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
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。
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，如圖2.1所示。雨天對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，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，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。
當漏電流增大到一定程度時，可能造成下列危害：
1）當漏電通過人體，會發(fā)生觸電傷亡事故。
2）當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：
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
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?shù)难由�，而且對于各個不同的開關(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�。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。圖三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。當遇到超過兩個接口的發(fā)電機，測試電路適當?shù)难由�，而且對于各個不同的開關(guān)位置都要考核。
四、RCMU在逆變器中的設(shè)計思路
圖4.1 RCMU在光伏逆變器中的檢測點（以單相光伏逆變器為例）：
圖4.1 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DAC將50mA的漏電通過Vout輸出，Vout=2.7±0.05V從而判斷RCMU器件正常，將Check拉低器件進入正常漏電檢測模式。
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）
五、應(yīng)用方案典型案例
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。
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，升級了單芯片方案，設(shè)計了尺寸只有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（如圖6.2所示）兩款漏電流檢測傳感器，分別針對50/60KW、80KW~125KW功率段的應(yīng)用。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進行了數(shù)字化集成，將磁通門技術(shù)進行底層技術(shù)的升級，使得逆變器模塊化設(shè)計可以更加便捷，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)良性能高性價比的RCMU漏電流檢測方案。
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。在整個行業(yè)向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和傳感智能化的大趨勢推動下，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，同時實現(xiàn)高功率密度化，也首次實現(xiàn)傳感器高速軟件化。
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