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2019中國智能制造發展論壇 菲尼克斯電氣Radioline無線系統
能效管理

探討逆變器中高頻漏電的處理

  2019年01月09日  

——浙江巨磁智能技術公司 曹宏達

前言

  近年來,分布式逆變器持續火熱,包括IGBT,SiC,GaN等核心材料的相對成熟,功率密度要求不斷上升,逆變器的單機功率千瓦數也因此不斷得以提高。占據市場主流的逆變器,功率已經從50~60KW過渡至70~80KW,單機功率上百千瓦的逆變器也已蓄勢待發,隨時准備走向市場。

  單機功率的增大,對逆變器的整體設計變得十分嚴格。其中漏電檢測就是非常核心的一塊。它需要克服隨功率增大而帶來的:大量程、電磁幹擾、不同的漏電模式等問題。這次來討論其中之一的高頻漏電。

  逆變器常見對地漏電的幾種類型

  【非隔離型PV系統對地漏電】

  由于輸出側直接接地,如有人觸碰到輸出端任何一條線,都會導致電流通過人體和大地形成漏電回路。

  圖 1

  圖 2

  【隔離型PV系統對地漏電】

  而加入隔離型變壓器之後,一次和二次端都沒有直接連接大地。這時候觸碰輸出端,則不會形成有效的漏電回路。

  圖 3

  圖 4

  【高頻對地漏電】

  而重點關注的高頻漏電,不受輸出端是否加有隔離變壓的影響,始終存于系統回路中。

  其産生的原理:由于逆變器在高頻切換時,部分輸出電流會經由EMI Y電容流經PV 組件對大地的寄生電容後,再流回逆變器,因此只要由EMI的Y電容或PV 組件的寄生電容越大,所産生的高頻對地漏電流也越大,而逆變器的輸出電流被影響的程度,也就越嚴重。

  圖 5

  高頻漏電的處理及保護與否?

  (1)要了解逆變器中高頻漏電是否需要保護,首先要知道漏電保護的目的是什麽?

  一般對漏電流的幾種保護目的:

  其一爲對人體安全的保護,設定爲短時間的突變,如30mA要在0.03S內完成報警保護。

  其二爲系統設備防止火災的保護。通常保護阈值設定爲300mA,設備功率較大的,阈值會隨功率段的增大而增大。

  其三爲對直流6mA及以下漏電流的檢測,其目的爲檢測對地絕緣阻抗值,通過檢測對地電壓的變化量來確認系統對地泄露電是否正常。

  而高頻容性漏電隨著逆變器的運行實時存在,基礎值較大,並且隨工況的變化而緩慢變化,這顯然不屬于保護人體安全的突變漏電和絕緣檢測。而從防火的角度來看,高頻漏電更多是由時間很短的奇次諧波構成,其能量相對較弱,不足以引發火災。且這些高次諧波可以通過硬件的方式將其去除掉。對高頻容性漏電的定位存在一定爭議。

  圖 6

  既然對這些高頻容性漏電的保護目的不是十分明確,那是否有類似的系統可供參考,他們又是怎麽處理的?

  礦井變頻器在井下工作及漏電産生情況就與光伏逆變器類似。

  圖 7

  礦井變頻器由于其特殊的結構,早期經常會引起煤礦漏電保護系統做出誤判,導致在正常的生産情況下,漏電保護系統向斷路器發出錯誤的斷電信號,對煤礦安全生産造成了嚴重的事故隱患。

  加入變頻器導致煤礦漏電保護系統誤判的原因主要有以下2點:

  ① 變頻器內部産生高次諧波引發漏電電流:

  變頻器整流過程中産生的矩形方波和逆變過程中經PWM調制形成的脈沖方波除了含有基波外都還含有高次諧波 ,這樣輸出線路中也就含有基波和高次諧波,由于井下電纜對地電容的存在,且電機機殼之間、繞組對地之間還有寄生電容,以及機器內部本身有Y電容。高次諧波會在電容上産生電流,即零序電流,從而使得煤礦漏電保護器系統誤判,發出斷電信號;

  圖 8

  ② 高頻幹擾:

  變頻器中的高頻、高脈沖比常規信號還要高,監測點很難分辨這是幹擾信號還是正常信號,這種情況下,系統很難保證檢測值的可靠性,從而導致監控系統的誤判動作。並且幹擾導致的系統檢測與實際保護目標點相比,既會出現偏高,也會出現偏低。對後端的保護,輕者,頻繁保護影響系統的正常運行。重者,在該保護的情況不保護,對生産設備造成損壞,存在重大事故隱患。高頻幹擾總結爲EMC電磁幹擾的問題。

  關于EMC與漏電流之間的關系,筆者會在後續的文章中說明。

  由變頻器自己産生的高次諧波,對整個礦井系統産生的不良影響,可以通過硬件的方式處理。如: 安裝輸出濾波器、電抗器限制、變壓器隔離等方法。

  另外,設備的接地與否,以及絕緣阻抗值的檢測也越來越顯得重要,它能監控設備對地阻抗的實時值,能反應設備在長時間工作後有無泄漏電流等問題。

  硬件修正法:

  圖 9

  軟件修正改法:

  在經過一系列的硬件處理過後,高次諧波漏電會被去除大部分,但仍然會留下一小部分。而且會趨向于平滑。對于此時的平滑漏電,一般采取提高變頻器保護阈值的方法來操作。每個礦井的環境有所不同,所以這個阈值的選擇也需要分別調試。

  (2) 在專門處理漏電檢測的低壓電器行業,對于高頻容性漏電又是怎樣進行保護的呢?

