CN107528296A - 应用于光伏逆变器的漏电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，包括以下步骤：步骤1：检测漏电流变化前后总漏电流的有效值和平均值；步骤2：根据漏电流变化前总漏电流的有效值和平均值计算得到漏电流变化前总漏电流的AC分量和DC分量，根据漏电流变化后总漏电流的有效值和平均值计算得到漏电流变化后总漏电流的AC分量和DC分量；步骤3：根据漏电流变化后总漏电流的AC分量与漏电流变化前总漏电流的AC分量之差以及漏电流变化后总漏电流的DC分量与漏电流变化前总漏电流的DC分量之差计算得到漏电流突变量；步骤4：比较漏电流突变量与保护动作阈值，并决定是否执行保护动作。本发明能够解决误触发漏电流保护的问题，能够提高逆变器运行的稳定性。

Description

应用于光伏逆变器的漏电流保护方法

技术领域

本发明属于光伏发电领域，具体涉及一种应用于光伏逆变器中以对系统的漏电流进行检测和保护的方法。

背景技术

常用的非隔离型光伏并网逆变器，以单相机为例，如图1，系统由PV光伏组件，DC/AC逆变器，电网组成，其中核心部件逆变器负责将PV组件产生的直流电转化为交流电馈入电网。安规标准要求逆变器要能够检测到系统的残余电流，即漏电流。当检测到系统的漏电流超过安全限制值时要进行保护动作，即停止并网并报警。

参考能标NB/T 32004-2013标准要求，如图2，对漏电流的要求主要有以下3点：1、逆变器要能够检测整个系统的漏电流，包括直流量和交流量；2、如果漏电流缓变值大于300mA或者10mA/kVA(例如50kw机器，为500mA限值)，要进行保护；3、如果漏电流缓变值不超过第2点中规定的阈值，但是漏电流发生了突变，根据突变量的大小，保护时间不能超过标准要求。

对上述标准解读下来，第1点针对的是系统漏电流的类型，因为面板寄生电容Cr和绝缘阻抗Rh的关系，漏电流分为容性交流漏电流I_c和阻性直流漏电流I_r，如图3，标准规定系统必须直流量和交流量都检测到；第2点主要针对着火漏电流的要求，但系统总的漏电流值大于一定限值，如对于小于30kVA系统，漏电流大于300mA，容易发生火灾，因此大于这个限值就要保护；第3点主要针对人意外触电的保护，在工作中的光伏系统，如果人员触电，会有漏电流I_t流过人体，如图4，系统的总漏电流I_g会发生突变，逆变器必须要准确检测到这个突变量，及时保护，保护时间需满足标准要求。

根据标准的要求，业界普遍的做法都是在逆变器的交流输出端接一个电流传感器CT，根据电路基本定律，漏电流的路径一定是从AC侧通过电网Grid到大地，再从大地流入PV端，因此，再AC端接CT检测到的一定是整个系统的漏电流，并且CT可以检测直流量和交流量。因此，这一方案可以同时满足上述标准的第1点和第2点的要求。需注意的是，这里的漏电流都是指的漏电流的有效值，即RMS值。对于标准的第3点，突变漏电流的检测，则需要通过软件算法，提取出突变的漏电流I_t，判断I_t的大小，并据此决定保护动作。因为人体等效为一个电阻，因此，I_t可以等效为电阻漏电流I_r的突变量，即人体触电会导致系统的绝缘阻抗值突变，进而导致I_r突变。

I_r是流过电阻的电流，是直流量(注：受系统交流共模电压的影响，也有部分交流量流过电阻，但一般幅值较小，可以不考虑)；I_c是电容电流，是交流量，交流量和直流量以及它们两个合成的总的漏电流I_g，它们的有效值RMS存在如下关系，如公式1：

