中心議題：
并網(wǎng)光伏逆變器的基本設計無隔離變壓器光伏逆變器的技術關鍵光伏逆變器正常運行狀態(tài)下的漏電電流分析光伏組件中的故障電流分析進入交流電網(wǎng)的直流分量之分析
并網(wǎng)光伏逆變器的基本設計
無論采用何種技術，逆變器的基本設計都很明確，且非常相似。其核心就是將直流電壓（光伏組件）轉換成交流電壓（可并網(wǎng)）的過程。在轉變的過程中，不停地轉換直流電的正負極連接，從而形成方向變化的交流電。所以，逆變器的關鍵部件是橋接開關（晶體管元件，見圖1a）），這個開關橋的一側連接輸入的直流電源，在另一側連接交流電網(wǎng)。在工作過程中，只有兩個相對的開關可以同時關閉。
如果將此開關橋的開關速度設置成與電網(wǎng)頻率相同，則在理論上可以將橋的輸出側與電網(wǎng)連接。但是，由于這樣輸出的電流是方波，且強度沒有變化，因此需要在輸出端安裝一個具有鐵芯的電感器，用以將輸出電流控制成為正弦波形狀。橋的斷開采用脈沖過程進行，從而形成與脈沖相關的較小電流分量。這樣的電流分量可以對電感器的電流進行控制。脈沖的頻率一般為20KHz ， 這樣就完全可以形成50Hz的電流，見圖1b）。
對于光伏逆變器來說，還有一個非常重要的設備不能遺漏：輸入端的電容器，見圖1c ） 。電容器的作用是儲存電能，確保來自發(fā)電側的電流持續(xù)一致供給橋接開關，并通過與電網(wǎng)頻率同步變化的橋進入電網(wǎng)。只有在輸入電容器的容量足夠大的情況下，才能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)、正常運行。
圖1：光伏逆變器的基本設計
圖2描述了可用于直接并網(wǎng)的逆變器的基本功能。但在實際應用中，輸入電壓的范圍具有一定的局限性。對于并網(wǎng)發(fā)電應用，其輸入電壓必須在任何時刻都高于電網(wǎng)的峰值電壓。當電網(wǎng)電壓的有效值為250V時，達到正常并網(wǎng)要求的發(fā)電源側的最低電壓應為354V。
圖2：最常用的逆變器電路圖表一覽
與標準逆變器的基本設計不同，直接并網(wǎng)逆變器有很多方法來調整或提升輸入電壓范圍。常用的逆變器技術方案與結構都各不相同：
上面提到的逆變器拓樸結構不僅在電氣隔離方面不同，在可達到的效率、對電壓的依賴性等方面也各不相同。因此，沒有統(tǒng)一的公式來界定何種逆變器設計是最優(yōu)秀的設計，用戶必須要考慮到具體使用的逆變器特性。
無隔離變壓器光伏逆變器的技術關鍵
目前，只要光伏發(fā)電站設計合理，完全可以經(jīng)濟運行。直接并入電網(wǎng)的無變壓器型逆變器因為其低成本、高效率而日益受到重視。但是，該技術仍然被認為是“有問題的”。這一點將在下面進行檢驗和說明。
變壓器將電能轉化成磁能，再將磁能轉化成電能。在輸入與輸出端之間安裝的電氣隔離裝置導致的能量損失可達到1%，甚至高達2%。因此，無變壓器型逆變器的運行效率要比變壓器型逆變器高。這種技術還有很多其它的優(yōu)點，例如材料消耗少、重量輕等。
總而言之，無變壓器型逆變器相對體積較小、重量較輕、價格也比較便宜，在很多方面都比變壓器型逆變器更具優(yōu)勢。雖然光伏發(fā)電站的運行和安全性都不需要采用電氣隔離措施，在設計直接并網(wǎng)的逆變器時還是應該考慮到以下幾個方面。
圖5：外觀相同，內部電路不同：變壓器型和無變壓器型兩種Sunny Boy效率特性。
正常運行狀態(tài)下的漏電電流
將來自光伏組件的電壓采用高頻率（20kHz）轉換過程中，高頻電壓應等同于電網(wǎng)電壓峰值；這些電壓在逆變器內部被認為是干擾，濾波器可以阻斷這些干擾，防止其進入電網(wǎng)。但在理論上，阻止來自發(fā)電電源側的直流分量進入交流電網(wǎng)是不可能絕對實現(xiàn)的。
