隔离型光伏电站漏电流分析研究

耿后来，程 林，王 凯，李 顺，顾亦磊

（阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

实现光伏发电系统的并网运行，需要通过逆变装置进行功率变换。因此，逆变器作为光伏发电侧和电网之间的接口，起到极为关键的作用。传统的并网逆变器系统输出端需要安装变压器隔离，以实现电气隔离。然而，通过增加变压器进行隔离会导致系统成本高、功率损耗大，系统整机效率下降。因此，非隔离型的光伏逆变器逐渐成为目前的研究热点。

当前，非隔离光伏逆变器的整体效率得到了改善，但由于光伏发电侧和电网直接连接，故系统回路阻抗相对较小，系统对地电压将在光伏发电系统和大地之间的阻抗上形成较大的漏电流。该漏电流会引起并网电流畸变、电磁干扰等一系列问题，还可能使逆变器外壳带电，对人身安全构成威胁[1-2]。

传统的隔离型光伏并网变换器输出拥有隔离变压器，由于隔离变压器绕组间阻抗相对较大且距离逆变器较近不存在对地绝缘异常问题，因此回路的漏电流得到了有效抑制，可以忽略。然而，基于成本等因素考虑，部分大型光伏电站采用非隔离型逆变器通过工频升压变压器连接到高压侧电网，其中升压变压器的低压侧不接地且只有三相火线连接到逆变器，形成隔离型光伏发电系统。由于工频升压变压器到逆变器之间线路较长，考虑施工损坏、线缆老化等因素，三相线电压对地阻抗变差，导致对地有漏电流回路。它的对地漏电流回路不同于传统的n线接地系统回路。文献[3-6]虽然对非隔离型系统的漏电流进行了详细建模分析，但是没有对隔离型光伏发电系统的漏电流进行研究。

本文介绍漏电流保护要求，以单台发电系统为例，深入研究隔离型光伏发电系统的漏电回路，进行等效建模，并对隔离型光伏发电系统的漏电流中的各成分进行详细计算分析。针对漏电流中的直流成分，提出基于正负母线电容电压不平衡因子的控制方法，并通过MATLAB进行仿真验证；介绍漏电流中的工频量提取方案，并通过实验验证理论分析的正确性；分析漏电流中的高频分量，通过理论分析利用并联阻抗的方案降低对地阻抗的漏电压，进而达到降低漏电流的目的，并通过实际试验验证了分析及方案的正确性。

1 隔离型光伏电站漏电流分析

1.1 漏电流标准要求

根据NB/T 32004—2018标准第6.7.2.5条规定，在逆变器接入交流电网、交流断路器闭合的任何情况下，逆变器都应提供残余电流检测（其为漏电流的一种）。残余电流检测应能检测总的有效值电流，包括直流部分和交流部分。无论逆变器是否带有隔离、与之连接点光伏方阵是否接地以及隔离形式采用何种等级（基本绝缘隔离或者加钱绝缘隔离），都需要对过量的连续残余电流及过量的残余电流的突变进行监控，限值如下。

（a）连续残余电流。如果连续残余电流超过如下限值，逆变器应当在0.3 s内断开并发出故障发生信号：

（1）对于额定输出小于或等于30 kVA的逆变器，300 mA；

（2）对于额定输出大于30 kVA的逆变器，10 mA/kVA。

（b）残余电流的突变。如果残余电流的突变超过表1所列的限值，则应当在规定的时间内断开。

表1 突变电流响应时间

IEC62109-2等标准也都对漏电流做了相同或相似的规定，因此需要对漏电流进行重点分析研究。

1.2 三相三电平逆变器漏电路模型分析

图1为隔离型光伏电站多机并联系统的等效图，其中逆变器为非隔离型逆变器，变压器1为第一级隔离升压变压器，不接地，故整体系统等效为隔离系统。由于电站建造面积大，对应的输入侧需要大量电池板串并联得到直流侧电压VPVN（N≥1）。由于线路多、施工导致破损、老化等原因，直流侧对地将会有阻抗。此外，空气湿度等导致电池板对地有寄生电容和电阻。这些阻抗统一等效为直流侧对地阻抗ZPVN（N≥1）。同时，交流侧也需要大量的交流线缆进行汇流。由于施工导致破损、老化、变压器对地阻抗及电容等原因，其对地将会有阻抗，分配到每台对应阻抗ZACN（N≥1）。考虑成本等因素，变压器1没有拉出n线，也没有进行接地，因此整个光伏发电系统等效为隔离型光伏发电系统，其漏电流情况和目前的TN系统漏电流情况不同。