因此，当I_r发生突变之后，直接用绝对值差的方法求I_g的变化量是不等于实际I_r的变化量的，例如，初始时刻I_c＝30mA，I_r＝2mA，则如果因为人体意外触电，导致I_r突然增加了30mA，即I_r变为32mA，而I_c依然30mA不变，则可见，此时I_g的变化量为43.86-30.06＝13.8mA。因此，需要通过一种算法去精确的检测出I_r的变化量。

针对上述问题，目前业界通用的做法是通过完全平方差来计算，算法描述如下：假设突变前电流分别为I_g1，I_c1和I_r1，突变后变为I_g2，I_c2和I_r2，那么，突变量ΔI计算公式如下公式2：

由于突变仅相当于绝缘电阻Rh变化，系统的寄生电容Cr不变，因此。故公式2可以简化为公式3：

在实际应用中，逆变器工作前都会检测系统的绝缘阻抗，因此，正常工作之后的Rh值非常大，相应的Ir值也很小，几乎可以忽略；只有发生绝缘阻抗突变(如人员触电)的情况下，Rh值才会减小，因此I_r1≈0。因此，公式3实际等于ΔI＝I_r2，即检测值即为实际漏电流的变化值，检测比较精确。

假设突变情况和上面相同，则公式3计算的突变量为：

可以看到，公式3计算出的ΔI基本等于实际的I_r变化量。

但这一算法依然存在问题，分析如下：

1、假如公式3成立的条件下，可以推导出公式4如下：

分析公式4可以看到，计算的ΔI实际还包括了2I_r1(I_r2-I_r1)这一项，而这一项会把变化前的电流I_r1引入计算中，这也是为什么计算出来的值为31.9375大于实际的30mA的原因，实际上，绝缘性能优良的情况下，初始的I_r1并不会很大，并且，实际应用中，逆变器并网前会做绝缘阻抗检测，因此，正常并网下能够保证系统的绝缘性能，所以，这个问题影响不大。

2、假如公式3不成立。公式3成立的条件是而实际应用中，受环境影响，寄生电容Cr并不是稳定不变的，尤其阴雨天气下，Cr的变化比较大，因此这个条件并不能成立。实际应用中，计算出来的值是公式2计算的值，而分析公式2可以发现，计算值不仅受实际I_r变化的影响，更受I_c变化的影响。假设t1时刻I_c1＝40mA，而t2时刻Cr增大导致I_c2＝50mA，此时，即使I_r保持前后不变，计算出来的已经达到了保护限值；因此，实际应用中，寄生电容Cr较大的情况下，现有的方法比较容易误触发漏电流保护，影响逆变器的正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够更加精准地计算漏电流并据此触发保护动作，从而避免误触发漏电流保护的应用于光伏逆变器的漏电流保护方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：通过光伏逆变器检测光伏并网逆变系统中漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}；

步骤2：根据漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}计算得到漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}，根据漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}计算得到漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}；

步骤3：根据漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}之差以及漏电流变化后总漏电流I_g2的DC分量I_{g_dc2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的DC分量I_{g_dc1}之差计算得到漏电流突变量ΔI；

步骤4：比较所述漏电流突变量ΔI与预设的保护动作阈值，并根据比较结果决定是否执行保护动作。

所述步骤2中，根据计算漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}，其中，x为1或2。

所述步骤3中，根据计算漏电流突变量ΔI。

所述步骤4中，预设的保护动作阈值为30mA。

当所述漏电流突变量ΔI大于或等于所述预设的保护动作阈值时，所述光伏逆变器执行保护动作，否则不执行保护动作。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够解决现有方法中误触发漏电流保护的问题，从而能够提高逆变器运行的稳定性。

附图说明

附图1为现有的光伏并网逆变系统的示意图。

附图2为能标NB/T 32004-2013标准图。

附图3为漏电流分类检测的示意图。

附图4为由于人员触电导致的漏电流突变示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，方法包括以下步骤：

步骤1：通过光伏逆变器检测光伏并网逆变系统中漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}。光伏逆变器能检测到漏电流I_g的RMS有效值I_{g_rms}和AVG平均值I_{g_avg},上面描述现有算法中提到的I_g都是指的I_{g_rms}，而实际上，结合平均值I_{g_avg}软件可以获取更多的漏电流信息。

