一种非隔离型光伏逆变器设计思路

王凯 黄晓东 李小麟

摘 要：逆变器已被广泛应用在各种场合、各种环境。在使用过程中暴露出产品对不同环境适应性的不足，导致性能下降甚 至设备损坏。本文提出了一种非隔离型光伏逆变器优化设计思路，阐述上述设计方案的工作原理及优势，目的是提高逆变器 对不同环境下的适应能力。通过对逆变器的绝缘检测、防雷、高海拔适应性、PID防护等项目进行优化提升了整机性能，为相 关产品优化提供思路。

关键词：逆变器，光伏，设计

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.029

0 引 言

光伏逆变器是独立光伏发电系统的主体，其 性能直接决定了整个系统能否长期、可靠、高效运 行[1]。其工作原理是由内部控制系统来控制整个系 统的运作，光伏逆变电路完成直流电流转变为交 流电流的功能，振荡电路将直流电流转变为交流电 流；线圈升压将不规则的交流电流转为方波交流电 流；最后整流器促使交流电流经由方波转为正弦波 交流电流。所提方案便是对绝缘检测、防雷、高海 拔适应性、PID防护、散热等方面进行优化，从而适 应不同环境，提高产品适应力。

1 绝缘检测设计

光伏系统的方阵绝缘电阻监测功能是为了降 低因直流侧接地故障引起的触电或火灾的风险；对 于非隔离型逆变器，直流侧接地故障会在故障点和电网之间形成回路，直接导致故障电流，这种情况 下禁止逆变器并网运行。

系统接地可分为两类：直接接地和间接接地。 直接接地（金属接地）是指直流系统电源正极或负 极对地的电阻等于或接近于零的情况。这种接地 情况在直流系统中如果同时出现两点时，就很可能 造成断路器误动或拒动，或熔断丝烧断等现象。间 接接地（非金属接地）是指直流系统电源正极或负 极对地绝缘电阻低至某一允许值之下。这时的接地 电阻是否会对系统造成危害，就要看各个单位的具 体情况，它与系统接地的位置和继电器的灵敏度有 关。比如当前发电厂和变电站中最灵敏的中间继电 器的内阻，220 V电压对应内阻为200 kΩ，110 V电 压对应内阻为6 kΩ，48 V电压对应内阻为1.5 kΩ。 绝缘降低是指直流系统所采用的电缆、设备的 绝缘电阻由于某种原因低于出厂数值。这些电缆， 设备构成的直流系统的直流电源的正、负极对地绝 缘电阻总体上低于充许值。

本次设计的组串式逆变器属于非隔离型逆 变器，绝缘监测功能需符合NB/T 32004—2018光 伏并网逆变器技术规范中规定：与不接地的光伏 方阵连接的逆变器应在系统启动前测量光伏方 阵输入端与地之间的直流绝缘电阻，如果阻抗小 于Umaxpv/30mA（Umaxpv指光伏方阵最大输出电 压），对于非隔离逆变器，应指示故障，并限制其接 入电网[2]。此时允许其继续监测方阵的绝缘电阻， 并在绝缘电阻满足上述要求时，允许停止报警也允 许接入电网。

设计逆变器最大输入电压1100 V，则方阵绝缘 阻抗应大于1100 V/30 mA，即36 kΩ。逆变器内置了 绝缘阻抗检测模块如图1所示。

正负母线对地等效电阻的实时监测，是进行任 何一种直流系统接地故障检测的前提。目前广泛使 用的直流绝缘监视装置是对称的电桥（即平衡电 桥），这种电路缺陷是正负母线对地电阻同步下降 时不能检测真实对地阻值。为了克服上述检测方法 的缺陷，可采用双不对称平衡桥检测法。

图1为双不对称电桥原理图，图中RZ，Rf分别 代表直流系统正负母线总的对地等效电阻，R1，R2 为桥电阻，置k=1或k=2，采样Rj电阻电压，通过计算两组代数方程式即可算出正负母线对地等效电 阻，该方法克服了正负母线对地电阻同步下降时不 能检测真实对地阻值的缺陷，能够对直流系统的直 接接地、间接接地、绝缘降低故障进行检测。双不 对称电桥中有两套电路切换方式，电路的切换由长 寿命的固态继电器实现，原理图如图2所示。

2 交直流防雷设计

本次设计的组串式逆变器的防雷设计满足IEC 62305的防护要求：对直接雷击进行防护，承受局部 雷击电流或感应电流，以及全部雷击磁场[3]。2级防 雷能够放电引起感应或传导过电压的间接雷击。交 流侧防雷需滿足2级防雷要求。逆变器直流侧配置2 级防雷，交流侧配置2级防雷。

