一、前言
RCMU(Residual Current Monitoring Unit)廣泛應(yīng)用在光伏逆變器中。在光伏逆變器接入交流電網(wǎng)，交流斷路器閉合的任何情況下，逆變器都應(yīng)進(jìn)行殘余電流（簡(jiǎn)稱(chēng)之為漏電流）檢測(cè)。漏電流檢測(cè)裝置應(yīng)能檢測(cè)總的有效值電流值（包括直流和交流部件）。無(wú)論逆變器是否帶有隔離，與之連接的光伏方陣是否接地，以及隔離形式采用何種等級(jí)（基本絕緣隔離或加強(qiáng)絕緣隔離），都需要對(duì)過(guò)量的連續(xù)殘余電流以及過(guò)量的殘余電流的突變進(jìn)行監(jiān)控。
二、漏電就產(chǎn)生的機(jī)理
漏電流主要分兩種形式：1）阻性漏電；2）容性漏電
兩片導(dǎo)電體中間是絕緣材料就構(gòu)成了電容。兩片導(dǎo)電體面積對(duì)著的面積越大，電容就越大。
陰雨天，組件表面有一層雨水，水與電池片有較大的面積，形成較大的對(duì)地電容，如圖2.1所示。雨天對(duì)地電容與組件面積有關(guān)，5kW系統(tǒng)大約在330nF至550nF，電容兩極板上帶有電荷，電荷隨著光伏系統(tǒng)外部的器件流動(dòng)，形成阻性漏電。
圖2.1 水和電池之間形成等效電容
逆變器在工作時(shí)，除了高頻的共模漏電流，母線上會(huì)涵蓋低頻的交流分量，在機(jī)器內(nèi)部來(lái)回振蕩，形成容性漏電。
阻性和容性的漏電可能會(huì)疊加存在，不同的是阻性漏電會(huì)對(duì)地短接。
當(dāng)漏電流增大到一定程度時(shí)，可能造成下列危害：
1）當(dāng)漏電通過(guò)人體，會(huì)發(fā)生觸電傷亡事故。
2）當(dāng)漏電增大至一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通電的金屬部分發(fā)熱；隨著時(shí)間的推移，熱量增加，在易燃場(chǎng)所容易引起火災(zāi)
三、漏電流檢測(cè)相關(guān)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求
對(duì)于光伏逆變器本身需要安裝漏電檢測(cè)裝置，檢測(cè)器件類(lèi)型大致有三種：
Type AC: Detecting AC residual currents of mains frequency (not permissible in Germany)
Type A: Detecting AC residual currents and pulsating DC residual currents of mains frequency
Type B: Detecting AC residual currents and pulsating DC residual currents of mains frequency, as well as smooth DC residual currents and AC residual currents ≠ mains frequency
摘自ICE62109-1 7.3.8章節(jié)
1）AC 型漏電保護(hù)器：
AC 型漏電保護(hù)器是針對(duì)工頻正弦漏電電流研發(fā)設(shè)計(jì)的，對(duì)突然施加及緩慢上升的正弦漏電電流都能可靠保護(hù)。
2）A 型漏電保護(hù)器：
A 型漏電保護(hù)器和 AC 型漏電保護(hù)器在工作原上基本相同，只是對(duì)傳感器的磁特性進(jìn)行了改進(jìn)，除對(duì)正弦漏電信號(hào)能夠可靠保護(hù)外，還能對(duì)含有脈動(dòng)直流分量的漏電信號(hào)可靠保護(hù)。
3）B 型漏電保護(hù)器：
B型漏電保護(hù)器對(duì)正弦交流信號(hào)、脈動(dòng)直流信號(hào)和平滑信號(hào)都能可靠保護(hù)。
設(shè)計(jì)帶B型漏電流保護(hù)功能的逆變器具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）該功能可以與所需的方陣絕緣測(cè)量相結(jié)合；（2）在逆變器開(kāi)始運(yùn)行之前可完成小直流電流的靈敏度測(cè)量；（3）該功能可以在誤動(dòng)作之后通過(guò)自動(dòng)復(fù)位實(shí)現(xiàn)；（4）最后一點(diǎn)是由于太陽(yáng)能電池和附近的地平面之間電容的存在，在接受較大穩(wěn)態(tài)交流接地電流時(shí)，交流和直流接地電流保護(hù)值可以根據(jù)人身安全水平設(shè)定（30mA）。該電流最大允許設(shè)置為300mA，突然改變30mA可導(dǎo)致斷開(kāi)。因此，標(biāo)準(zhǔn)中明確表示光伏逆變器必須使用Type B及以上的漏電流檢測(cè)器。
在VDE0126-1-1中，指出對(duì)突變漏電流要求的響應(yīng)時(shí)間如表3.1所示：
maximum turn-off time
Effective value of the fault current/(mA)
Turn-off time/(s)
30 0,3
60 0,15
150 0,04
圖3.1 RCMU對(duì)突變漏電流的響應(yīng)時(shí)間
摘自VDE0126-1-1 4.7.1章節(jié)
