汪自虎,陳雪薇,樂平富,宋劍楓,林 鶴,牟宇恒,夏 越

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司,江蘇 南京 210019;2.中國農(nóng)業(yè)大學,北京 100091)

0 引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,并網(wǎng)逆變器將光伏電池板所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c配電網(wǎng)一致的交流電[1]。并網(wǎng)逆變器根據(jù)有無變壓器隔離可以分為隔離型和非隔離型兩種類型。由于包含變壓器,傳統(tǒng)的隔離型逆變器不僅體積龐大,且整體效率不高。相反,結(jié)構(gòu)簡單、造價低、體積小等優(yōu)點使得越來越多的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)開始使用非隔離型逆變器[2-3]。而在實際應用中,由于非隔離型逆變器的漏電流產(chǎn)生機理不明確,且在復雜工況下無法對漏電流的高頻成分進行準確檢測并作用于保護裝置[4-5],導致漏電、觸電事故頻繁發(fā)生,威脅人身安全,因此漏電流的提取與檢測便成為非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)亟需解決的問題[6]。曹洪亮等[7]提出了一種簡便的阻性電流提取方法,但該方法在提取的阻性電流峰值處和容性電流補償算法存在差異。舒成維等[8]基于坐標變換的方法將共模電流分解為剩余電流和漏電流,但該方法只對基波成分的共模電流進行了分解,沒有推廣到高次諧波。

針對以上問題,本文提出了一種基于不同特性諧波提取的光伏逆變器漏電流檢測方法。首先以單相逆變器為例建立非隔離型逆變器并網(wǎng)的等值電路模型,推導共模漏電流形成機理及其波形特性;進而提出了一種漏電流分量提取方法,對漏電流的阻容型分量進行提取;最后通過仿真模擬對非隔離型逆變器實際運行過程進行仿真,根據(jù)阻容性分量提取方法對共模漏電流進行提取并分析,驗證本文方法的有效性和可行性。

1 共模回路分析

為分析非隔離型逆變器共模漏電流的產(chǎn)生機理,本文以兩級式BOOST升壓+HERIC逆變電路為例建立模型,提取共?；芈?。漏電流回路的主電路拓撲如圖1所示。圖中灰色部分為主電路之外的共模漏電流回路。Q1～Q4為逆變器的橋臂開關(guān)管,Q5、Q6為逆變器的續(xù)流開關(guān)管。Cpv+、Cpv-為PV電池板正負極對大地的寄生電容;Rpv+、Rpv-為模擬人體突然誤觸光伏電池板正負極的等效對地電阻;C1～C6為逆變器開關(guān)管的寄生電容;L1、Ln為逆變器交流側(cè)的濾波電感。

圖1 共模漏電流回路模型

該逆變電路存在能量傳遞以及續(xù)流兩種工作模態(tài),當開關(guān)管Q1&Q4導通或者Q2&Q3導通且同時Q5或Q6有一個斷開時為能量傳遞階段;當開關(guān)管Q1&Q4斷開或者Q2&Q3斷開且Q5和Q6導通時為續(xù)流階段。電網(wǎng)正半周期和負半周期的情況類似,故以電網(wǎng)電壓為正半周期為例進行分析。

在能量傳輸階段,此時Q1&Q4導通,Q5斷開,共模等效回路如圖2所示。

圖2 能量傳遞階段等效拓撲

因為在共?；芈分心妇€電壓為0,所以C3、C2、C5在共模電路中被短路,相應的共模諧振頻率如式(1)所示,一般情況下諧振頻率接近10 kHz,遠低于功率管的開關(guān)頻率。

(1)

在續(xù)流階段,Q1&Q4斷開,Q5導通,此時等效共?；芈啡鐖D3所示。

圖3 續(xù)流階段等效拓撲

同理共模回路中母線電壓為0,故C1、C2、C3、C44個寄生電容并聯(lián)。但由于C1、C2、C3、C4均為寄生電容,通常情況下容值極小,由公式(2)可得此時共?；芈分C振頻率極高,易產(chǎn)生高頻漏電流。

(2)

式中,Cs=C1‖C2‖C3‖C4。

由以上分析可得,首先在能量傳遞階段,電源對Cpv進行充放電,此時由于光伏寄生電容和濾波電感的存在,存在高頻諧波但有效值較小;當進入續(xù)流階段時,Cpv的充放電已經(jīng)完成,此時產(chǎn)生高次諧波漏電流,此高次諧波受到濾波電感和寄生電容的影響。

2 共模漏電流分析

在圖1中,以PV-為正端,PV+為負端將升壓電路、逆變橋以及濾波電感定義為共模電壓源Vcm,則共模漏電流Icm的等效回路如圖4所示。

圖4 等效回路模型

漏電流計算公式如式(3)所示:

(3)

共模電壓源基波計算公式如式(4)所示:

(4)

式中,vbasic為共模電壓源基值,vgrid為電網(wǎng)電壓,Vbus為母線電壓,通過分析可知,此時的共?；芈分锌偟碾妷涸吹幕╒pvbasic應該是共模電壓源基值+光伏電壓源的基值,如式(5)所示。

(5)

考慮到開關(guān)管開關(guān)頻率、共?；芈分C振等影響,則共模電壓源可表示為式(6)。

(6)

上述為容性漏電流成因及機理分析,可得容性漏電流全程均含有大量高次諧波。由工作模態(tài)分析得知漏電流在電網(wǎng)電壓達到峰值附近時相較電網(wǎng)電壓過零小。

由上述式同理可分析阻性漏電流,可以得到阻性漏電流IR的計算公式,如式(7)所示。

(7)

