探讨逆变器中高频漏电的处理
探讨逆变器中高频漏电的处理
Discussion on the treatment of high frequency residual current in inverter
（浙江巨磁智能技术公司 曹宏达）
前言
近年来，分布式逆变器持续火热，包括IGBT，SiC，GaN等核心材料的相对成熟，功率密度要求不断上升，逆变器的单机功率千瓦数也因此不断得以提高。占据市场主流的逆变器，功率已经从50~60KW过渡至70~80KW，单机功率上百千瓦的逆变器也已蓄势待发，随时准备走向市场。
单机功率的增大，对逆变器的整体设计变得十分严格。其中漏电检测就是非常核心的一块。它需要克服随功率增大而带来的：大量程、电磁干扰、不同的漏电模式等问题。这次来讨论其中之一的高频漏电。
逆变器常见对地漏电的几种类型
【非隔离型PV系统对地漏电】
由于输出侧直接接地，如有人触碰到输出端任何一条线，都会导致电流通过人体和大地形成漏电回路。
图 1
图 2
【隔离型PV系统对地漏电】
而加入隔离型变压器之后，一次和二次端都没有直接连接大地。这时候触碰输出端，则不会形成有效的漏电回路。
图 3
图 4
【高频对地漏电】
而重点关注的高频漏电，不受输出端是否加有隔离变压的影响，始终存于系统回路中。
其产生的原理：由于逆变器在高频切换时，部分输出电流会经由EMI Y电容流经PV 组件对大地的寄生电容后，再流回逆变器，因此只要由EMI的Y电容或PV 组件的寄生电容越大，所产生的高频对地漏电流也越大，而逆变器的输出电流被影响的程度，也就越严重。
图 5
高频漏电的处理及保护与否？
（1）要了解逆变器中高频漏电是否需要保护，首先要知道漏电保护的目的是什么？
一般对漏电流的几种保护目的：
其一为对人体安全的保护，设定为短时间的突变，如30mA要在0.03S内完成报警保护。
其二为系统设备防止火灾的保护。通常保护阈值设定为300mA，设备功率较大的，阈值会随功率段的增大而增大。
其三为对直流6mA及以下漏电流的检测，其目的为检测对地绝缘阻抗值，通过检测对地电压的变化量来确认系统对地泄露电是否正常。
而高频容性漏电随着逆变器的运行实时存在，基础值较大，并且随工况的变化而缓慢变化，这显然不属于保护人体安全的突变漏电和绝缘检测。而从防火的角度来看，高频漏电更多是由时间很短的奇次谐波构成，其能量相对较弱，不足以引发火灾。且这些高次谐波可以通过硬件的方式将其去除掉。对高频容性漏电的定位存在一定争议。
图 6
既然对这些高频容性漏电的保护目的不是十分明确，那是否有类似的系统可供参考，他们又是怎么处理的？
矿井变频器在井下工作及漏电产生情况就与光伏逆变器类似。
图 7
矿井变频器由于其特殊的结构，早期经常会引起煤矿漏电保护系统做出误判，导致在正常的生产情况下，漏电保护系统向断路器发出错误的断电信号，对煤矿安全生产造成了严重的事故隐患。
加入变频器导致煤矿漏电保护系统误判的原因主要有以下2点：
① 变频器内部产生高次谐波引发漏电电流：
变频器整流过程中产生的矩形方波和逆变过程中经PWM调制形成的脉冲方波除了含有基波外都还含有高次谐波 ，这样输出线路中也就含有基波和高次谐波，由于井下电缆对地电容的存在，且电机机壳之间、绕组对地之间还有寄生电容，以及机器内部本身有Y电容。高次谐波会在电容上产生电流，即零序电流，从而使得煤矿漏电保护器系统误判，发出断电信号； 
图 8
② 高频干扰：
变频器中的高频、高脉冲比常规信号还要高，监测点很难分辨这是干扰信号还是正常信号，这种情况下，系统很难保证检测值的可靠性，从而导致监控系统的误判动作。并且干扰导致的系统检测与实际保护目标点相比，既会出现偏高，也会出现偏低。对后端的保护，轻者，频繁保护影响系统的正常运行。重者，在该保护的情况不保护，对生产设备造成损坏，存在重大事故隐患。高频干扰总结为EMC电磁干扰的问题。
关于EMC与漏电流之间的关系，笔者会在后续的文章中说明。
由变频器自己产生的高次谐波，对整个矿井系统产生的不良影响，可以通过硬件的方式处理。如: 安装输出滤波器、电抗器限制、变压器隔离等方法。
