功率增大对逆变器带来的高频漏电问题的解决办法

2019-01-11 14:23:23 来源:eeworld
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前言

近年来,分布式逆变器持续火热,包括IGBT,SiC,GaN等核心材料的相对成熟,功率密度要求不断上升,逆变器的单机功率千瓦数也因此不断得以提高。占据市场主流的逆变器,功率已经从50~60KW过渡至70~80KW,单机功率上百千瓦的逆变器也已蓄势待发,随时准备走向市场。

 

单机功率的增大,对逆变器的整体设计变得十分严格。其中漏电检测就是非常核心的一块。它需要克服随功率增大而带来的:大量程、电磁干扰、不同的漏电模式等问题。这次来讨论其中之一的高频漏电

 

逆变器常见对地漏电的几种类型

【非隔离型PV系统对地漏电】

由于输出侧直接接地,如有人触碰到输出端任何一条线,都会导致电流通过人体和大地形成漏电回路。

 

图 1

 

图 2

 

【隔离型PV系统对地漏电】

而加入隔离型变压器之后,一次和二次端都没有直接连接大地。这时候触碰输出端,则不会形成有效的漏电回路。

 

图 3

 

图 4

 

【高频对地漏电】

而重点关注的高频漏电,不受输出端是否加有隔离变压的影响,始终存于系统回路中。

 

其产生的原理:由于逆变器在高频切换时,部分输出电流会经由EMI Y电容流经PV 组件对大地的寄生电容后,再流回逆变器,因此只要由EMI的Y电容或PV 组件的寄生电容越大,所产生的高频对地漏电流也越大,而逆变器的输出电流被影响的程度,也就越严重。

 

图 5

 

高频漏电的处理及保护与否?

(1)要了解逆变器中高频漏电是否需要保护,首先要知道漏电保护的目的是什么?

 

一般对漏电流的几种保护目的:

其一为对人体安全的保护,设定为短时间的突变,如30mA要在0.03S内完成报警保护。

 

其二为系统设备防止火灾的保护。通常保护阈值设定为300mA,设备功率较大的,阈值会随功率段的增大而增大。

 

其三为对直流6mA及以下漏电流的检测,其目的为检测对地绝缘阻抗值,通过检测对地电压的变化量来确认系统对地泄露电是否正常。

 

而高频容性漏电随着逆变器的运行实时存在,基础值较大,并且随工况的变化而缓慢变化,这显然不属于保护人体安全的突变漏电和绝缘检测。而从防火的角度来看,高频漏电更多是由时间很短的奇次谐波构成,其能量相对较弱,不足以引发火灾。且这些高次谐波可以通过硬件的方式将其去除掉。对高频容性漏电的定位存在一定争议。

 

图 6

 

既然对这些高频容性漏电的保护目的不是十分明确,那是否有类似的系统可供参考,他们又是怎么处理的?

 

矿井变频器在井下工作及漏电产生情况就与光伏逆变器类似。

 

图 7

 

矿井变频器由于其特殊的结构,早期经常会引起煤矿漏电保护系统做出误判,导致在正常的生产情况下,漏电保护系统向断路器发出错误的断电信号,对煤矿安全生产造成了严重的事故隐患。

 

加入变频器导致煤矿漏电保护系统误判的原因主要有以下2点:

 

①   变频器内部产生高次谐波引发漏电电流:

变频器整流过程中产生的矩形方波和逆变过程中经PWM调制形成的脉冲方波除了含有基波外都还含有高次谐波 ,这样输出线路中也就含有基波和高次谐波,由于井下电缆对地电容的存在,且电机机壳之间、绕组对地之间还有寄生电容,以及机器内部本身有Y电容。高次谐波会在电容上产生电流,即零序电流,从而使得煤矿漏电保护器系统误判,发出断电信号;

 

图 8

 

②   高频干扰:

变频器中的高频、高脉冲比常规信号还要高,监测点很难分辨这是干扰信号还是正常信号,这种情况下,系统很难保证检测值的可靠性,从而导致监控系统的误判动作。并且干扰导致的系统检测与实际保护目标点相比,既会出现偏高,也会出现偏低。对后端的保护,轻者,频繁保护影响系统的正常运行。重者,在该保护的情况不保护,对生产设备造成损坏,存在重大事故隐患。高频干扰总结为EMC电磁干扰的问题。

 

关于EMC与漏电流之间的关系,笔者会在后续的文章中说明。

 
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探讨逆变器中高频漏电的处理

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