图1 大型电站多机并联系统的等效图

将图1的光伏电站进行等效，建立单台光伏发电系统等效图，如图2所示。其中，电池板正负极对地阻抗分别为ZPX、ZQX，其受到环境、线路施工、材料绝缘特性等多方面影响；逆变器输入有大电容C1、C2串联，逆变器DC/AC三相桥臂输出点分别为A、B、C；LA、LB、LC分别为三相滤波电感，电感输出接滤波电容C3、LgA、LgB、LgC为线路等效阻抗；对于共模回路，还含有共模电抗，其连接到三相电网端口R、S、T；由于逆变器为非隔离型逆变器，故其需要实时检测漏电流情况；Ileak即为逆变器的漏电流传感器检测的漏电流；三相电网线路对地分别有阻抗ZRX、ZSX、ZTX。

依据三相逆变器特性，当DC/AC为三电平拓扑时建立逆变系统的开关模型，故可知三相桥臂输出电压为：

式中，Vbus为DC/AC输入侧电压，称为母线电压。正半周期，K相桥臂导通时，SK为1；负半周期，K相桥臂导通时，SK为-1。

图2 单台隔离性光伏发电系统等效图

VKM为DC/AC高频PWM斩波所得，其波形取决于系统调制算法。通常，提高直流侧电压利用率，系统会采用SVPWM调制，则VKM为含有基波成分、三倍频谐波成分和高频分量成分的PWM信号，其中高频分量主要为开关频率成分。

依据基尔霍夫定律，建立三相系统的回路方程：

考虑电网为三相对称系统，考虑考虑物料一致性性，通常电抗LA=LB=LC，考虑交流侧线路敷设基本相同，LgA=LgB=LgC，则共模成分电压为：

故单机系统模型等效如图3所示。图3中有两部分电源：一部分是电源VAK，其含有基波和共模成分分量等；一部分是电源电容C1两端的电压VC1和电容C2两端的电压VC2，其主要为直流成分。

图3 三相隔离型系统等效示意图

故可知隔离型光伏发电系统中，漏电流的成分主要有：

（1）直流分量成分；

（2）工频分量成分；

（3）含三倍频和开关频率的共模分量成分。

1.3 漏电流求取及分析

由图3及上文的分析可知，光伏发电系统的漏电流中直流分量和电容C1和C2上的直流电压有关，漏电流中直流分量成分为：

式中，ZPX_R和ZQX_R为电池板正极对地的电阻值，ZAC为交流侧阻抗ZRX、ZSX、ZTX的并联值，为：

由图3及上文的分析可知，光伏发电系统的漏电流中基波分量主要有三相电网电压/三相调制波的基波决定，故逆变器检测的漏电流中基波分量成分的计算结果为：

其 中，VAM_1TH、VBM_1TH、VCM_1TH分 别 为VAM、VBM、VCM中的基波分量值，ZACSA为ZSX、ZTX、ZPV的并联值，ZACSB为ZRX、ZTX、ZPV的并联值，ZACSC为ZRX、ZSX、ZPV的并联值，ZPV为ZPX和ZQX的并联值。

各个阻抗的详细计算公式为：

由图3可知，光伏发电的漏电流中共模分量成分主要由逆变器的输出共模成分电压决定，故逆变器检测的漏电流中的共模成分分量成分为：

故可得单台隔离型光伏发电系统的漏电流为：

由式（9）可知，隔离型光伏发电系统漏电流的成分比非隔离系统复杂得多。通过分析，漏电流主要由以下因素决定：

（1）电池板和线缆等直流侧对地绝缘电阻和对地绝缘电容；

（2）交流侧线缆对地绝缘电阻和对地绝缘电容；

（3）电网电压幅值；

（4）逆变器三相滤波电抗和共模电抗及交流侧线路阻抗等也有影响，且其感量要求一致性要好。

由式（4）可知，其中直流量由半母线电压VC1、VC2和直流侧对地阻抗ZPX_R、ZQX_R决定，直流侧绝缘阻抗可以通过相关电路及方案进行检测[7]。当直流通过时，电抗等效阻抗约为0，电容等效的阻抗为无穷大。当逆变器将将电容两端电压控制平衡（即VC1=VC2）时，如果ZPX_R=ZQX_R，则：

