无隔离变压器光伏逆变器的设计技术

    中心议题：

• 并网光伏逆变器的基本设计
• 无隔离变压器光伏逆变器的技术关键
• 光伏逆变器正常运行状态下的漏电电流分析
• 光伏组件中的故障电流分析
• 进入交流电网的直流分量之分析

    并网光伏逆变器的基本设计

    无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是将直流电压（光伏组件）转换成交流电压（可并网）的过程。在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。所以，逆变器的关键部件是桥接开关（晶体管元件，见图1a）），这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作过程中，只有两个相对的开关可以同时关闭。

    如果将此开关桥的开关速度设置成与电网频率相同，则在理论上可以将桥的输出侧与电网连接。但是，由于这样输出的电流是方波，且强度没有变化，因此需要在输出端安装一个具有铁芯的电感器，用以将输出电流控制成为正弦波形状。桥的断开采用脉冲过程进行，从而形成与脉冲相关的较小电流分量。这样的电流分量可以对电感器的电流进行控制。脉冲的频率一般为20KHz ， 这样就完全可以形成50Hz的电流，见图1b）。

    对于光伏逆变器来说，还有一个非常重要的设备不能遗漏：输入端的电容器，见图1c ） 。电容器的作用是储存电能，确保来自发电侧的电流持续一致供给桥接开关，并通过与电网频率同步变化的桥进入电网。只有在输入电容器的容量足够大的情况下，才能够保证光伏发电系统的持续、正常运行。

图1：光伏逆变器的基本设计

    图2描述了可用于直接并网的逆变器的基本功能。但在实际应用中，输入电压的范围具有一定的局限性。对于并网发电应用，其输入电压必须在任何时刻都高于电网的峰值电压。当电网电压的有效值为250V时，达到正常并网要求的发电源侧的最低电压应为354V。

图2：最常用的逆变器电路图表一览

    与标准逆变器的基本设计不同，直接并网逆变器有很多方法来调整或提升输入电压范围。常用的逆变器技术方案与结构都各不相同：

    上面提到的逆变器拓朴结构不仅在电气隔离方面不同，在可达到的效率、对电压的依赖性等方面也各不相同。因此，没有统一的公式来界定何种逆变器设计是最优秀的设计，用户必须要考虑到具体使用的逆变器特性。

    无隔离变压器光伏逆变器的技术关键

    目前，只要光伏发电站设计合理，完全可以经济运行。直接并入电网的无变压器型逆变器因为其低成本、高效率而日益受到重视。但是，该技术仍然被认为是“有问题的”。这一点将在下面进行检验和说明。

    变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能。在输入与输出端之间安装的电气隔离装置导致的能量损失可达到1%，甚至高达2%。因此，无变压器型逆变器的运行效率要比变压器型逆变器高。这种技术还有很多其它的优点，例如材料消耗少、重量轻等。

    总而言之，无变压器型逆变器相对体积较小、重量较轻、价格也比较便宜，在很多方面都比变压器型逆变器更具优势。虽然光伏发电站的运行和安全性都不需要采用电气隔离措施，在设计直接并网的逆变器时还是应该考虑到以下几个方面。

图5：外观相同，内部电路不同：变压器型和无变压器型两种Sunny Boy效率特性。

    正常运行状态下的漏电电流

    将来自光伏组件的电压采用高频率（20kHz）转换过程中，高频电压应等同于电网电压峰值；这些电压在逆变器内部被认为是干扰，滤波器可以阻断这些干扰，防止其进入电网。但在理论上，阻止来自发电电源侧的直流分量进入交流电网是不可能绝对实现的。

    这样，根据所采用逆变器结构的不同，在交流输出中也将存在不同的对地直流电压分量。如果太阳能电池组和/或者其接线端对地存在交流电压，将产生“漏电电流”，通过寄生电容流向电池组接地点。

图6：Sunny Boy 2100TL逆变器光伏电池组对地电压

图7：Sunny Boy 5000TL HC多组串逆变器光伏电池组对地电压

    下面我们以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC两种逆变器为例。如上图所示。这两种逆变器的运行会在其电子部分产生与时间相关的电势，它们的光伏组件对地电压也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型桥结构，加在光伏组件上的电压为电网电压有效值的一半。

    多组串逆变器SB5000TL HC则采用电容半桥结构。桥的中线直接连接在电网的中线上。这样的结果就是产生的对地电压只是50Hz的低电压值，其分量只是电网电压很小的一部分，只相当于变压器拓扑结构中的电压纹波量。

    除了电网电压提升方面的考虑，漏电电流的大小还取决于光伏组件寄生电容的大小，该电容值大小与电池面积及组件与边框之间的距离相关。因此，关于漏电电流情况，应该在设计系统时就仔细考虑逆变器的结构和光伏组件尺寸。面积越大、电池与光伏组件边框之间的距离越小，产生的漏电电流就越大。无边框结构光伏组件的漏电电流值很低。然而，安装在不锈钢箔上的非晶电池会产生很大的漏电电流。

    外部条件也会对漏电电流产生影响，因此不可避免会产生一定的波动。如果沉淀物或者清洁液弄湿了光伏组件，漏电电流就会增加；这些液体中的电子物质成分缩短电池与电池间的距离，造成漏电电流升高。