這樣，根據(jù)所采用逆變器結構的不同，在交流輸出中也將存在不同的對地直流電壓分量。如果太陽能電池組和/或者其接線端對地存在交流電壓，將產(chǎn)生“漏電電流”，通過寄生電容流向電池組接地點。
圖6：Sunny Boy 2100TL逆變器光伏電池組對地電壓
圖7：Sunny Boy 5000TL HC多組串逆變器光伏電池組對地電壓
下面我們以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC兩種逆變器為例。如上圖所示。這兩種逆變器的運行會在其電子部分產(chǎn)生與時間相關的電勢，它們的光伏組件對地電壓也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型橋結構，加在光伏組件上的電壓為電網(wǎng)電壓有效值的一半。
多組串逆變器SB5000TL HC則采用電容半橋結構。橋的中線直接連接在電網(wǎng)的中線上。這樣的結果就是產(chǎn)生的對地電壓只是50Hz的低電壓值，其分量只是電網(wǎng)電壓很小的一部分，只相當于變壓器拓撲結構中的電壓紋波量。
除了電網(wǎng)電壓提升方面的考慮，漏電電流的大小還取決于光伏組件寄生電容的大小，該電容值大小與電池面積及組件與邊框之間的距離相關。因此，關于漏電電流情況，應該在設計系統(tǒng)時就仔細考慮逆變器的結構和光伏組件尺寸。面積越大、電池與光伏組件邊框之間的距離越小，產(chǎn)生的漏電電流就越大。無邊框結構光伏組件的漏電電流值很低。然而，安裝在不銹鋼箔上的非晶電池會產(chǎn)生很大的漏電電流。
外部條件也會對漏電電流產(chǎn)生影響，因此不可避免會產(chǎn)生一定的波動。如果沉淀物或者清潔液弄濕了光伏組件，漏電電流就會增加；這些液體中的電子物質成分縮短電池與電池間的距離，造成漏電電流升高。
總之，光伏組件在運行時的漏電電流（正常情況下）取決于很多運行條件，沒有定值來衡量。以H型橋逆變器（如Sunny Boy 2100TL）為例，在運行過程中光伏組件的漏電電流值在1-30mA/KWp范圍內。
光伏組件中的故障電流
在并網(wǎng)應用的光伏電站中，只能使用電池片與邊框有可靠絕緣的光伏組件。組件要具有雙倍或超強的絕緣措施，并且要充分考慮光伏組件的系統(tǒng)耐壓性，以保證即使在光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)下也可以觸摸組件表面，不會造成危險。目前，所有的光伏組件可以達到Ⅱ級防護，在選擇時并沒有太嚴格的限制。
如上所述， 對于無變壓器型逆變器，在運行時光伏組件上的電壓可以是疊加了交流電網(wǎng)的同步電壓值。當觸摸組件表面時，可能會產(chǎn)生對地的故障電流。如果組件的絕緣足夠好，一般來說很難有這樣的電流產(chǎn)生。但是，故障電流放電的強度會隨一些條件的變化而增加，如光伏電池距離縮短（這種情況下透明玻璃或塑料板厚度減少）、接觸面積增加等。比如：由于清潔光伏組件的液體中含有導電物質，會造成導電面積擴大，從而導致意外的故障電流。在這種情況下雖然無法對危險電流預先檢測，但如果發(fā)生意外會造成一定的危險。為了避免由此（類似突然從梯子上掉下來等）產(chǎn)生的安全隱患，也為了避免危險，在建設光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時，用戶應該遵循以下步驟：
1）將光伏組件的邊框以及其他導電氣部分與接地線連接
2）在對系統(tǒng)進行維護或對光伏組件進行清理時，斷開逆變器與電網(wǎng)的連接
有了這些保護措施，人員安全就能夠得到完全的保障。設計精密的無變壓器型逆變器還有額外的保護，即使超過電氣隔離型逆變器要求的安全標準，也勿需擔心安全問題。