此时，M点的直流电势和GND点的直流电势相等，漏电流中的直流分量为0。

因此可知，当正负母线电压VC1、VC2控制相等时，漏电流中的直流成分发生突变，一定是电池板对地电阻或者是交流侧对地电阻发生改变。

工频分量由逆变器输出的电压VAM、VBM、VCM决定，而当n点和大地的阻抗ZNX为0时，则此时系统等效为TN系统。此时，n点和GND相连，不论ZRX、ZSX、ZTX是否相等，其都等效为电网负载，故ZNX为0时理论上不含工频分量。

对于三倍频共模分量，其由逆变器调制算法决定注入形式，由调制度决定其注入量。因此，它为可控制的漏电流分量，可依据现场实际情况对其值做出调整。

从以上分析来看，隔离型光伏发电系统由于交直流系统对地绝缘情况不同，尤其是工频分量漏电流，在TN系统中不会出现的量在隔离型系统中出现。当三相电网为不平衡系统时，它的分析计算更为复杂。当系统为多台并联时，漏电流的分析和单台分析相同。

2 漏电流的控制监测提取及抑制

从漏电流的汇总式（9）可知，隔离性光伏发电系统的漏电流成分复杂，且漏电流值的大小依据逆变器调制方式、线路绝缘、器件特性及环境因素等不同而有很大的变化。故本文依据式（9）从漏电流的各个不同成分特征着手，监测漏电流中的不同成分值，进而对漏电流进行快速控制、监测、必要的告警和抑制。

2.1 漏电流中直流成分控制

从式（4）可知，漏电流中的直流分量成分受到正负母线电容电压VC1和VC2的影响，即受逆变器控制影响。当正负母线电容电压控制平衡时，它的直流分量成分完全由系统电阻决定。因此，必须要控制正负母线电容电压，确保其平衡。

三相三电平逆变器空间矢量可以分为大矢量、中矢量、短矢量和零矢量。其中，零矢量和短矢量存在冗余状态；零矢量和大矢量对中点电位没有影响；中矢量对中点电位的影响是不可控的；冗余短矢量可以较好地控制中点电位。传统的中点平衡算法正是利用这一特性，实现中点电位的平衡。然而传统方案控制复杂，故本文采用一种基于功率流的中点不平衡方案来快速实现中点点位不平衡控制。

图4中的两个电容C1和C2参与了功率的传输，从直流侧Pin传递到交流侧的平均功率是P1和P2之和。以三相系统的中一相分析，当AC处于正半周期时，功率P1通过电容器C1传输至交流侧；当AC处于负半周期时，功率P2则通过C2与功率传输时的逆变器的交流侧。

因此，可以考虑引入不平衡因子m，其依据正负母线电容C1和C2的电压而改变。不平衡因子m的计算公式为：

当正负母线电容电压差值的绝对值超过预设值（如30 V），则启动不平衡因子；当正负母线电容电压差值低于预设值（如15 V），则关闭不平衡因子，即令m=1。通常情况下，调制波不进行处理。引入不平衡因子后，以A相调制波为例，其调制波调整为：

从式（12）可知，根据不平衡电容电压的值产生不同的输出电压。当电容电压较高时，将输出更多能量，电容电压将自动降低；而电压较低的电容器将自动降低输出能量，电容电压将逐步增加。

2.2 漏电流中基波成分检测

从漏电流式（9）可知，隔离性光伏发电系统不同于非隔离光伏发电系统的主要成分是多出了基波成分。通过基波成分大小，能较好地判断系统的整体绝缘情况。对于基波成分，可参考FFT方式进行提取：

式中，Ileak(t)为漏电流实时值，Ts为工频周期，sinwt和coswt由锁相环得到。

当检测到漏电流中的基波成分ILeak_1TH超过预设值，则说明：

（1）系统等效为IT系统；

（2）交直流侧的绝缘阻抗较低，必要时需要提示客户检查系统绝缘是否有异常。

由于基波漏电流受到电网电压和电网侧对地绝缘的影响，不在逆变器的可控范围内，因此基波漏电流逆变器没有较好的控制手段。较好的方式是通过漏电流的基波分量提前检测预警。漏电流中的工频分量检测只是一种方案，逆变器也可以采集三相对地电压进行计算、判断和处理。

2.3 漏电流中高频成分抑制

漏电流中的共模成分分量有共模分量电压导致，如式（3）所示，包含两部分。第一部分为保持较高的母线电压利用率，三相逆变器会在调制波中输入三倍频分量；第二部分为SPWM调制导致的高频漏漏电流分量。下面针对这两种漏电流成分分量优化进行分析介绍。