2.1 直流侧防雷

用于光伏直流系统的SPD，配置2级防雷符合 最新标准IEC 61643和EN 50539—11。直流防雷规 格见表1。

2.2 交流侧防雷

用于逆变器交流侧的SPD，配置2级防雷符合 最新标准IEC 61643和EN 50539。交流防雷规格见 表2。

3 高海拔设计

NB/T 32004—2018《光伏发电并网逆变器技 术规范》对于高海拔下逆变器的设计和使用规定如 下：逆变器安装场所的海拔高度大于2000 m时，需 考虑电气介电强度的下降。影响逆变器高海拔应用 的因素主要是逆变器的散热及逆变器内部元器件 的电气间隙。功能绝缘、基本绝缘或附加绝缘的最 小电气间隙应满足表3要求。海拔2000～6000 m的 逆变器，电气间隙应根据表3进行修正见表4。

海拔越高，空气密度越稀薄，大气压力下降， 空气分子间碰撞的概率降低，对流换热能力减弱， 散热方式为强迫风冷的逆变器散热效果会打折扣， 应重点考虑。本次设计逆变器配置了强制智能风冷 进行散热，出厂前已完成高海拔型式试验测试，最 大总风量大于理论设计所需并留有足够裕量，可满 足高海拔下换热能力的使用需求。

根据NB/T 32004—2018的安规测试报告，逆变器的电气间隙设计满足标准要求，海拔4000 m不降 额。逆变器在环境温度45 ℃时，海拔低于3000 m的 区域能1.1倍过载运行，海拔在3000～4000 m区域能 够满载即100%功率运行。

4 PID防护和修复

4.1 PID现象及防护/修复原理

P I D（英 文 全 称 是 P o t e n t i a l I n d u c e d Degradation），即电势诱导衰减。光伏组件在长期 使用过程中其输出功率会逐渐下降，主要是由光照 衰减和材料老化导致[4]，有些组件功率衰减竟高达 50%以上。组件衰减诱因很多，如光致衰减、老化 衰减、隐裂、电池片破裂，其中重要原因之一是组件 PID效应。

组件PID对光伏电站发电量影响巨大，特别是 在温度高、湿度大的东部分布式屋顶、水面等应用 场景。实际电站运行数据显示，具有PID修复功能 的模块，可以对已发生PID问题的组件进行修复，使 组件各项参数指标恢复正常。

从PID形成机理看，通过改变系统或电路结 构，消除电池片与金属边框之间的负偏压。可以修 复产生PID现象的组件。控制U对地电压大于0，可 以防护和修复衰减组件。

4.2 PID防护和修复

逆变器的内部已经集成了使用直流侧负极电位 抬升解决方案的PID模块，可灵活处理白天PID防护 和夜间PID修复功能。

逆变器无需配置外置的PID防护盒，节省设备 及安装成本。逆变器内部集成PID直接抬升PV-对 地电压≥0，从而达到防护和修复的目的，PID设计 原理如图3所示。

4.2.1 PID工作模式

PID防护模式：当直流侧电压上升至100 V左右时，启动PID防护模块，通过采集直流侧PV对地电 压，调整电压输入，使PV对地大地电压为0 V。 PID修复模式：对于已经发生PID现象的组件， 当逆变器待机且直流侧PV电压低于50 V时，通过 APP设置进入PID修复模式，调整PV对地输出电压 为500 V（默认500 V，具体值通过APP可设），修复 光伏组件。

4.2.2 PID模块对箱变要求

若低压侧绕组为Y型，中性点禁止接地；低压 侧交流防雷器L对PE电压不低于1000 V，若选用3+1 方案，推荐防雷器UC750 V＼In10 kA＼Imax25 Ka；升 压变压器低压侧绕组、交流电缆及二次设备（包括 继电保护、检测计量及相关辅助设备）对地耐压要 求不低于1000 V。

5 结 语

光伏逆变发电是当前最清洁环保的发电途径。 随着环保要求的日益严苛，加之能源紧缺，气候变 化，人们对电能的需求也在增多，因此太阳能光伏 发电设备的数量也在不断增多[5]，光伏發电越来越 受到市场重视。由于光伏逆变器所处环境较为恶 劣，因此设计之初，应当考虑逆变器对不同环境的 适应性。本文提出的逆变器优化设计思路，可显著 提升逆变器对不同环境的适应能力，可以作为一种 逆变器产品更新升级的方案。

参考文献

张佳褀，秦岭，王亚芳，等.独立光伏逆变器研究进展[J].电 源技术，2016，40（7）：1532-1535

中国电器工业协会.光伏并网逆变器技术规范：NB/ T 32004-2018[S].

雷电防护：IEC62305[S].

闵坚.光伏组件PID效应的机理研究与防护措施[J].神 州，2017（26）：212-213.

王淼源.光伏并网发电逆变技术研究[J].科技传 播，2016（14）：200-200，232.

作者简介

王凯，本科，工程师，研究方向为电气产品检测与设计。

（责任编辑：袁文静）