为研究基础 ， 对 单相 3 k W 光伏并网逆变器设计调试过程中遇到的漏 电流问题进行建模仿 真分析 ， 主要包括 对逆变器启 动合闸瞬间漏 电流 ， 以及逆变器运行过 程中漏 电流 建模和 S im u l in k仿真分析 ， 提 出系统漏电流改进或解 决方案 ， 抑制系统漏电流。 1 3 k W 光伏逆变器拓扑简介 文中3 k W光伏并网逆变器采用两级式非隔离光 伏并 网逆变结构如 图 1所示 ， 前级 B o o s t 升压结构 ， 母线升压至 3 8 0 V。 后级采用性能优 良的全桥逆变结 构 ， 逆变部分采 用单极性正 弦脉宽调制 ( S P WM) 技 一 11 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 8期 2 0 1 5年9月 2 5日 电测与仪表 Ele ct r ic a l M e a s u r e me n t I ns t r ume nt a t io n V0 I 5 2 No 1 8 S e p 2 5。 2 01 5 术 ， 调节输 出电流与 电网 电压 同频 同相 进行 并 网。 控制部分采用 T I 公司生产的 T MS 3 2 F 2 8 0 8型号 D S P 作为主控芯片。 DC DC DC AC r 一 r J L- J I J ug 3 ：ug 1 光伏 一 ； 电池 b 1 I u l ： U U ： I l 图 1 3 k W 光伏 并 网逆 变 系统 F ig 1 3 k W p h o t o v o h a i c ( P V)g r i d i n v e r t e r s y s t e m 2 3 k W 光伏逆变器启动漏电流建模分析 本套并网逆变器调试过程 中偶尔会出现逆变器不 能启动问题 ， 开启逆变系统会 自动进行保护并显示漏 电保护状态。针对上述问题分析发现 ， 由于元器件寄 生电容的存在 ， 电路会产生大的对地漏 电流同时考虑 并网相位影响， 继电器合闸瞬间漏 电流超过保护值将 影响系统正常启动 ， 进入软件保护。对启动瞬间漏电 流建模 ， 在启动模型中， 由母线对地电容 ， 电感， 以及逆 变器件寄生 电容等组成谐振电路 ， 产生共模漏 电流。 原理如图 2所示， 启动漏电流仿真波形图如图 3所示。 L 图2 启动瞬间系统对地漏电流 F i g 2 le a k a g e cmr e n t o f s t a r t in g in s t a n t a n e o u s s y s t e m 对于 3 k W 光伏逆变系统实物测量得各寄生 电容 值。母 线 对 地 电 容 C =1 8 n F， I G B T寄 生 电 容 C j ( 2 _ 3 4 ) = 2 7 5 ， 四个管子寄生 电容相等。电网 对地电容 C = 2 5 。其中母线 DC l in k电容 C： 2 8 m F， 输出滤波电感 L ： 一 =L 2 2 =1 4 mH， 滤波电容 一 11 4 一 t s ( a 0 。相位角启动波形 t s ( b ) 3 0 。相位角启动波形 t s ( c) 6 0 。相位角启动波形 t f s ( d 9 0 。相位角启动波形 图 3 启动漏电流仿真波形图 F ig 3 S imu la t io n wa v e f o r m d ia g r a m o f s t a r t in g le a k a g e cu r r e n t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 l 8期 2 0 1 5年9月 2 5日 电测与仪表 El e c t r ic a l M e as u r e me n t& I n s t r u me n t at io n Vo J 5 2 No 1 8 S e p 2 5， 2 0 1 5 C 。 =l ， 由以上测量参数进行 S im u l in k漏电流仿真得 到电网不同相位进行并网时漏电流波形如图3所示。 根据 I E C 6 1 0 0 81 漏电流标准 ( 表 1所示 ) 规定 漏电流大于 3 0 m A时 ， 必须在 0 3 s内动作 开关。当 漏电流大于 1 5 0 m A时， 0 0 4 s内必须断开开关 ， 保障 用户人身安全 。 表 1 漏电流安全标准 Ta b 1 L e a k a g e c u r r e n t s a f e t y s t a n da r ds 漏 电流 mA 逆变器与电网断开时间 s 3 0 6 O 1 5 O 0 3 O 1 5 0 0 4 图 3 ( a ) 为继 电器在电网相位角为 0 。 时的启动 漏 电流 波 形 图。从 图看 出启 动 瞬 间漏 电流 达 到 3 2 0 m A 。图3 ( b ) 和图 3 ( C ) 分别为继电器在并网相 位角为 3 0 。 和 6 O 。 时 的启 动漏 电流波形 图， 其启动漏 电流值最大达到3 0 0 m A。