三相调制波为：

式中，Vz为注入的三倍频漏分量，其大小及各次分量依据系统调制而定。

通常情况下，为增加直流母线电压利用率[8]，Vz=Asin(3t)/6。而为了降低因为注入的漏电压导致的漏电流，通常可取Vz=0。此时，系统为SPWM调制，直流母线电压利用率最低。

考虑Vz为逆变器可控制的分量且为低频分量，其幅值占比较低，因此其导致的共模成分电流对系统影响较低，故可以不做考虑。SPWM调制会导致较高的高频共模电压，导致较大的高频共模电流，虽然其分量能通过不同的矢量选择降低其幅值，然而其值依然较高，特别是当系统阻抗较低时，共模电流非常大。针对高频共模电流大的问题，一种做法是增加共模回路的阻抗，但会较大幅度地增加成本；另一种方式是降低对地阻抗上的共模电压，从而到达降低共模电流的目的。

对于逆变器而言，降低对地阻抗上的共模电压可操作性的空间，较好的方式是通过并联阻抗来达到目的。如图5所示，通过在逆变器输出的三相输出端口a、b、c与直流侧端口并联阻抗，从而到达降低逆变器输出端口阻抗目的。并联后系统阻抗分得的共模电压为：

式中，Zparr为外加并联阻抗和系统对地阻抗ZAC及ZPV并联后的阻抗值。

从式（15）可以看出，并联后的阻抗值Zparr越小，系统对地阻抗分得的共模电压值才能越小，故需要外加并联阻抗越小。基于成本、效率和可实现性等方面考虑，外加并联阻抗一种较优的方案是通过电容实现。

图5 三相隔离型系统增加并联阻抗等效示意图

故将滤波电容C3公共点O或者C3的部分电容C4外拉出公共点O’与直流侧端口连接。由于电容C1、C2的容值较大，故对于高频分量而言，其阻抗几乎为0。P、Q、M三点近似短路，三点都可以与O、O’点相连，都能降低对地阻抗上的共模电压，进而降低高频漏电流。此分析及方案对于单相系统同样适用。

3 仿真及实验验证

3.1 中点电压不平衡仿真验证

为了验证基于功率流的中点平衡算法的正确性，在MATLAB中搭建仿真模型，正母线电压300 V，负母线电压600 V，且正母线电容并联500 Ω电阻，负母线电容并联1 000 Ω电阻，对不平衡因子m进行上下限幅值，分别为1.1、0.9，仿真结果如图6所示。从仿真结果来看，正负母线电压得到快速控制，调节时间约为0.06 s，动态性能较好，从而验证了此不平衡控制算法的有效性。

图6 加入不平衡因子后的正负母线电压仿真波形

3.2 工频分量测试验证

为了验证理论分析正确性，按照图2搭建了一实际并网逆变器平台。电网线电压为480 V，变压器的n点不接地。在实际并网逆变器的PV-和电网A相对地都加1 μF的电容，流过电容的电流在MATLAB中进行FFT分析，结果如图7所示。从分析结果来看，基波电流值为0.065 64 A，与理论值误差0.003 A，且150 Hz量为基波电流值的一半，也与理论分析相同，验证了理论分析的正确性。实际只需提取工频分量，当检测到的工频分量超过预设值时，则进行预警提示客户。

图7 实际漏电流的FFT分析结果

3.3 高频漏电流仿真验证

按照图2搭建一实际并网逆变器平台，变压器的n点接地，在Q点与大地间接上一个1 μF的电容。图8为并联电容前后的测试结果。从图8（a）和图8（b）的实验结果可知：O’点和M点不并联电容时，对地高频漏电流为1.418 A；O’点和M点并联电容后，漏电流变为50.94 mA。可见，采用并联电容的方式后，漏电流大幅降低，验证了理论分析的正确性。

4 结 论

本文建立了隔离型光伏发电系统的三相三电平光伏逆变器漏等效模型，并依据模型对系统漏电流的几种主要成分分别进行分析，剖析其影响因素。采用基于功率流的中点不平衡控制方法，能够快速有效地控制正负母线中点电位，进而降低逆变器的直流漏电流分量，并通过MATLAB仿真验证了理论分析的正确性。针对基波漏电流分析，提出基于FFT方式进行提取并进行判断，然后通过实验验证了理论分析的正确性；基于阻抗分压的分析方法，将滤波电容公共点和直流侧任意一个端点相连，降低了系统对地的高频共模电压分量，进而达到降低系统共模电流作用，并通过实验验证了分析的正确性和处理措施的有效性。

图8 并联电容前后漏电流的实验波形