并且《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定內(nèi)容：
a) 連續(xù)殘余電流。如果連續(xù)殘余電流超過(guò)如下限值，逆變器應(yīng)當(dāng)在0.3s內(nèi)斷開(kāi)并發(fā)出故障發(fā)生信號(hào)；
1） 對(duì)于額定輸出小于或等于30KVA的逆變器，300mA；
2） 對(duì)于額定輸出大于30KVA的逆變器，10mA/KVA。
因此，對(duì)于中大功率的RCMU也需要相應(yīng)的電氣性能參數(shù)的升級(jí)。
VDE0126-1-1要求的模擬漏電流測(cè)試過(guò)程，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)容性漏電流和阻性漏電流斷開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)。如圖3.2是標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)光伏逆變器漏電測(cè)試的模擬平臺(tái)。
圖3.2 光伏逆變器安規(guī)模擬漏電測(cè)試圖
摘自VDE0126-1-1 6.6.2.2.1章節(jié)
1）在不斷上升的故障電流下一次觸發(fā)的考核
測(cè)試開(kāi)關(guān)S1閉合并且S2打開(kāi)，故障電流不斷上升，電流值在30秒內(nèi)到達(dá)300mA。觸發(fā)電流被測(cè)量5次，所有5個(gè)測(cè)試值都必須不大于300mA。重復(fù)測(cè)試S關(guān)閉并且S1打開(kāi)。在對(duì)超過(guò)兩個(gè)發(fā)電機(jī)接口的結(jié)構(gòu)，測(cè)試電路需要適當(dāng)?shù)难由�，而且�?duì)于各個(gè)不同的開(kāi)關(guān)位置都要考核。
2）在忽然出現(xiàn)的故障電流下的依次觸發(fā)
這個(gè)測(cè)試用于考核RCMU在正常工作情況下出現(xiàn)的且疊加了忽然出現(xiàn)的阻性故障電流的感性泄露電流。為了確定最大容性泄漏電流，在S1和S2都打開(kāi)的情況下加大C1，直到斷路器裝置斷開(kāi)。C2在這次測(cè)試中不用連接。因此調(diào)節(jié)C1，以至在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的感性泄漏電流比測(cè)出最大的感性泄漏電流�。ㄐ《嗌賲⒖磮D三）調(diào)整電阻R1，使圖三中列出的的阻性電流值依次實(shí)現(xiàn)。S1閉合。斷路器裝置必須被觸發(fā)。在每個(gè)故障電流下測(cè)量5個(gè)斷路時(shí)間。圖三中確定的時(shí)間不能被超過(guò)。使用S2和C2重復(fù)測(cè)試。在這個(gè)情況下C1斷開(kāi)。當(dāng)遇到超過(guò)兩個(gè)接口的發(fā)電機(jī)，測(cè)試電路適當(dāng)?shù)难由�，而且�?duì)于各個(gè)不同的開(kāi)關(guān)位置都要考核。
四、RCMU在逆變器中的設(shè)計(jì)思路
圖4.1 RCMU在光伏逆變器中的檢測(cè)點(diǎn)（以單相光伏逆變器為例）：
圖4.1 RCMU漏電流檢測(cè)點(diǎn)
RCMU是通過(guò)檢測(cè)單相機(jī)母線（L、N線）回路電流是否平衡的原理來(lái)達(dá)到漏電流檢測(cè)的目的。
另外，對(duì)于RCMU器件本身而言，非常關(guān)鍵性一個(gè)功能是Self-Check。根據(jù)IEC62109-2標(biāo)準(zhǔn)4.4.4.15.1.和4.8.3.5段落中，要求在光伏逆變器任何一次上電的時(shí)候必須驗(yàn)證傳感器的精度，等同于RCMU本身需要一個(gè)自檢的過(guò)程。Magtron將該功能集成到RCMU中，充分體現(xiàn)了高度集成化的漏電流檢測(cè)技術(shù)，為光伏逆變器安全技術(shù)應(yīng)用提供了一個(gè)可靠有效的解決方案。具體應(yīng)用說(shuō)明如圖4.2所示
圖4.2 Self-Check Fuction
將Check腳拉高（3.3V<Check<5V）使能，模擬出50mA的漏電流，器件內(nèi)部通過(guò)DAC將50mA的漏電通過(guò)Vout輸出，Vout=2.7±0.05V從而判斷RCMU器件正常，將Check拉低器件進(jìn)入正常漏電檢測(cè)模式。
另一個(gè)角度，對(duì)于Magtron RCMU Series本身：
•集成安全自檢(Self-check)功能，安規(guī)件級(jí)別
•漏電流檢測(cè)范圍AC/DC 0mA~500mA（根據(jù)功率段不同可數(shù)字化調(diào)整）
•內(nèi)部設(shè)計(jì)自激振蕩電路
•內(nèi)置單芯片集成方案
•超小體積PCB安裝
•Type B的RCMU
•直流~700Hz頻率范圍
•靈活的可選穿線方案（本體不帶CP線）
五、應(yīng)用方案典型案例
針對(duì)市場(chǎng)各個(gè)功率段的光伏逆變器，Magtron設(shè)計(jì)了涵蓋1.2KW~125KW功率段的漏電流檢測(cè)解決方案。
圖5.1 各功率段應(yīng)用案例
