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能效管理

探讨逆变器中高频漏电的处理

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  2019年01月09日  

——浙江巨磁智能技术公司 曹宏达

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?;び敕?

  (1)要了解逆变器中高频漏电是否需要?;?,首先要知道漏电?;さ哪康氖鞘裁?

  一般对漏电流的几种?;つ康模?/FONT>

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

  其二为系统设备防止火灾的?;?。通常?;ゃ兄瞪瓒ㄎ?00mA,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?;と颂灏踩耐槐渎┑绾途导觳?。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?;つ康牟皇鞘置魅?,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?;嵋鹈嚎舐┑绫;は低匙龀鑫笈?,导致在正常的生产情况下,漏电?;は低诚蚨下菲鞣⒊龃砦蟮亩系缧藕?,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?;は低澄笈械脑蛑饕幸韵?点:

 ?、?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?;て飨低澄笈?,发出断电信号;

  图 8

 ?、?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?;つ勘甑阆啾?,既会出现偏高,也会出现偏低。对后端的?;?,轻者,频繁?;び跋煜低车恼T诵?。重者,在该?;さ那榭霾槐;?,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。

  由变频器自己产生的高次谐波,对整个矿井系统产生的不良影响,可以通过硬件的方式处理。如: 安装输出滤波器、电抗器限制、变压器隔离等方法。

  另外,设备的接地与否,以及绝缘阻抗值的检测也越来越显得重要,它能监控设备对地阻抗的实时值,能反应设备在长时间工作后有无泄漏电流等问题。

  硬件修正法:

  图 9

  软件修正改法:

  在经过一系列的硬件处理过后,高次谐波漏电会被去除大部分,但仍然会留下一小部分。而且会趋向于平滑。对于此时的平滑漏电,一般采取提高变频器?;ゃ兄档姆椒ɡ床僮?。每个矿井的环境有所不同,所以这个阈值的选择也需要分别调试。

  (2) 在专门处理漏电检测的低压电器行业,对于高频容性漏电又是怎样进行?;さ哪?

  笔者收集了相关信息,从漏保使用的各处客户现场端了解到,早期在给变频器选用漏保的时候经?;岢鱿只髟诵惺碧⒌南窒?。在考虑到变频器工况的特殊性之后,再给变频器选择漏保时大家都更倾向于选择带漏电?;た傻鞴δ艿穆┍W爸?。原因是机器在运行时本身就带有高频容性漏电,行业内把它称作假漏电。叫它假漏电的原因是它不是漏保真正要?;さ亩韵?。其危害性较小,它的存在影响到了人体安全?;ぜ盎鹪致┑绫;さ淖既沸?。

  图 10

  所以在我们经常能见到很多漏保上会有可调节漏电?;ゃ兄档墓δ?。

  具体调节厂家需根据自身变频器系统既定存在的漏电大小,结合总?;ゃ兄档拇笮∽鲆欢ū壤峙?。一般采取的比例为:

  ?;ゃ兄?IΔn)=真实漏电流(0.7*IΔn)+高频容性漏电(0.3*IΔn);

  要求高频容性漏电部分占比不高于?;ゃ兄档?0%,不然会导致整个系统频繁报警无法正常工作。

  回归到光伏逆变器中漏电流的检测方式:

  光伏逆变器的高频容性漏电产生原因和矿井变频器类似。两者的实时漏电流值都会受寄生电容及自己本身的电压变化影响??悸堑桨补?,逆变器的功率段越大,所需要用到的吸收电容总容值就越大。在提高了抗电网电压冲击和EMC抗扰度能力的同时,也间接增加了高频容性漏电。对于高次谐波等高频漏电的处理方式一般采用电抗器等方式滤除。

  逆变器内部对漏电流的处理方式分偏软件处理和偏硬件处理。

  【主软件处理】:

  (对于偏软件处理的漏电检测也分两种方案)

 ?、?对所采集到的所有漏电成分都进行累加计算。

  但该方案存在一定缺陷:很难完整地采集到所有漏电流信号;同时由于高频容性漏电的存在,它会对逆变器突变漏电?;ず统中┑绫;さ淖既沸栽斐珊艽蟮挠跋?。

  举例:

  一台较大功率的逆变器在现场工作时,由于其前端连接的组件数量较多,整机运行起来后,其产生的高频容性漏电基础值就已经很大了。而且现场的影响因素不定,其基础漏电由无数个大小时间各不相同的谐波组成。这时候任何一点现场变化都会放大漏电检测的真实输出,且极大可能触发突变漏电。这里的变化包括,环境温湿度,线缆风摆,逆变器内部的电压变化以及电磁干扰等。

  这时,我们再来反观IEC62109中的检测要求。测试模型中其实并没有检测高频容性漏电的要求。有的则是在高频容性漏电的基础上突加阻性漏电,以检验这时候突变漏电的可靠性。

  图 11

  为了说明逆变器中容性叠加阻性这一测试要求,这里引入汽车漏电?;さ囊?/FONT>

  举例IEC62752汽车漏电?;?。漏电流检测的项目中有一项要求是在正常检测工频50Hz漏电流基础上,叠加1KHz波形。标准中就明确注明了叠加1KHz的目的:模拟运行中的各种干扰工况。要求测试中系统的?;ゃ兄狄?0Hz为基准,但不能受1KHz波形的干扰。法规同样认可你可以提前滤除高频的干扰再做检测判断。

  图 12

  图 13

  两个测试标准和验证方式相比就不难发现,高频部分都是作为影响真实漏电检测的干扰量。

 ?、?对采集到的漏电软件滤除所有高频部分,只保留下低频至直流的漏电。

  这种方式的好处在于,系统只对认为要?;さ穆┑缃斜;?,不受高频部分的影响。它对真实漏电报警的准确率会大大提升。但缺点同样明显,以软件来区分真实漏电和高频漏电的算法困难度较高,还要占据大量的运算量。

  【主硬件处理】:

  光伏逆变器通过自身硬件滤除大部分高频干扰漏电。但光靠硬件无法完全去除干净,此时传感器通过自身内部集成的低通滤波,把检测到的信号再一次滤除。将真正需要关注的漏电流以主体形式体现出来。

  仿真验证测试如下:

  针对逆变器内部剩余存在的高频漏电,通过调节低通滤波可以将其控制到合理位置。

  图 14

  客户端实际应用:

  图 15

  Magtron 基于市场实时的最新需求,不断升级完善。针对主流逆变器单机功率不断上升的行情。匹配大功率机器更大量程,更低功耗,及更高稳定度。Magtron致力于解决工业类,电动汽车类等各项漏电问题,为各行业电力设备保驾护航。

标签:逆变器 巨磁智能我要反馈
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