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)進行殘余電流(簡稱之為漏電流)檢測。漏電流檢測裝置應(yīng)能檢測總的有效值電流值(包括直流和交流部件)。無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(基本絕緣隔離或加強絕緣隔離)，都需要對過量的連續(xù)殘余電流以及過量的殘余電流的突變進行監(jiān)控。

二、漏電就產(chǎn)生的機理

漏電流主要分兩種形式：1)阻性漏電;2)容性漏電

圖2.0

如圖2.0所示，兩片導(dǎo)電體中間是絕緣材料就構(gòu)成了電容。兩片導(dǎo)電體面積對著的面積越大，電容就越大。

圖2.1 水和電池之間形成等效電容

陰雨天，組件表面有一層雨水，水與電池片有較大的面積，形成較大的對地電容。雨天對地電容與組件面積有關(guān)，5kW系統(tǒng)大約在330nF至550nF，如圖2.1所示。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，形成阻性漏電。

逆變器在工作時，除了高頻的共模漏電流，母線上會涵蓋低頻的交流分量，在機器內(nèi)部來回振蕩，形成容性漏電。

阻性和容性的漏電可能會疊加存在，不同的是阻性漏電會對地短接。漏電流存在于逆變器里面的形式如圖2.2

圖2.2 漏電流在機器中與大地構(gòu)成回路模型

當(dāng)漏電流增大到一定程度時，可能造成下列危害：

1)當(dāng)漏電通過人體，會發(fā)生觸電傷亡事故。

2)當(dāng)漏電增大至一定值時，會導(dǎo)致通電的金屬部分發(fā)熱;隨著時間的推移，熱量增加，在易燃場所容易引起火災(zāi)

三、漏電流檢測相關(guān)的安規(guī)標準要求

對于光伏逆變器本身需要安裝漏電檢測裝置，檢測器件類型大致有三種，如圖3.0所示。

圖3.0 漏電流檢測類型

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 型漏電保護器：

AC 型漏電保護器是針對工頻正弦漏電電流研發(fā)設(shè)計的，對突然施加及緩慢上升的正弦漏電電流都能可靠保護。

2)A 型漏電保護器：

A 型漏電保護器和 AC 型漏電保護器在工作原上基本相同，只是對傳感器的磁特性進行了改進，除對正弦漏電信號能夠可靠保護外，還能對含有脈動直流分量的漏電信號可靠保護。

3)B 型漏電保護器：

B型漏電保護器對正弦交流信號、脈動直流信號和平滑信號都能可靠保護。

設(shè)計帶B型漏電流保護功能的逆變器具有如下一些優(yōu)點：(1)該功能可以與所需的方陣絕緣測量相結(jié)合;(2)在逆變器開始運行之前可完成小直流電流的靈敏度測量;(3)該功能可以在誤動作之后通過自動復(fù)位實現(xiàn);(4)最后一點是由于太陽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，交流和直流接地電流保護值可以根據(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。因此，標準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器。

在VDE0126-1-1中，指出對突變漏電流要求的響應(yīng)時間如表3.1所示：

maximum turn-off time

表3.1 RCMU對突變漏電流的響應(yīng)時間

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)殘余電流超過如下限值，逆變器應(yīng)當(dāng)在0.3s內(nèi)斷開并發(fā)出故障發(fā)生信號;

1) 對于額定輸出小于或等于30KVA的逆變器，300mA;

2) 對于額定輸出大于30KVA的逆變器，10mA/KVA。

因此，對于中大功率的RCMU也需要相應(yīng)的電氣性能參數(shù)的升級。

VDE0126-1-1要求的模擬漏電流測試過程，滿足標準容性漏電流和阻性漏電流斷開標準。如圖3.2是標準中對光伏逆變器漏電測試的模擬平臺。

圖3.2 光伏逆變器安規(guī)模擬漏電測試圖

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

測試開關(guān)S1閉合并且S2打開，故障電流不斷上升，電流值在30秒內(nèi)到達300mA。觸發(fā)電流被測量5次，所有5個測試值都必須不大于300mA。重復(fù)測試S關(guān)閉并且S1打開。在對超過兩個發(fā)電機接口的結(jié)構(gòu)，測試電路需要適當(dāng)?shù)难由欤覍τ诟鱾€不同的開關(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)