可以得到,阻性漏電流的主要成分為基波和一次諧波,次要成分才是由高頻諧振帶來的高次諧波。

為驗證以上的理論分析,搭建如圖1所示的仿真模型,分別用電容和電阻代替寄生電容以及人體等效電阻進行仿真,設置共模電容為50 nF/kW,人體觸電電阻為2 kΩ,經(jīng)過FFT分析后得到的漏電流頻譜如圖5所示。

圖5 容性和阻性剩余電流頻譜

由圖5可知,容性漏電流特征為全程均含有大量高次諧波;阻性漏電流主要成分應為直流量和基波,次要成分為由高頻諧振帶來的高次諧波。

3 諧波提取方法

由上文的理論分析可得,容性漏電流和阻性漏電流的成分及特性不同,若將阻性漏電流從總漏電流中解析出來,再通過阻性漏電流和總漏電流計算出容性漏電流,則可以大大提高漏電流保護的精確度。

對基波分量進行分析,首先考慮到電阻線性原件,故對電阻而言其電流和電壓一定是同相位的,而電容電流超前其電壓90°的。因此針對基波可以采用正交三角函數(shù)進行積分來提取阻性基波有效值。設變量Vac是和電網(wǎng)同頻同相位的分量。設阻性漏電流Ir、容性漏電流Ic、總漏電流I、總漏電流有效值Iev。則有下列式子。

Vac=Macsin(ωt)

(8)

(9)

(10)

I=IR+IC

(11)

(12)

式中,Mac為電網(wǎng)電壓最大值,MR0為阻性漏電流中的直流分量部分,MR1為阻性漏電流中的基波分量最大值,MC1為容性漏電流中的基波分量最大值。

阻性漏電流中的直流分量部分可通過對總漏電流中的一整個周期進行取均值來獲得,如式(13)所示。

(13)

其中,m為一個漏電流周期中的采樣點的個數(shù)。

(14)

將采集到的數(shù)據(jù)帶入上面兩式計算阻性漏電流的MR0和MR1,通過采集到的直流和基波有效值計算阻性漏電流的有效值,如式(15)所示。

(15)

容性漏電流計算公式如式(16)所示,由于容性漏電流的衰減,此處計算出來的只是初步有效值,若要保證精度,仍需進行后期的參數(shù)修正。

(16)

計算得到相應的阻性漏電流的有效值、容性漏電流有效值后,則可通過分析對比阻性漏電流數(shù)值和容性漏電流數(shù)值與總的漏電流比值的相對高低來最終確定該漏電流值是更傾向于阻性還是容性,以便采取相應的保護方案。

4 仿真與實驗結(jié)果

根據(jù)上述電路搭建仿真模型進行漏電流提取驗證,采用的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

首先,驗證前面對阻性漏電流的分析。根據(jù)前文的分析,阻性漏電流的主成分由直流分量和一次基波構(gòu)成。設置漏電流參數(shù)為Rpv+=5 kΩ、Cpv+/Rpv-/Cpv-

斷開,Vbus=300 V,Rpv+在0.1 s時接入,仿真得到的漏電流如圖6所示。

圖6 阻性漏電流仿真結(jié)果

通過程序?qū)β╇娏鞒煞诌M行提取,提取結(jié)果如表2所示。

表2 阻性漏電流提取

從結(jié)果中可以看到,盡管在回路的設置上并沒有電容,但是電流仍然存在容性部分,其原因則是開關(guān)管寄生電容的存在產(chǎn)生了高頻震蕩和對地電容的存在。所以在提取的時候存在容性部分。通過前文提出的比較阻性漏電流和阻性漏電流與總漏電流差值的大小則可以判斷是否正確。由于阻性漏電流有效值大于容性漏電流有效值,可以判斷是偏阻性的。

為了證明提取方法的正確性以及驗證純?nèi)菪郧闆r下的漏電流的情況。設置Cpv-為500 nF,在0.1 s時接入,Cpv+/Rpv+/Rpv-斷開。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 容性漏電流仿真結(jié)果

針對該情況實現(xiàn)電流有效值提取,提取結(jié)果如表3所示。

表3 容性漏電流提取

從提取的結(jié)果可以看到,電流容性分量較大。盡管在寄生電路的設置上并沒有電阻,但是漏電流仍然存在阻性部分,其原因是交流側(cè)對地電阻的存在。通常情況下,產(chǎn)生的都是高次諧波,而在提取方法中,高次諧波被歸為容性成分。

然后模擬阻容性情況下對電路進行仿真。設置Cpv+為500 nF,Rpv+為3 kΩ,在0.1 s時接入,斷開Cpv-/Rpv-。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 阻容性漏電流仿真結(jié)果

漏電流有效值提取結(jié)果如表4所示。

表4 阻容性漏電流提取

從圖表可以看出漏電流的高頻特性和純?nèi)菪月╇娏鞅３忠恢?但由于阻性漏電流直流分量的存在,總漏電流會出現(xiàn)上下偏移。

下面模擬考慮光伏板寄生電容50 nF/kW。初始設置與阻性設置保持一致,當t=0.1 s時接入電阻支路。對比接入電阻支路前后的真實阻性漏電流有效值、總漏電流的有效值以及諧波提取方法的有效值,結(jié)果如表5所示。

表5 阻容性漏電流提取

從表中結(jié)果可以看出,通過總漏電流有效值做差計算出的突變漏電流非常不準確,而諧波提取方法計算得到的突變漏電流非常準確。

5 結(jié)語

本文首先對漏電流的成分分析進行公式推導,然后根據(jù)各漏電流成分的特點分別進行漏電流的成分提取。其中由于阻性漏電流的特殊性,故先對阻性漏電流的主成分設計提取方法。在完成了阻性漏電流的有效值提取之后,通過總漏電流有效值完成容性漏電流有效值的提取,為應用場景中逆變器漏電流的檢測及保護提供了思路及基礎。