组串式光伏逆变器电气绝缘设计简析

组串式光伏逆变器电气绝缘设计简析

吴文滔

东莞南玻光伏科技有限公司 广东东莞 523000

摘要：碳达峰、碳中和背景下，光伏发电的应用范围也在不断扩大，这种发电方式不仅具有较强的环保性和经济节能性，而且还具有一定的资源无限性和可持续性。在光伏中，组串式光伏逆变器是其不可缺少的重要组成部分，该设备在户外有着较强的安装便捷性，可以适用于各种光伏发电项目中。同时，其还集成了多种光伏发电所需的附加功能，因此，要想最大化满足光伏发电需求，关键任务就是要对组串式光伏逆变器的电气绝缘设计工作给予高度重视。本文主要以直流侧1100 V、交流侧380 V的光伏逆变器为例，对其绝缘等级划分以及电气绝缘设计要点展开着重分析，并通过对比分析，提出了经济性最佳的绝缘设计方案，以便有关人士参考。

关键词：组串式光伏逆变器；电气绝缘设计；要点分析；方案探讨

前言

组串式光伏逆变器是太阳能发电系统中的关键设备，其可以很好的将光伏组件产生的直流电转换为交流电，并使交流电与电网电压和供电频率相匹配，以便更好地实现并网发电目标。目前，在光伏发电中，直流侧1100 V、交流侧380 V的组串光伏逆变器的应用范围相对较为宽泛，为了确保其在高电压和电流以及各个人工带电操作环境中达到一定的安全性和实用性，当务之急就是要对逆变器的电气绝缘设计要点做到全面的掌握。

1. 光伏逆变器绝缘等级划分标准分析

图一 组串光伏逆变器中的各绝缘点位置

根据国家相应的生产标准，光伏逆变器的绝缘形式要尽量多元化，这样才能满足市场需求。其中，组串光伏逆变器的应用范围较广，其内部存有多个绝缘点，如图一所示，这些绝缘点位置各有千秋。例如，①点处是指直流输入的正负极间的绝缘点；②点处是指直流母线正负极间的绝缘点；③点处是指交流输出线之间的绝缘点；④点处是指直流与外壳间的绝缘点；⑤点处是指交流与外壳之间的绝缘点；⑥点处是指控制器与一次电路之间的绝缘点；⑦点处是指通信接口与控制器之间的绝缘点[1]。

在对组串光伏逆变器开展电气绝缘设计时，首要任务就是要对其各绝缘点等级予以科学合理的划分，具体可分为以下几个方面：第一，由于逆变器中的①②③绝缘点可以很好的保障电路运行性能和运行可靠性，所以可将其等级定义为功能性绝缘位置；第二，由于逆变器外壳接地处理后可直接接触，所以就可将该部位的④⑤绝缘点等级定义为基本绝缘；第三，根据逆变器通信需求，其通信接口也要进行接地，但在具体操作时，一般不会直接接地，通常会采用以下两种方案从双重或加强绝缘方面实施开展。第一种为双重绝缘设计方案，即针对通信电路和一次电路，可将⑥和⑦点处的绝缘点作为双重绝缘保护措施。第二种为加强绝缘设计方案，即在⑥和⑦之间选取一个绝缘点作为线路的绝缘保护措施。但在具体设计时，鉴于组串式光伏逆变器电子拓扑结构的复杂性以及隔离驱动电路较为多元化等特征，所以若将⑥绝缘点作为加强绝缘，则会导致设计成本大幅提升。这就需要将⑦绝缘点作为加强绝缘，才能有效降低设计成本。基于此，在划分逆变器绝缘等级时，就要将⑥作为功能绝缘，⑦作为加强绝缘[2]。

2. 电气绝缘设计要点分析

2.1电气间隙设计

组串光伏逆变器在运行使用过程中，一旦受到环境污染或海拔等因素所影响，而产生瞬时过电压和暂时过电压或最大过电压时，就会使其基本绝缘出现一定的电气间隙[3]。其中，瞬时过电压、暂时过电压都可根据光伏发电系统电压值表进行确定，如表1所示。在峰值时期，当输入组串式光伏逆变器直流侧和交流侧的电压不一致时，两者的电压等级就会产生明显的差异。其中，直流侧的电压一般为Ⅱ级电压，这种情况下，虽然不能与电网电源相连接，但在允许插值的条件下，很容易会产生4800 V瞬时过电压和2120 V的暂时过电压；而交流侧的电压一般为Ⅲ级电压，虽然其与电网电源可以直接相连，但若在不允许插值的条件下，仅产生4000 V瞬时过电压。由此根据表一中的系统电压值，就可确定出逆变器基本绝缘的电气间隙，具体如表二所示。

另外，若处在一定海拔的逆变器，在计算其基本绝缘电气间隙时，应参考公式（1）[2]。在该式中，Dair1的计算值是依据最大工作电压来获取、Dair2的计算值是依据瞬时过电压来获取、Dair3的计算值是依据暂时过电压来获取；Kair是指逆变器所处海拔的实际高度。鉴于此，在设计直流侧为1100 V、交流侧为380 V的组串式光伏逆变器电气间隙时，就要依据其直流侧和交流侧不隔离特点来计算分析，具体如表三所示。当逆变器所处海拔区域高度为2000 m时，其基本绝缘的电气间隙值可参考交直流侧的最大值来进行设计。但当设备位于4000 m海拔区域中时，加强绝缘和功能绝缘的电气间隙设计就要在此基础上乘海拔校验系数，最终结果如表四所示。

表一 光伏发电系统电压表

表二 组串光伏逆变器电气间隙设计值

表三 直流侧为1100 V、交流侧为380 V组串光伏逆变器电气间隙设计值

2.2爬电距离设计

由于光伏逆变器的工作电压、污染等级以及材料CTI等会给其爬电距离设计造成一定的影响。所以在开展该项电气绝缘设计工作时，就要根据光伏发电系统的电压值标准予以实施。具体如表四所示，其中，功能绝缘与基本绝缘条件下的爬电距离可保持一致，而加强绝缘条件下的爬电距离应尽量大于基本绝缘条件下的爬电距离。

表四 不同绝缘条件下的爬电距离设计值

结束语：

综上所述，在光伏发电中，为了确保发电效率及安全性，关键任务就是要根据组串光伏逆变器所处的海拔以及受到的污染等级、工作电压等参数，按照相应的光伏系统电压值标准，合理开展电气间隙、爬电距离等电气绝缘设计工作，这样才能进一步提高该设备的应用性能，进而在降低成本的基础上，为光伏发电项目实现可持续发展提供可靠的保障。

参考文献

[1]李昕.非隔离两级组串式光伏并网逆变器设计[J].中北大学,2019,(03

):104-105.

[2]栾天.组串式非隔离光伏并网逆变器研究与设计[J].中北大学,2020,(

04):88-89.

[3]庄飞,季晓春,蔡守平.组串式光伏并网逆变器[J].设计与分析,2018,(1

2):18-19.