這個測試用于考核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都打開的情況下加大C1，直到斷路器裝置斷開。C2在這次測試中不用連接。因此調(diào)節(jié)C1，以至在測試過程中出現(xiàn)的感性泄漏電流比測出最大的感性泄漏電流小(小多少參看圖3.1)調(diào)整電阻R1，使表3.1中列出的的阻性電流值依次實現(xiàn)。S1閉合。斷路器裝置必須被觸發(fā)。在每個故障電流下測量5個斷路時間。圖3.1中確定的時間不能被超過。使用S2和C2重復(fù)測試。在這個情況下C1斷開。當(dāng)遇到超過兩個接口的發(fā)電機，測試電路適當(dāng)?shù)难由欤覍τ诟鱾€不同的開關(guān)位置都要考核。

四、RCMU聲明

RCMU在光伏逆變器中是必不可缺的一個安規(guī)器件，因此國內(nèi)外各大逆變器公司都會對RCMU這一器件的功能進行必要性的聲明，如圖4.0所示:

圖4.0 RCMU聲明

五、RCMU在逆變器中的設(shè)計思路

圖5.0 RCMU在光伏逆變器中的檢測點(以單相光伏逆變器為例)：

圖5.0 RCMU漏電流檢測點

RCMU是通過檢測單相機母線(L、N線)回路電流是否平衡的原理來達到漏電流檢測的目的。

另外，對于RCMU器件本身而言，非常關(guān)鍵性一個功能是Self-Check。根據(jù)IEC62109-2標準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候必須驗證傳感器的精度，等同于RCMU本身需要一個自檢的過程。Magtron將自身擁有的Self-Check功能這一專利技術(shù)集成到RCMU中，并完成高度集成化的漏電流檢測技術(shù)，為光伏逆變器安全技術(shù)應(yīng)用提供了一個可靠有效的解決方案。具體應(yīng)用說明如圖5.1所示

圖5.1 Self-Check Fuction

將Check腳拉高(3.3V

另一個角度，對于Magtron RCMU Series本身：

集成安全自檢(Self-check)功能，安規(guī)件級別

漏電流檢測范圍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)

六、典型應(yīng)用案例

針對市場各個功率段的光伏逆變器，Magtron設(shè)計了涵蓋1.2KW~125KW功率段的漏電流檢測解決方案。

七、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)電市場的戶用化背景下，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的主流。Magtron為滿足光伏逆變器廠商集成化設(shè)計要求，在原有的RCMU101S的基礎(chǔ)上，設(shè)計了尺寸只有26mm*23mm*12mm的智能漏電流傳感器RCMU101SM1系列。

該漏電流傳感器升級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)也獨具匠心，對器件模具的質(zhì)感，材料的質(zhì)量層層把關(guān)，使得RCMU101SM1系列更加值得設(shè)計者的青睞。

圖7.0 RCMU101SM1 series SoC方案結(jié)構(gòu)圖

2、中大功率逆變器

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的重視，同時也向1500V光伏逆變器提出了更高的要求。國內(nèi)幾大先進逆變器廠商都已經(jīng)成功設(shè)計了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。電壓等級的上升，對光伏逆變器的電子元件模塊的要求垂直上升。針對于漏電流這塊，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。

《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)殘余電流超過如下限值，逆變器應(yīng)當(dāng)在0.3s內(nèi)斷開并發(fā)出故障發(fā)生信號;

1) 對于額定輸出小于或等于30KVA的逆變器，300mA;

2) 對于額定輸出大于30KVA的逆變器，10mA/KVA。

因此，針對于更大功率段的要求，漏電流的檢測范圍也隨之改變，例如：80KW的光伏逆變器，不考慮其余成分，漏電流檢測范達至少要達到800mA。而且其母線電流的大小也隨之增加。因此，針對組串式光伏逆變器，Magtron推出RCMU101SN-4P16C&RCMU101SN-3P28C兩款帶大電流導(dǎo)流引腳線的漏電流檢測傳感器，分別針對50/60KW、80KW~125KW功率段的應(yīng)用，免去了設(shè)計者自己穿線的步驟。其漏電流檢測范圍能夠達到AC/DC：0mA~2.0A，沿用傳統(tǒng)穿線的方