光伏逆变器的谐波抑制技术
分类:电工电气

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2017年被众多光伏人认为是分布式光伏发展元年,仅2017年上半年分布式光伏新增装机就有700万KW,这个规模相当于去年同期的3倍!于此同时,光伏逆变器里的安全性也成为大家越来越关注的焦点之一。各种标准的解读,各种安全规范的落实,各种相关认证的升级。今天我们来聊聊分布式光伏逆变器中漏电检测单元(RCMU)的测试规范与认证要求。

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作者:浙江巨磁智能技术公司 曹宏达

测试回路需求 (模型基于VDE0126)

逆变器又称电源调整器、功率调节器,是光伏系统必不可少的一部分。光伏逆变器是光伏系统的心脏,太阳能电池板所发的电全部都要通过逆变器的处理才能对外输出,除此之外,逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态,和外界通信交流,系统安全管家等重要功能。

前言

断路装置按照正常使用装配。对于测试回路的电感,其感值必须到可忽略的大小并符合下图片。用于测量故障电流的测试仪器必须适合class 0.5,且仪器“Ammeter”必须能测量到有效值为2KHz的频率。用于测量时间的测量仪器相对误差不得大于测量值的10%。

在光伏行业标准NB32004-2013中,逆变器有100多个严格的技术参数,每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查,对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器,从开发到量产,要两年多时间才能出来,除了过欠电压保护等功能外,逆变器还有很多鲜为人知的黑科技,如漏电流控制、散热设计、电磁兼容、谐波抑制,效率控制等等,需要投入大量的人力和物力去研发和测试。本文主要介绍逆变器的谐波抑制技术。

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。

以30KW举例:

1、什么是谐波

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。

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我们正常用的电都是正弦波交流电,方向和大小都会产生周期性的变化,我国的交流电频率是50Hz,就是每秒种方向变化50次,按照这种频率变化的波形叫基波,电网是97%以上都是基波,还有一部分就是谐波 ,是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,频率为基频2倍的谐波称为二次谐波;频率为基频3倍的谐波称为三次谐波;频率为基频n倍的谐波称为n次谐波。此外还规定,频率为基频的奇数倍的那些谐波,统称为奇次谐波;频率为基频的偶数倍的那些谐波,统称为偶次谐波。

逆变器常见对地漏电的几种类型

1.突变漏电流测试要求:

2、光伏逆变器为什么要抑制谐波

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。

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谐波不但没有用途,还有十分严重的危害。由于大部分设备都是包括电动机在内的感性设备,只能吸收基波,高次的谐波会转化为热量或者振动,造成电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁;在电力传送过程中,谐波由于频率高,产生的阻抗大,因此会多消耗电能,造成电能生产、传输和利用的效率降低;谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁,或者某些频段的设备不能正常工作;谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

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在容性漏电的基础上突加阻性漏电

3、光伏逆变器如何减少谐波含量

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测试前,需要缓慢增加电容C1,至产生容性漏电流等于300mA/rms持续漏电流值减去1.5倍对应突变电流值。调节电阻值R1,验证30mA,60mA,150mA突变漏电断路功能是否符合Table 31的对应时间。反向相同测试。

组件发出来的是直流电,经过逆变桥变化之后,大小和方向都发生了改变,但还不是纯正弦波交流电,电流和电压都不是连续的,含有大量谐波,要经过处理才能变成纯正弦波交流电,这个过程就是滤波。光伏逆变器输出谐波分为两部分,一是高次谐波,来源于调制方式,二是低次谐波,来源于开关死区效应、器件参数漂移、采样误差、控制参数不匹配等。

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。

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光伏逆变器主要从硬件上和软件上两个方面去抑制谐波

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注:逆变器内部漏电流保护要求是基于IEC61008,即RCD的标准。

硬件上主要是滤波电路,目前逆变器常用的滤波方式有:L,LC,LCL等三种方式。电感是主要特性是电流不能突变,利用这个特性,可以把逆变桥不连续的电流为转变为连续的电流;电容的特性是电压不能突变,利用这个特性,可以把逆变桥不连续的电压为转变为连续的电压。

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1.持续漏电流测试要求:

