組串式光伏逆變器電氣絕緣設(shè)計(jì)

引言

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，我國電力能源結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，從主要依靠化石能源的能源體系向零碳的風(fēng)力、光伏和水電轉(zhuǎn)變。光伏發(fā)電作為新能源的主體之一，被廣泛應(yīng)用于大型地面電站、水面電站、工商業(yè)屋頂發(fā)電、光伏扶貧等場景，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。組串式光伏逆變器，方便戶外安裝，集成了較多光伏發(fā)電所需的附加功能，例如光伏組件PID抑制[1]、光伏組件故障識別等，更適應(yīng)各類光伏發(fā)電應(yīng)用，未來，組串式光伏逆變器占比將達(dá)到60%以上。組串式光伏逆變器目前市場競爭激烈，且涉及高壓直流和交流技術(shù)，本文將從工程設(shè)計(jì)出發(fā)，以較低的成本獲得滿足應(yīng)用的電氣絕緣設(shè)計(jì)。

1組串式光伏逆變器絕緣分類

1.1組串式光伏逆變器組成

以直流側(cè)為1 100 V、交流側(cè)為380 V的組串式光伏逆變器為例，如圖1所示，電路拓?fù)浒ㄗ畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤（MPPT）電路[2]、交流逆變電路、控制及通信電路、交直流接口電路和通信接口等。

MPPT電路能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓/電流值（VI），使系統(tǒng)以最大功率輸出。最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)是一種通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)，是光伏發(fā)電的核心電路系統(tǒng)。MPPT電路在光伏逆變器中一般為BOOST電路。

光伏電池板的直流電通過MPPT電路進(jìn)行最大功率跟蹤和升壓后，由交流逆變電路變換為交流電壓，通過變壓器或直接并聯(lián)接入電網(wǎng)。

控制及通信電路的功能包括：MPPT算法的實(shí)現(xiàn)，逆變跟網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行、故障穿越，逆變器硬件狀態(tài)監(jiān)視，對外通信等。

接口電路分為直流接口、交流接口、通信接口電路，用于連接外部的一次、二次線纜，包括從光伏電池板來的直流線纜、至電網(wǎng)的交流線纜以及通信線纜等。

1.2組串式光伏逆變器絕緣等級劃分

根據(jù)光伏逆變器能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 32004—2018《光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》，光伏逆變器中存在功能絕緣、基本絕緣、加強(qiáng)或雙重絕緣[3—4]等絕緣等級劃分。

對圖1的逆變器示意圖進(jìn)行簡化，并標(biāo)注各點(diǎn)絕緣位置，如圖2所示。

在圖2中，各點(diǎn)的絕緣位置包括：直流輸入正與負(fù)之間的絕緣位置①;直流母線正與負(fù)之間的絕緣位置②;交流輸出線間的絕緣位置③;直流與外殼之間的絕緣位置④;交流與外殼之間的絕緣位置⑤;控制器與一次電路之間的絕緣位置⑥;通信接口與控制器之間的絕緣位置⑦。

逆變器的外殼接地，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]中對各絕緣等級的定義，對逆變器內(nèi)的絕緣劃分說明如下：

1）絕緣位置①②③只涉及電路中的功能可靠性，可定義為功能絕緣。

2）因外殼接地，針對人身安全，外殼為可接觸面，外殼已接地，絕緣位置④⑤（直流、交流與外殼之間的絕緣）可定義為基本絕緣。

3）通信接口同樣是可接觸點(diǎn)，因通信要求，通信接口一般不直接接地，那么通信接口與一次電路之間的絕緣需要雙重或加強(qiáng)絕緣。即存在兩種方案：

方案一為⑥和⑦均為基本絕緣，通信電路和一次電路之間為雙重絕緣。

方案二為⑥或⑦選其中一個位置做成加強(qiáng)絕緣。

在組串式光伏逆變器中，因電力電子拓?fù)鋸?fù)雜，隔離驅(qū)動電路較多，而通信電路較為單一。把⑥作為加強(qiáng)絕緣成本最高；把⑥⑦作為基本絕緣，成本次之；把⑦作為加強(qiáng)絕緣成本最低。因此,在設(shè)計(jì)中一般把⑥只作為功能絕緣,⑦為加強(qiáng)絕緣。

絕緣等級確認(rèn)后,即可開展逆變器的電氣間隙和爬電距離[5]設(shè)計(jì)工作。

2組串式光伏逆變器電氣間隙設(shè)計(jì)

