浅谈“非主流”光伏技术(十二)

5.漏电流和漏电流保护器

生活中不经意间触摸到一些电气的外壳，手会有一些麻麻的感觉。这个时候我们感觉到的就是漏电流。在物理学中，我们常说的导体和绝缘体的主要区别是电导率的不同，绝缘体也有很小的电导率。只是通常漏电流小得可以忽略不计。旧的家用电器和用电线路，因为长期使用，绝缘可能会老化而使漏电加大，造成安全隐患。

过去的光伏并网逆变器一般都会采用带变压器式的逆变器，包括在逆变器输出端接工频变压器和在逆变器输入端接高频变压器2种。虽然接压器可以实现电压调整和电气隔离的作用，但也存在一些固有的缺点和不足，如工频变压器存在体积大、重量重、成本高等缺点;而高频变压器虽然体积小，结构简单，但因采用多级结构使系统控制复杂，转换效率低。为了去掉笨重的工频变压器和复杂的高频变压器，这几年我们使用了无变压器结构的组串式单项或者三相逆变器。大大提高了整个系统的效率，但同时也带来了一些新的问题。

例如，共模电流(在实际光伏并网设备中俗称“漏电流”)、向电网注入直流分量等。由于在无变压器光伏并网逆变器中没有变压器的隔离作用，电网与光伏阵列存在直接的电气连接，而光伏阵列和地之间存在虚拟的寄生电容，因此形成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。寄生电容上变化的共模电压在这个共模谐振回路中就会产生相应的共模电流(即漏电流)，如下图所示。

无变压器光伏并网系统中的共模电流会带来很多问题和危害，如引起并网电流的畸变、对其他设备产生电磁干扰等，更为严重的是会对人身安全构成重大威胁。因此一些国家对漏电流的要求进行了相关规定，如德国的VDE-0126-1-1标准规定，漏电流超过30mA时，光伏并网系统必须在0.3 S内与电网断开。因此漏电流抑制技术已经成为分布式发电的一个新的问题。

5.1 解决漏电流危害的方式

抑制漏电流可以从逆变器本身解决，比如很多厂家提出如带直流旁路的拓扑结构、带交流旁路的拓扑结构、H5拓扑结构等。这些拓扑结构一般都采用单极性PWM调制控制策略，通过利用本身的结构特点，使主桥臂开关管关断时，续流开关管导通，从而使直流侧和交流侧断开，实现抑制漏电流的目的(单相机)。

对于三相全桥式拓扑，采用传统的SPWM法和SVPWM法是不能有效抑制漏电流的，很多厂家，比如古瑞瓦特10-33KW采用了改进型SPWM算法，因能够使共模电压恒定，可以有效抑制漏电流。

由于目前的组串式逆变器多为高频不隔离逆变器，漏电流影响还是比较严重的。由于逆变器在高频切换時，部分输出电流会经由EMI Y电容流经PV array的寄生电容后，再流回逆变器，因此只要EMI Y电容或PV array的寄生电容越大，所产生的高频对地漏电流也就越大，以致使逆变器的輸出电流波形被影响的程度，也就越严重。

综上，光伏系统中必须安装漏电流保护装置。

5.2 漏电保护器

漏电开关的正确称呼为剩余电流保护装置(以下简称RCD)，是一种具有特殊保护功能(漏电保护)的空气断路器。它所检测的是剩余电流，即被保护回路内相线和中性线电流瞬时值的代数和(其中包括中性线中的三相不平衡电流和谐波电流)。为此，RCD的整定值，也即其额动作电流IΔn，只需躲开正常泄漏电流值即可，此值以mA计，所以RCD能十分灵敏地切断保护回路的接地故障，还可用作防直接接触电击的后备保护。

漏电保护器是一种利用检测被保护电网内所发生的相线对地漏电或触电电流的大小，而作为发出动作跳闸信号，并完成动作跳闸任务的保护电器。在装设漏电保护器的低压电网中，正常情况下，电网相线对地泄漏电流(对于三相电网中则是不平衡泄漏电流)较小，达不到漏电保护器的动作电流值，因此漏电保护器不动作。当被保护电网内发生漏电或人身触电等故障后，通过漏电保护器检测元件的电流达到其漏电或触电动作电流值时，则漏电保护器就会发生动作跳闸的指令，使其所控制的主电路开关动作跳闸，切断电源，从而完成漏电或触电保护的任务。它除了空气断路器的基本功能外，还能在负载回路出现漏电(其泄漏电流达到设定值)时能迅速分断开关，以避免在负载回路出现漏电时对人员的伤害和对电气设备的不利影响。

由于光伏系统的组件与大地之间有寄生电容的存在，在雨后或者夏季的清晨，组件与大地之间的绝缘阻抗降低。逆变器开机(继电器闭合)后，产生了较大的漏电流，导致漏电保护器动作，不能并网。这是一个常见的现象。当太阳出来后，或者地面雨水蒸发完。系统恢复正常。