    总之，光伏组件在运行时的漏电电流（正常情况下）取决于很多运行条件，没有定值来衡量。以H型桥逆变器（如Sunny Boy 2100TL）为例，在运行过程中光伏组件的漏电电流值在1-30mA/KWp范围内。

    光伏组件中的故障电流

    在并网应用的光伏电站中，只能使用电池片与边框有可靠绝缘的光伏组件。组件要具有双倍或超强的绝缘措施，并且要充分考虑光伏组件的系统耐压性，以保证即使在光伏系统运行状态下也可以触摸组件表面，不会造成危险。目前，所有的光伏组件可以达到Ⅱ级防护，在选择时并没有太严格的限制。

    如上所述， 对于无变压器型逆变器，在运行时光伏组件上的电压可以是叠加了交流电网的同步电压值。当触摸组件表面时，可能会产生对地的故障电流。如果组件的绝缘足够好，一般来说很难有这样的电流产生。但是，故障电流放电的强度会随一些条件的变化而增加，如光伏电池距离缩短（这种情况下透明玻璃或塑料板厚度减少）、接触面积增加等。比如：由于清洁光伏组件的液体中含有导电物质，会造成导电面积扩大，从而导致意外的故障电流。在这种情况下虽然无法对危险电流预先检测，但如果发生意外会造成一定的危险。为了避免由此（类似突然从梯子上掉下来等）产生的安全隐患，也为了避免危险，在建设光伏并网发电系统时，用户应该遵循以下步骤：

    1）将光伏组件的边框以及其他导电气部分与接地线连接
    2）在对系统进行维护或对光伏组件进行清理时，断开逆变器与电网的连接

    有了这些保护措施，人员安全就能够得到完全的保障。设计精密的无变压器型逆变器还有额外的保护，即使超过电气隔离型逆变器要求的安全标准，也勿需担心安全问题。

    在该类型逆变器中， 要对组件可能产生的DC或AC漏电电流进行持续监测， 一旦产生故障电流（ 大于3 0mA） ， 逆变器立即断开与电网的连接。然而，现实应用中对故障电流的监测比简单监测漏电电流大小更为复杂。漏电电流在系统运行状态下是随时变化的，在并网之前无从得知当前的数值。因此，在每次逆变器接入电网前，会检测光伏组件的绝缘电阻。只有当绝缘电阻超过要求的电阻值（ 大于1M欧姆）时，才能证明没有故障电流注入电网，这时可以连接电网。因此，识别故障电流不仅通过监测漏电电流的增加，还要通过测量电流的变化率来获知。所有故障电流监控装置都必须具有漏电电流检测功能（双重的），各监测系统必须能够独立识别故障电流。这样，人身安全就会得到更多的保障。RCD保护在调试之后很少或者根本不需要再进行人工测试，但上述保护措施远比一般的RCD保护更有效。

    进入交流电网的直流分量

    直接与电网并接，通常会导致直流电直接进入交流电网。该直流电成分会影响电网上的设备（ 局域电网变压器） 的正常运行和RCD的工作特性，同时会使与电网并接的用电器中的变压器发生内耗，产生磁饱和，而这并不是用电器所要求的使用环境。虽然这种情况不一定会损坏设备，但可以引发启动电网中防止直流成分的保护设备工作。所以，理论上并网型逆变器都设置有防止直流电进入电网的预防措施（通过50Hz变压器或电容器进入电网）。

    还有一点非常重要，即逆变器向电网送入直流电的能力不仅仅取决于是否存在隔离变压器。而与电容器相结合，变压器只是可以在电气隔离的情况下传输功率。事实上，我们关心的是电路中的电气部件向电网输入直流电流的能力。对于直接与电网连接的高频变压器型逆变器，普通的逆变桥无论是否有变压器，都能够向电网输送直流电流。

    对于SMA逆变器，电容是桥的一部分。变压器型逆变器的变压器设置在桥的电网侧，从而只能向电网提供交流电流（如Sunny Boy 5000TLHC和所有变压器型逆变器）。

    即使逆变桥发生故障，也不可能向电网继续送入直流电流。原因是逆变器中串连的两个双极继电器会在这种情况下切断与电网的连接，该方案应用于所有SMA无变压器型逆变器。假设继电器失效，桥的短路会造成过流发生，逆变器中的过载保护（过载开关）仍会启动，并切断与电网的连接。

    结论

    采用无隔离变压器型逆变器的光伏电站，具有发电量很高的优点。就安全而言，完全可以与采用物理电气隔离装置的发电站相媲美。由于内部采用了完善的人员保护装置，该装置的驱动由来自具有自动监测漏电电流功能的系统完成，保护能力更加理想。在设计光伏电站时，要充分考虑如下几点：

• 选用绝缘好的光伏组件和电缆（Ⅱ级保护）
• 将光伏组件和/或者光伏组件边框与接地连接
• 选用具有完善故障电流检测、监控的无变压器型逆变器
• 注意电容与电网连接时，需监测送入电网的直流分量
• 当需要在电源接点进行故障电流检测时，应注意组件运行时的漏电电流（如设置漏电电流监测值为100mA或更高）
• 在对光伏发电站进行维修时，要断开逆变器

    由于光伏发电站投资回收周期主要取决于发电量，可见逆变器的转换效率尤为重要。鉴于SMA系统的条件优势，无变压器型逆变器将在光伏市场的竞争中占有更加重要的地位。