图3 ( d ) 为继 电器并网动作 相位角为 9 O 。 时启动漏 电流波形图 电流最大值达到 1 6 0 m A， 随之下降到 1 0 0 m A1 5 0 mA以内。 比较各相位角继 电器并 网动作时的漏电流波形 可 以看 出， 通过软启动控 制继 电器动作相位角能够 有效地减小启 动漏 电流并控制在安全 时间之 内， 本 套 3 k W 系统设置并 网相位角为 9 0 。 。 3 3 k W 光伏逆变器工作中漏电流建模分析 调试发现 ， 并 网逆变器运 行过程 中也 遇到漏 电 流过大 问题。正常运行 中的逆变器 会突 然 出现 保 护 ， 跳开继电器并显示保护的情况。 对此 问题分析发现并 网运行过程 中存在对地漏 电流， 当出现漏 电流过大 ， 或者尖 峰持续 时间长时 ， 系统会出现保护。为 了使得逆变产品稳定性能够达 到生产需求 ， 对逆变器运行过程 中的漏 电流进 行建 模分析 J 。针对本套 3 k W 光伏并 网逆变器系统工 作过程中漏电流建立以下模型如图 4所示。 在此模型 中由于逆变部分进入 高频开关状态 ， 漏电流产生主要 由电网对地寄生 电容 C ， 光伏板对 地寄生 电容 C 以及滤波 电感之间组成共模谐 振电 路产生共模 电流 。本套 3 k W 光伏逆变器采用 的 开关频率为 1 6 k H z的 S P WM 单极性脉宽调制 ， 由于 C 很小， 模型中忽略电容 c 作用。随着开关管的高 频开通与关断 ， A， B点对 O点电压将在 ， O V之间 变化 ， 简化模型后得到如图 5所示。 图 5中分别用方波电压源 U m、 U 。 等效 A， B两 C 图 4工作过程中漏电流模型 Fi g 4 Le a k a g e c u r r e nt mo d e l in t he p r o c e s s o f wo r k 图 5 工作 过程 漏 电流模 型 简化 图 F ig 5 S impl i fi e d di a g r a m o f l e a k a g e c u r r e n t mo d e l in t h e p r o c e s s o f wo r k 点对 O点 电压变化。通过叠加定理得 到， 电网单独 作用时 ： ，cm 一gri d 盎 ) J 2 2+j o cp ， c m =_ lr ( 2 ) 1一 r 一t o 2 L 2 1L22 + ， cm = 产_ T ( 4 ) 一 毗+ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 8期 2 0 1 5年9月 2 5日 电测与仪表 El e c t r ic a l M e a s u r e me nt I n s t r u m e n t a t io n VD 1 5 2 NO 1 8 S e p 2 5， 2 0 1 5 式中 W为工频角频率。同样的分析方法可知方波源 U 。 、 U 。 ， 单独作用时漏电流分别可以得到： _ J UA O ， c m ：= _ r ( 5 ) 一 L + ( D k Cp _1 B O 2 J n u 式中 O , 表示开关管开关角频率 。由于开关管工作 在高频开关状态 ， 所以 远大于工频角频率 ， 忽略 电网电压漏 电流 ， c 影响， 系统工作过程 中漏 电流主 要 由 A、 B两点电压变化引起。合并式( 5 ) 、 式( 6 ) 可 以得到系统工作过程漏 电流 ， c ，如式( 7 ) 所示 。 j ( A O+u B o ) m 可知漏电流 主要 是 由共模 电流产生 ， 得 出共模 电压 ： = ( M A o + u B o ) ( 8 ) 由式( 7 ) 、 式( 8 ) 简化图 5后如图 6所示 。 C 一 一 图 6 共模 电流模 型 简化 图 F ig 6 S imp l i f ie d d i a g r a m o f c o mmo n mo de c u r r e n t mo d e l 由图6可知只有 当共模电压 为 0或者恒值时 系统工作过程漏电流为0 。由于单极性调制时 在 0 V和 2之间变化 。必然会导致系统工作过程漏 电流产生。当然也可调节 电感量及对称性微调减小 漏电流但不能实现大幅度的减小漏 电流的 目的。 利用本套 3 k W 光伏并网逆变器参数 ， 进行 S im u 1 i n k 仿真分析。具体参数如下： 光伏 电池短路电流 ， 。 =1 5 A， 最大功率点 电流 = 1 2 8 A， 开路电压 V o =3 2 0 V， 最大功率点电压 V m = 2 5 0 V， 逆 变 输 出 滤 波， 电感 L 一 =1 4 mH， L 一 = 1 4 mH， 输 出滤波电容 C =1 t L F， 输 出负载电阻设为 R l 0 日 d =l 6 n。前级 B o o s t 升压 以及后级逆变单极性脉 一 1 1 6 一 宽调制频率均采用 1