在該類型逆變器中， 要對組件可能產(chǎn)生的DC或AC漏電電流進行持續(xù)監(jiān)測， 一旦產(chǎn)生故障電流（ 大于3 0mA） ， 逆變器立即斷開與電網(wǎng)的連接。然而，現(xiàn)實應用中對故障電流的監(jiān)測比簡單監(jiān)測漏電電流大小更為復雜。漏電電流在系統(tǒng)運行狀態(tài)下是隨時變化的，在并網(wǎng)之前無從得知當前的數(shù)值。因此，在每次逆變器接入電網(wǎng)前，會檢測光伏組件的絕緣電阻。只有當絕緣電阻超過要求的電阻值（ 大于1M歐姆）時，才能證明沒有故障電流注入電網(wǎng)，這時可以連接電網(wǎng)。因此，識別故障電流不僅通過監(jiān)測漏電電流的增加，還要通過測量電流的變化率來獲知。所有故障電流監(jiān)控裝置都必須具有漏電電流檢測功能（雙重的），各監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠獨立識別故障電流。這樣，人身安全就會得到更多的保障。RCD保護在調試之后很少或者根本不需要再進行人工測試，但上述保護措施遠比一般的RCD保護更有效。
進入交流電網(wǎng)的直流分量
直接與電網(wǎng)并接，通常會導致直流電直接進入交流電網(wǎng)。該直流電成分會影響電網(wǎng)上的設備（ 局域電網(wǎng)變壓器） 的正常運行和RCD的工作特性，同時會使與電網(wǎng)并接的用電器中的變壓器發(fā)生內耗，產(chǎn)生磁飽和，而這并不是用電器所要求的使用環(huán)境。雖然這種情況不一定會損壞設備，但可以引發(fā)啟動電網(wǎng)中防止直流成分的保護設備工作。所以，理論上并網(wǎng)型逆變器都設置有防止直流電進入電網(wǎng)的預防措施（通過50Hz變壓器或電容器進入電網(wǎng)）。
還有一點非常重要，即逆變器向電網(wǎng)送入直流電的能力不僅僅取決于是否存在隔離變壓器。而與電容器相結合，變壓器只是可以在電氣隔離的情況下傳輸功率。事實上，我們關心的是電路中的電氣部件向電網(wǎng)輸入直流電流的能力。對于直接與電網(wǎng)連接的高頻變壓器型逆變器，普通的逆變橋無論是否有變壓器，都能夠向電網(wǎng)輸送直流電流。
對于SMA逆變器，電容是橋的一部分。變壓器型逆變器的變壓器設置在橋的電網(wǎng)側，從而只能向電網(wǎng)提供交流電流（如Sunny Boy 5000TLHC和所有變壓器型逆變器）。
即使逆變橋發(fā)生故障，也不可能向電網(wǎng)繼續(xù)送入直流電流。原因是逆變器中串連的兩個雙極繼電器會在這種情況下切斷與電網(wǎng)的連接，該方案應用于所有SMA無變壓器型逆變器。假設繼電器失效，橋的短路會造成過流發(fā)生，逆變器中的過載保護（過載開關）仍會啟動，并切斷與電網(wǎng)的連接。
結論
采用無隔離變壓器型逆變器的光伏電站，具有發(fā)電量很高的優(yōu)點。就安全而言，完全可以與采用物理電氣隔離裝置的發(fā)電站相媲美。由于內部采用了完善的人員保護裝置，該裝置的驅動由來自具有自動監(jiān)測漏電電流功能的系統(tǒng)完成，保護能力更加理想。在設計光伏電站時，要充分考慮如下幾點：
選用絕緣好的光伏組件和電纜（Ⅱ級保護）將光伏組件和/或者光伏組件邊框與接地連接選用具有完善故障電流檢測、監(jiān)控的無變壓器型逆變器注意電容與電網(wǎng)連接時，需監(jiān)測送入電網(wǎng)的直流分量當需要在電源接點進行故障電流檢測時，應注意組件運行時的漏電電流（如設置漏電電流監(jiān)測值為100mA或更高）在對光伏發(fā)電站進行維修時，要斷開逆變器
由于光伏發(fā)電站投資回收周期主要取決于發(fā)電量，可見逆變器的轉換效率尤為重要。鑒于SMA系統(tǒng)的條件優(yōu)勢，無變壓器型逆變器將在光伏市場的競爭中占有更加重要的地位。
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