  筆者收集了相關信息,從漏保使用的各處客戶現場端了解到,早期在給變頻器選用漏保的時候經常會出現機器運行時跳閘的現象。在考慮到變頻器工況的特殊性之後,再給變頻器選擇漏保時大家都更傾向于選擇帶漏電保護可調功能的漏保裝置。原因是機器在運行時本身就帶有高頻容性漏電,行業內把它稱作假漏電。叫它假漏電的原因是它不是漏保真正要保護的對象。其危害性較小,它的存在影響到了人體安全保護及火災漏電保護的准確性。

  圖 10

  所以在我們經常能見到很多漏保上會有可調節漏電保護阈值的功能。

  具體調節廠家需根據自身變頻器系統既定存在的漏電大小,結合總保護阈值的大小做一定比例分配。一般采取的比例爲:

  保護阈值(IΔn)=真實漏電流(0.7*IΔn)+高頻容性漏電(0.3*IΔn);

  要求高頻容性漏電部分占比不高于保護阈值的30%,不然會導致整個系統頻繁報警無法正常工作。

  回歸到光伏逆變器中漏電流的檢測方式:

  光伏逆變器的高頻容性漏電産生原因和礦井變頻器類似。兩者的實時漏電流值都會受寄生電容及自己本身的電壓變化影響。考慮到安規,逆變器的功率段越大,所需要用到的吸收電容總容值就越大。在提高了抗電網電壓沖擊和EMC抗擾度能力的同時,也間接增加了高頻容性漏電。對于高次諧波等高頻漏電的處理方式一般采用電抗器等方式濾除。

  逆變器內部對漏電流的處理方式分偏軟件處理和偏硬件處理。

  【主軟件處理】:

  (對于偏軟件處理的漏電檢測也分兩種方案)

  ① 對所采集到的所有漏電成分都進行累加計算。

  但該方案存在一定缺陷:很難完整地采集到所有漏電流信號;同時由于高頻容性漏電的存在,它會對逆變器突變漏電保護和持續漏電保護的准確性造成很大的影響。

  舉例:

  一台較大功率的逆變器在現場工作時,由于其前端連接的組件數量較多,整機運行起來後,其産生的高頻容性漏電基礎值就已經很大了。而且現場的影響因素不定,其基礎漏電由無數個大小時間各不相同的諧波組成。這時候任何一點現場變化都會放大漏電檢測的真實輸出,且極大可能觸發突變漏電。這裏的變化包括,環境溫濕度,線纜風擺,逆變器內部的電壓變化以及電磁幹擾等。

  這時,我們再來反觀IEC62109中的檢測要求。測試模型中其實並沒有檢測高頻容性漏電的要求。有的則是在高頻容性漏電的基礎上突加阻性漏電,以檢驗這時候突變漏電的可靠性。

  圖 11

  爲了說明逆變器中容性疊加阻性這一測試要求,這裏引入汽車漏電保護的要求

  舉例IEC62752汽車漏電保護。漏電流檢測的項目中有一項要求是在正常檢測工頻50Hz漏電流基礎上,疊加1KHz波形。標准中就明確注明了疊加1KHz的目的:模擬運行中的各種幹擾工況。要求測試中系統的保護阈值以50Hz爲基准,但不能受1KHz波形的幹擾。法規同樣認可你可以提前濾除高頻的幹擾再做檢測判斷。

  圖 12

  圖 13

  兩個測試標准和驗證方式相比就不難發現,高頻部分都是作爲影響真實漏電檢測的幹擾量。

  ② 對采集到的漏電軟件濾除所有高頻部分,只保留下低頻至直流的漏電。

  這種方式的好處在于,系統只對認爲要保護的漏電進行保護,不受高頻部分的影響。它對真實漏電報警的准確率會大大提升。但缺點同樣明顯,以軟件來區分真實漏電和高頻漏電的算法困難度較高,還要占據大量的運算量。

  【主硬件處理】:

  光伏逆變器通過自身硬件濾除大部分高頻幹擾漏電。但光靠硬件無法完全去除幹淨,此時傳感器通過自身內部集成的低通濾波,把檢測到的信號再一次濾除。將真正需要關注的漏電流以主體形式體現出來。

  仿真驗證測試如下:

  針對逆變器內部剩余存在的高頻漏電,通過調節低通濾波可以將其控制到合理位置。

  圖 14

  客戶端實際應用:

  圖 15

  Magtron 基于市場實時的最新需求,不斷升級完善。針對主流逆變器單機功率不斷上升的行情。匹配大功率機器更大量程,更低功耗,及更高穩定度。Magtron致力于解決工業類,電動汽車類等各項漏電問題,爲各行業電力設備保駕護航。

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