L为单电感滤波器,结构简单,价格便宜,对低频谐波抑制作用明显,但高频谐波抑制不够理想,需要较大的电感或者较高的频率来降低谐波电流,因此单电感滤波器通常用于小功率离网逆变器;LC为二阶滤波,增加了一个电容,具有较高的滤波能力,一般用于集中式大功率逆变器,后面接隔离变压器,因为最后是电容,多台并联会引起环流;LCL为三阶滤波,增加一个电容和一个电感,抑制高频谐波能力强,滤波器的电感输出,可以多台并联,通常应用于中大功率组串式逆变器,但逆变器控制算法复杂,容易导致系统不稳定。

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。

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光伏逆变器软件上采取的主要方法有

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。

缓慢增加组性漏电

提高开关频率:逆变器的开关频率越高,控制带宽越宽,对于宽范围的电流谐波抑制更充分,为保证稳定性,逆变器的控制带宽通常取开关频率的1/10左右。逆变器控制算法中输出电压为正弦波,当经过逆变器调制输出PWM波有畸变时,将影响逆变器的输出谐波与控制效果。提高开关频率与输出PWM电平数有助于降低PWM波形的畸变率,。

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测试开关S1 闭合。调节R1使故障电流不断上升,让电流值在30 秒内达到达到300mA。触发电流被测量5 次。所有5 个测试值都必须≤300mA(30KW)。反向亦然。

并机谐波抵消能力:1个方阵多台组串式逆变器距离升压变压器距离不一样,线路阻抗会有差异。线路阻抗会等效改变并网LCL滤波器中的电感,不同的滤波器参数会改变谐波的相位。当多台组串式逆变器并联工作时,谐波成分将会由于相位的差异而部分相互低消,降低系统整体的谐波值。

高频漏电的处理及保护与否?

漏电检测带宽要求

消除谐波的软件控制技术:由于逆变器采用高速度的数字处理器,可以采用很复杂的算法,如重复控制的电流控制器算法,原理是任何周期性的信号都可以分解为直流、基波以及各次谐波之和,因此只要在控制系统的前向通道中在这些频率处加入无穷大的增益,就可以实现对这些频率处指令的无静差跟踪和扰动抑制。

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?

测试模型中的“Ammeter”上显示的是你的真实漏电流值,用于基础参考。

4、逆变器的电磁兼容标准

一般对漏电流的几种保护目的:

有人会对这里的2K Hz带宽有疑问。不明白出处在哪里。其实这要从逆变器漏电流的保护说起。

中国和国外关于并网逆变器的标准和并网光伏电站的标准对逆变器或光伏电站的谐波电流绝对值进行要求。对于逆变器不同负载率下的谐波电流,要求绝对值不大于满载下的谐波电流绝对值。中国金太阳标准中规定了逆变器额定功率运行时,注入电网中的谐波电流THDi不超过5%;同时,在30%,50%,70%负载点处的谐波电流不超过额定功率运行时的

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。

光伏逆变器最初内部是不带RCMU漏电监测的,与其他电器设备一样,都是通过外部的RCD来进行防护的。在选择RCD类型上都以AC型及A型的为主。由于光伏电站中存在大量的直流系统,检测直流漏电的需求迫在眉睫,以Doepke和Siemens为首的两家断路器公司纷纷推出了自己的B型RCCB。但B型的RCCB成本实在太贵,单个件能卖到1000欧,显然不适合用在逆变器中。欧洲的逆变器公司开始寻找其他方案,于是出现了SMA将Bender在工程建筑上的RCM(带宽500Hz)试用于逆变器内部。同段时间,VDE0126也正式认可RCMU作为部分工况下可替代Type B型RCD的漏电监测方案。包括ICE62109-2也注明了其漏电测试标准直接基于IEC61008-1。

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。

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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。

从标准来看,无论是内置的RCMU及外部的RCD,遵循的规则都是Type B的标准。而根据IEC61009对Type B带宽的要求,可以明确需要响应1K Hz波形和对应的脱扣测试即可。这意味着,内置RCMU遵循同样的规则。回到2K Hz的需求,“Ammeter”作用是检测真实漏电流,且必须比RCMU的带宽高才能确保它的检测值有参考意义。(现在更多的是直接用示波器代替),TypeB的要求为响应1KHz(非采集),根据根据奈奎斯特原理,此时的采样带宽最少为2倍,才能保证最大1K Hz的波形能被有效检测到。这就是“Ammeter”选择2K Hz的原因。

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。

而内部的RCMU原则上就不需要带宽至2KHz。

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纯容性漏电检测是否有必要

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?

大家比较关心的另一个问题是容性漏电流检测。首先再次确认IEC62109-2-4.8.3.5中的漏电测试的需求。

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