步骤2：根据漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}计算得到漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}；根据漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}计算得到漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}。

该步骤中，根据

计算漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}。其中，x为1或2，即根据

计算漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}，再根据

计算漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}。

步骤3：根据漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}之差以及漏电流变化后总漏电流I_g2的DC分量I_{g_dc2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的DC分量I_{g_dc1}之差计算得到漏电流突变量ΔI。

该步骤中，根据

计算漏电流突变量ΔI，这个ΔI就是最终的漏电流检测值。

步骤4：比较漏电流突变量ΔI与预设的保护动作阈值，并根据比较结果决定是否执行保护动作。通常预设的保护动作阈值为30mA。当漏电流突变量ΔI大于或等于预设的保护动作阈值时，光伏逆变器执行保护动作，停止并网并报警，否则不执行保护动作。

对于上述方法中漏电流的算法原理解释如下：

如前所述，受交流共模电压的影响，流过电阻Rh的电流I_r中不仅有直流量，还有幅值比较小的交流量，因此，实际检测到的漏电流RMS值为

而平均值I_{g_avg}＝I_{r_dc}(因为流过系统的漏电流I_g成分中，只有电阻Rh会有直流量)，因此，

结合公式6，可得

因为在实际应用中，大部分的情况下共模电压的直流量都大于交流量，因此流过Rh大部分是直流电流，I_{r_ac}的幅值很小，基本可以忽略，因此有

因此，公式8可以写成

ΔI≈ΔI_{r_rms} 公式9

即公式的计算值就约等于实际的I_r变化量，检测较为精确。同时公式8中含有(I_{g_ac2}-I_{g_ac1})²部分，之所以保留这个部分的计算，是因为在一些极端情况下，比如PV+对地流过漏电流，并且PV+对地的共模电压直流量较小的情况下，此时流过Rh的I_{r_rms}中，I_{r_ac}的比重就不能忽视，因此，保留(I_{g_ac2}-I_{g_ac1})²这部分计算公式，就是提高在I_{r_ac}分量较大的情况下的检测精度；用绝对差而不是完全平方差，则可以避免现行算法中，因为引入完全平方差公式，导致Cr较大的时候容易误触发的情况。

综上，新方法可以在较好的解决现行方法在实际应用中的误报情况；提高逆变器运行的稳定性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：通过光伏逆变器检测光伏并网逆变系统中漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}；

步骤2：根据漏电流变化前总漏电流I_g1的有效值I_{g_rms1}和平均值I_{g_avg1}计算得到漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}，根据漏电流变化后总漏电流I_g2的有效值I_{g_rms2}和平均值I_{g_avg2}计算得到漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}；步骤3：根据漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}之差以及漏电流变化后总漏电流I_g2的DC分量I_{g_dc2}与漏电流变化前总漏电流I_g1的DC分量I_{g_dc1}之差计算得到漏电流突变量ΔI；

步骤4：比较所述漏电流突变量ΔI与预设的保护动作阈值，并根据比较结果决定是否执行保护动作。

2.根据权利要求1所述的应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，其特征在于：所述步骤2中，根据计算漏电流变化前总漏电流I_g1的AC分量I_{g_ac1}和DC分量I_{g_dc1}以及漏电流变化后总漏电流I_g2的AC分量I_{g_ac2}和DC分量I_{g_dc2}，其中，x为1或2。

3.根据权利要求1所述的应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，其特征在于：所述步骤3中，根据计算漏电流突变量ΔI。

4.根据权利要求1所述的应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，其特征在于：所述步骤4中，预设的保护动作阈值为30mA。

5.根据权利要求1或4所述的应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，其特征在于：当所述漏电流突变量ΔI大于或等于所述预设的保护动作阈值时，所述光伏逆变器执行保护动作，否则不执行保护动作。