六、中大功率以及小功率小型化的需求
1、小功率超薄逆變器
在光伏發(fā)電市場(chǎng)的戶(hù)用化背景下，A4大小型高集成度的超薄小型單相光伏逆變器即將成為單相機(jī)的主流。Magtron為滿(mǎn)足光伏逆變器廠商集成化設(shè)計(jì)要求，在原有的RCMU101S的基礎(chǔ)上，升級(jí)了單芯片方案，設(shè)計(jì)了尺寸只有26mm*23mm*12mm高度僅為23mm的智能漏電流傳感器RCMU101SM1-A。
該漏電流傳感器升級(jí)了原有的單芯片方案，使得所有的元器件都隨著芯片方案實(shí)現(xiàn)了高度集成化。除此之外，Magtron在器件的外觀和結(jié)構(gòu)也獨(dú)具匠心，對(duì)器件模具的質(zhì)感，材料的質(zhì)量層層把關(guān)，使得RCMU101SM1系列更加值得設(shè)計(jì)者的青睞。
圖6.1 RCMU101SM1-A構(gòu)成圖
2、中大功率超薄逆變器
隨著光伏地面電站需求趨于飽和，中功率組串式光伏逆變器逐漸成為商用機(jī)型的主流。其功率段從50KW~125KW不等。并且光伏技術(shù)的不斷創(chuàng)新，組件已經(jīng)從十多年前的600V提升到了目前的1500V，而且在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。1500V光伏系統(tǒng)以其低成本及更高的發(fā)電效率受到眾多用戶(hù)的重視，同時(shí)也向1500V光伏逆變器提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)幾大先進(jìn)逆變器廠商都已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了1500V組串式光伏逆變器。從日前的1000V光伏逆變器廣泛采用的兩電平發(fā)展到能夠使得1500V光伏逆變器發(fā)揮出更佳性能的三電平，甚至是最新的五電平技術(shù)。將組串電流檢測(cè)部分集中到光伏逆變器中，把匯流箱和MPPT升壓集成在一起。電壓等級(jí)的上升，對(duì)光伏逆變器的電子元件模塊的要求垂直上升。針對(duì)于漏電流這塊，Magtron RCMU Series也是做到了相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)的升級(jí)。
《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定內(nèi)容：
a) 連續(xù)殘余電流。如果連續(xù)殘余電流超過(guò)如下限值，逆變器應(yīng)當(dāng)在0.3s內(nèi)斷開(kāi)并發(fā)出故障發(fā)生信號(hào)；
1） 對(duì)于額定輸出小于或等于30KVA的逆變器，300mA；
2） 對(duì)于額定輸出大于30KVA的逆變器，10mA/KVA。
因此，針對(duì)于更大功率段的要求，漏電流的檢測(cè)范圍也隨之改變，例如：80KW的光伏逆變器，不考慮其余成分，漏電流檢測(cè)范達(dá)至少要達(dá)到800mA。而且其母線電流的大小也隨之增加。因此，針對(duì)組串式光伏逆變器，Magtron推出RCMU101SN-4P16C&RCMU101SN-3P28C（如圖6.2所示）兩款漏電流檢測(cè)傳感器，分別針對(duì)50/60KW、80KW~125KW功率段的應(yīng)用。漏電流檢測(cè)范圍能夠達(dá)到AC/DC：0mA~2.0A，沿用傳統(tǒng)穿線的方案；便捷的PCB安裝形式；集成自檢(Self-check)功能。為光伏逆變器的研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)新一輪的應(yīng)用解決方案。
圖6.2 RCMU101SN-4P16C構(gòu)成圖
七、總結(jié)
Magtron基于iFluxgateTM技術(shù)的SoC芯片方案，將RCMU進(jìn)行了數(shù)字化集成，將磁通門(mén)技術(shù)進(jìn)行底層技術(shù)的升級(jí)，使得逆變器模塊化設(shè)計(jì)可以更加便捷，而且上大幅度降低了系統(tǒng)資源整合的成本，為全球光伏逆變器廠商提供了優(yōu)良性能高性?xún)r(jià)比的RCMU漏電流檢測(cè)方案。
Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁電傳感SoC的全球領(lǐng)先企業(yè)，致力于實(shí)現(xiàn)新一代更智能的、高功率密度和差異化的磁電傳感系統(tǒng)方案。在整個(gè)行業(yè)向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和傳感智能化的大趨勢(shì)推動(dòng)下，Magtron的創(chuàng)新技術(shù)Quadcore，RCMU，iShunt等創(chuàng)新技術(shù)使得磁電傳感，特別是電流傳感器應(yīng)用既高度集成易用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率密度化，也首次實(shí)現(xiàn)傳感器高速軟件化。
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