另外，设备的接地与否，以及绝缘阻抗值的检测也越来越显得重要，它能监控设备对地阻抗的实时值，能反应设备在长时间工作后有无泄漏电流等问题。
。
硬件修正法：
图 9
软件修正改法：
在经过一系列的硬件处理过后，高次谐波漏电会被去除大部分，但仍然会留下一小部分。而且会趋向于平滑。对于此时的平滑漏电，一般采取提高变频器保护阈值的方法来操作。每个矿井的环境有所不同，所以这个阈值的选择也需要分别调试。
（2） 在专门处理漏电检测的低压电器行业，对于高频容性漏电又是怎样进行保护的呢？
笔者收集了相关信息，从漏保使用的各处客户现场端了解到，早期在给变频器选用漏保的时候经常会出现机器运行时跳闸的现象。在考虑到变频器工况的特殊性之后，再给变频器选择漏保时大家都更倾向于选择带漏电保护可调功能的漏保装置。原因是机器在运行时本身就带有高频容性漏电，行业内把它称作假漏电。叫它假漏电的原因是它不是漏保真正要保护的对象。其危害性较小，它的存在影响到了人体安全保护及火灾漏电保护的准确性。
图 10
所以在我们经常能见到很多漏保上会有可调节漏电保护阈值的功能。
具体调节厂家需根据自身变频器系统既定存在的漏电大小，结合总保护阈值的大小做一定比例分配。一般采取的比例为：
保护阈值（IΔn）=真实漏电流（0.7*IΔn）+高频容性漏电（0.3*IΔn）；
要求高频容性漏电部分占比不高于保护阈值的30%，不然会导致整个系统频繁报警无法正常工作。
回归到光伏逆变器中漏电流的检测方式：
光伏逆变器的高频容性漏电产生原因和矿井变频器类似。两者的实时漏电流值都会受寄生电容及自己本身的电压变化影响。考虑到安规，逆变器的功率段越大，所需要用到的吸收电容总容值就越大。在提高了抗电网电压冲击和EMC抗扰度能力的同时，也间接增加了高频容性漏电。对于高次谐波等高频漏电的处理方式一般采用电抗器等方式滤除。
逆变器内部对漏电流的处理方式分偏软件处理和偏硬件处理。
【主软件处理】：
（对于偏软件处理的漏电检测也分两种方案）
① 对所采集到的所有漏电成分都进行累加计算。
但该方案存在一定缺陷：很难完整地采集到所有漏电流信号；同时由于高频容性漏电的存在，它会对逆变器突变漏电保护和持续漏电保护的准确性造成很大的影响。
举例：
一台较大功率的逆变器在现场工作时，由于其前端连接的组件数量较多，整机运行起来后，其产生的高频容性漏电基础值就已经很大了。而且现场的影响因素不定，其基础漏电由无数个大小时间各不相同的谐波组成。这时候任何一点现场变化都会放大漏电检测的真实输出，且极大可能触发突变漏电。这里的变化包括，环境温湿度，线缆风摆，逆变器内部的电压变化以及电磁干扰等。
这时，我们再来反观IEC62109中的检测要求。测试模型中其实并没有检测高频容性漏电的要求。有的则是在高频容性漏电的基础上突加阻性漏电，以检验这时候突变漏电的可靠性。
图 11
为了说明逆变器中容性叠加阻性这一测试要求，这里引入汽车漏电保护的要求
举例IEC62752汽车漏电保护。漏电流检测的项目中有一项要求是在正常检测工频50Hz漏电流基础上，叠加1KHz波形。标准中就明确注明了叠加1KHz的目的：模拟运行中的各种干扰工况。要求测试中系统的保护阈值以50Hz为基准，但不能受1KHz波形的干扰。法规同样认可你可以提前滤除高频的干扰再做检测判断。
图 12
图 13
两个测试标准和验证方式相比就不难发现，高频部分都是作为影响真实漏电检测的干扰量。
② 对采集到的漏电软件滤除所有高频部分，只保留下低频至直流的漏电。
这种方式的好处在于，系统只对认为要保护的漏电进行保护，不受高频部分的影响。它对真实漏电报警的准确率会大大提升。但缺点同样明显，以软件来区分真实漏电和高频漏电的算法困难度较高，还要占据大量的运算量。
【主硬件处理】：
光伏逆变器通过自身硬件滤除大部分高频干扰漏电。但光靠硬件无法完全去除干净，此时传感器通过自身内部集成的低通滤波，把检测到的信号再一次滤除。将真正需要关注的漏电流以主体形式体现出来。
仿真验证测试如下：
针对逆变器内部剩余存在的高频漏电，通过调节低通滤波可以将其控制到合理位置。
图 14
客户端实际应用：
图 15
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