基本絕緣的電氣間隙由逆變器的最大工作電壓、瞬時過電壓（脈沖電壓）和暫時過電壓決定,受海拔高度影響[3—4],較低電壓還受污染等級的影響。

瞬時過電壓（脈沖電壓）、暫時過電壓通過系統(tǒng)電壓值在標(biāo)準(zhǔn)中查表確定,本文引用標(biāo)準(zhǔn)中表格如表1所示。

以直流側(cè)1 100 V、交流側(cè)380 V的組串式光伏逆變器為例，光伏輸入直流側(cè)最大開路電壓為DC1 100 V，交流側(cè)最大相電壓為220 V rms，峰值為312 V。

直流側(cè)過電壓等級為Ⅱ,不直接連接電網(wǎng)電源，允許插值，瞬時過電壓值為4 800 V；交流側(cè)過電壓等級為Ⅲ,連接電網(wǎng)電源，不允許插值，瞬時過電壓值為4 000 V。

同樣可查得，交流側(cè)的暫時過電壓值為峰值2 120 V，有效值1 500 V。

根據(jù)上述電壓值，在標(biāo)準(zhǔn)中查表計(jì)算可得到基本絕緣的電氣間隙，如表2所示。

設(shè)備在某海拔高度應(yīng)用時，基本絕緣的電氣間隙設(shè)計(jì)值由式（1）計(jì)算：

直流側(cè)為1 100 V、交流側(cè)為380 V的組串式光伏逆變器電氣間隙設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由于逆變器直流與交流側(cè)不隔離[6]，在2 000 m海拔高度，基本絕緣的電氣間隙設(shè)計(jì)值選交直流側(cè)的最大值，即4.3 mm。如設(shè)備需要工作在4 000 m海拔高度，則需要乘海拔校驗(yàn)系數(shù)。

加強(qiáng)絕緣和功能絕緣的電氣間隙可使用表4描述進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3組串式光伏逆變器爬電距離設(shè)計(jì)

逆變器的絕緣爬電距離由工作電壓、污染等級、材料的CTI[7]決定。爬電距離根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的相應(yīng)表格進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,其中功能絕緣與基本絕緣的爬電距離相同,加強(qiáng)絕緣為基本絕緣爬電距離的兩倍。

爬電距離允許插值計(jì)算,本文直接給出印制線路板上基本絕緣的計(jì)算數(shù)據(jù),如表5所示。

需要注意的是,印制線路板若為多層板,內(nèi)層可降低為污染等級1。

4組串式光伏逆變器絕緣認(rèn)證測試

絕緣認(rèn)證測試的目的是檢驗(yàn)絕緣設(shè)計(jì)的可靠性,一般有交流耐壓試驗(yàn)、直流耐壓試驗(yàn)和脈沖耐壓試驗(yàn)[3-4]。

交流耐壓,試驗(yàn)有極性,存在介質(zhì)損耗,破壞性強(qiáng),呈現(xiàn)介質(zhì)容抗分壓,對地Y電容容易產(chǎn)生誤判,允許拆除Y電容測試,試驗(yàn)時間1 min。

直流耐壓,無介質(zhì)損耗,破壞性相對小,介質(zhì)阻抗分壓,試驗(yàn)時間1 min。

脈沖耐壓,模擬雷電或開關(guān)過電壓,主要對電氣間隙和固體絕緣進(jìn)行校驗(yàn),波形為1.2/50μs脈沖波,正負(fù)極性各5次,最小時間間隔為1 s。

在認(rèn)證測試中,如存在對地Y電容,則允許采用直流耐壓進(jìn)行絕緣耐壓測試。

需要注意的是,光伏逆變器除了常規(guī)耐壓試驗(yàn),在濕熱試驗(yàn)后,直流電解電容短路等單一故障后,均需要開展耐壓試驗(yàn)。

5結(jié)束語

本文以直流側(cè)1 100 V、交流側(cè)380 V的光伏逆變器為例,介紹了逆變器內(nèi)的絕緣類型、絕緣等級,并對電氣間隙和爬電距離進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時對比了不同絕緣設(shè)計(jì)的成本差異,提出了較低成本的絕緣設(shè)計(jì)方案,滿足了工程實(shí)際應(yīng)用條件,可為類似工程應(yīng)用提供一定的借鑒。