组串式光伏逆变器电气绝缘设计

引言

随着碳达峰、碳中和目标的提出，我国电力能源结构逐渐发生转变，从主要依靠化石能源的能源体系向零碳的风力、光伏和水电转变。光伏发电作为新能源的主体之一，被广泛应用于大型地面电站、水面电站、工商业屋顶发电、光伏扶贫等场景，具有较好的经济效益。组串式光伏逆变器，方便户外安装，集成了较多光伏发电所需的附加功能，例如光伏组件PID抑制[1]、光伏组件故障识别等，更适应各类光伏发电应用，未来，组串式光伏逆变器占比将达到60%以上。组串式光伏逆变器目前市场竞争激烈，且涉及高压直流和交流技术，本文将从工程设计出发，以较低的成本获得满足应用的电气绝缘设计。

1组串式光伏逆变器绝缘分类

1.1组串式光伏逆变器组成

以直流侧为1 100 V、交流侧为380 V的组串式光伏逆变器为例，如图1所示，电路拓扑包括最大功率点跟踪（MPPT）电路[2]、交流逆变电路、控制及通信电路、交直流接口电路和通信接口等。

MPPT电路能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压/电流值（VI），使系统以最大功率输出。最大功率点跟踪系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统，是光伏发电的核心电路系统。MPPT电路在光伏逆变器中一般为BOOST电路。

光伏电池板的直流电通过MPPT电路进行最大功率跟踪和升压后，由交流逆变电路变换为交流电压，通过变压器或直接并联接入电网。

控制及通信电路的功能包括：MPPT算法的实现，逆变跟网运行、孤岛运行、故障穿越，逆变器硬件状态监视，对外通信等。

接口电路分为直流接口、交流接口、通信接口电路，用于连接外部的一次、二次线缆，包括从光伏电池板来的直流线缆、至电网的交流线缆以及通信线缆等。

1.2组串式光伏逆变器绝缘等级划分

根据光伏逆变器能源行业标准NB/T 32004—2018《光伏并网逆变器技术规范》，光伏逆变器中存在功能绝缘、基本绝缘、加强或双重绝缘[3—4]等绝缘等级划分。

对图1的逆变器示意图进行简化，并标注各点绝缘位置，如图2所示。

在图2中，各点的绝缘位置包括：直流输入正与负之间的绝缘位置①;直流母线正与负之间的绝缘位置②;交流输出线间的绝缘位置③;直流与外壳之间的绝缘位置④;交流与外壳之间的绝缘位置⑤;控制器与一次电路之间的绝缘位置⑥;通信接口与控制器之间的绝缘位置⑦。

逆变器的外壳接地，根据标准[3]中对各绝缘等级的定义，对逆变器内的绝缘划分说明如下：

1）绝缘位置①②③只涉及电路中的功能可靠性，可定义为功能绝缘。

2）因外壳接地，针对人身安全，外壳为可接触面，外壳已接地，绝缘位置④⑤（直流、交流与外壳之间的绝缘）可定义为基本绝缘。

3）通信接口同样是可接触点，因通信要求，通信接口一般不直接接地，那么通信接口与一次电路之间的绝缘需要双重或加强绝缘。即存在两种方案：

方案一为⑥和⑦均为基本绝缘，通信电路和一次电路之间为双重绝缘。

方案二为⑥或⑦选其中一个位置做成加强绝缘。

在组串式光伏逆变器中，因电力电子拓扑复杂，隔离驱动电路较多，而通信电路较为单一。把⑥作为加强绝缘成本最高；把⑥⑦作为基本绝缘，成本次之；把⑦作为加强绝缘成本最低。因此,在设计中一般把⑥只作为功能绝缘,⑦为加强绝缘。

绝缘等级确认后,即可开展逆变器的电气间隙和爬电距离[5]设计工作。

2组串式光伏逆变器电气间隙设计

基本绝缘的电气间隙由逆变器的最大工作电压、瞬时过电压（脉冲电压）和暂时过电压决定,受海拔高度影响[3—4],较低电压还受污染等级的影响。

瞬时过电压（脉冲电压）、暂时过电压通过系统电压值在标准中查表确定,本文引用标准中表格如表1所示。

以直流侧1 100 V、交流侧380 V的组串式光伏逆变器为例，光伏输入直流侧最大开路电压为DC1 100 V，交流侧最大相电压为220 V rms，峰值为312 V。

直流侧过电压等级为Ⅱ,不直接连接电网电源，允许插值，瞬时过电压值为4 800 V；交流侧过电压等级为Ⅲ,连接电网电源，不允许插值，瞬时过电压值为4 000 V。

同样可查得，交流侧的暂时过电压值为峰值2 120 V，有效值1 500 V。

根据上述电压值，在标准中查表计算可得到基本绝缘的电气间隙，如表2所示。

设备在某海拔高度应用时，基本绝缘的电气间隙设计值由式（1）计算：

直流侧为1 100 V、交流侧为380 V的组串式光伏逆变器电气间隙设计结果如表3所示。

由于逆变器直流与交流侧不隔离[6]，在2 000 m海拔高度，基本绝缘的电气间隙设计值选交直流侧的最大值，即4.3 mm。如设备需要工作在4 000 m海拔高度，则需要乘海拔校验系数。

加强绝缘和功能绝缘的电气间隙可使用表4描述进行设计。

3组串式光伏逆变器爬电距离设计

逆变器的绝缘爬电距离由工作电压、污染等级、材料的CTI[7]决定。爬电距离根据标准提供的相应表格进行设计计算,其中功能绝缘与基本绝缘的爬电距离相同,加强绝缘为基本绝缘爬电距离的两倍。

爬电距离允许插值计算,本文直接给出印制线路板上基本绝缘的计算数据,如表5所示。

需要注意的是,印制线路板若为多层板,内层可降低为污染等级1。

4组串式光伏逆变器绝缘认证测试

绝缘认证测试的目的是检验绝缘设计的可靠性,一般有交流耐压试验、直流耐压试验和脉冲耐压试验[3-4]。

交流耐压,试验有极性,存在介质损耗,破坏性强,呈现介质容抗分压,对地Y电容容易产生误判,允许拆除Y电容测试,试验时间1 min。

直流耐压,无介质损耗,破坏性相对小,介质阻抗分压,试验时间1 min。

脉冲耐压,模拟雷电或开关过电压,主要对电气间隙和固体绝缘进行校验,波形为1.2/50μs脉冲波,正负极性各5次,最小时间间隔为1 s。

在认证测试中,如存在对地Y电容,则允许采用直流耐压进行绝缘耐压测试。

需要注意的是,光伏逆变器除了常规耐压试验,在湿热试验后,直流电解电容短路等单一故障后,均需要开展耐压试验。

5结束语

本文以直流侧1 100 V、交流侧380 V的光伏逆变器为例,介绍了逆变器内的绝缘类型、绝缘等级,并对电气间隙和爬电距离进行了设计,同时对比了不同绝缘设计的成本差异,提出了较低成本的绝缘设计方案,满足了工程实际应用条件,可为类似工程应用提供一定的借鉴。