【干货】RCMU在光伏逆变器中的研究说明

一、前言

RCMU(Residual Current Monitoring Unit)广泛应用在光伏逆变器中。在光伏逆变器接入交流电网，交流断路器闭合的任何情况下，逆变器都应进行残余电流(简称之为漏电流)检测。漏电流检测装置应能检测总的有效值电流值(包括直流和交流部件)。无论逆变器是否带有隔离，与之连接的光伏方阵是否接地，以及隔离形式采用何种等级(基本绝缘隔离或加强绝缘隔离)，都需要对过量的连续残余电流以及过量的残余电流的突变进行监控。

二、漏电就产生的机理

漏电流主要分两种形式：1)阻性漏电;2)容性漏电

图2.0

如图2.0所示，两片导电体中间是绝缘材料就构成了电容。两片导电体面积对着的面积越大，电容就越大。

图2.1 水和电池之间形成等效电容

阴雨天，组件表面有一层雨水，水与电池片有较大的面积，形成较大的对地电容。雨天对地电容与组件面积有关，5kW系统大约在330nF至550nF，如图2.1所示。电容两极板上带有电荷，电荷随着光伏系统外部的器件流动，形成阻性漏电。

逆变器在工作时，除了高频的共模漏电流，母线上会涵盖低频的交流分量，在机器内部来回振荡，形成容性漏电。

阻性和容性的漏电可能会叠加存在，不同的是阻性漏电会对地短接。漏电流存在于逆变器里面的形式如图2.2

图2.2 漏电流在机器中与大地构成回路模型

当漏电流增大到一定程度时，可能造成下列危害：

1)当漏电通过人体，会发生触电伤亡事故。

2)当漏电增大至一定值时，会导致通电的金属部分发热;随着时间的推移，热量增加，在易燃场所容易引起火灾

三、漏电流检测相关的安规标准要求

对于光伏逆变器本身需要安装漏电检测装置，检测器件类型大致有三种，如图3.0所示。

图3.0 漏电流检测类型

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章节

1)AC 型漏电保护器：

AC 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的，对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。

2)A 型漏电保护器：

A 型漏电保护器和 AC 型漏电保护器在工作原上基本相同，只是对传感器的磁特性进行了改进，除对正弦漏电信号能够可靠保护外，还能对含有脉动直流分量的漏电信号可靠保护。

3)B 型漏电保护器：

B型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护。

设计带B型漏电流保护功能的逆变器具有如下一些优点：(1)该功能可以与所需的方阵绝缘测量相结合;(2)在逆变器开始运行之前可完成小直流电流的灵敏度测量;(3)该功能可以在误动作之后通过自动复位实现;(4)最后一点是由于太阳能电池和附近的地平面之间电容的存在，在接受较大稳态交流接地电流时，交流和直流接地电流保护值可以根据人身安全水平设定(30mA)。该电流最大允许设置为300mA，突然改变30mA可导致断开。因此，标准中明确表示光伏逆变器必须使用Type B及以上的漏电流检测器。

在VDE0126-1-1中，指出对突变漏电流要求的响应时间如表3.1所示：

maximum turn-off time

表3.1 RCMU对突变漏电流的响应时间

摘自VDE0126-1-1 4.7.1章节

并且《光伏发电并网逆变器技术规范》的规定内容：

a) 连续残余电流。如果连续残余电流超过如下限值，逆变器应当在0.3s内断开并发出故障发生信号;

1) 对于额定输出小于或等于30KVA的逆变器，300mA;

2) 对于额定输出大于30KVA的逆变器，10mA/KVA。

因此，对于中大功率的RCMU也需要相应的电气性能参数的升级。

VDE0126-1-1要求的模拟漏电流测试过程，满足标准容性漏电流和阻性漏电流断开标准。如图3.2是标准中对光伏逆变器漏电测试的模拟平台。

图3.2 光伏逆变器安规模拟漏电测试图

摘自VDE0126-1-1 6.6.2.2.1章节

1)在不断上升的故障电流下一次触发的考核

测试开关S1闭合并且S2打开，故障电流不断上升，电流值在30秒内到达300mA。触发电流被测量5次，所有5个测试值都必须不大于300mA。重复测试S关闭并且S1打开。在对超过两个发电机接口的结构，测试电路需要适当的延伸，而且对于各个不同的开关位置都要考核。

2)在忽然出现的故障电流下的依次触发

这个测试用于考核RCMU在正常工作情况下出现的且叠加了忽然出现的阻性故障电流的感性泄露电流。为了确定最大容性泄漏电流，在S1和S2都打开的情况下加大C1，直到断路器装置断开。C2在这次测试中不用连接。因此调节C1，以至在测试过程中出现的感性泄漏电流比测出最大的感性泄漏电流小(小多少参看图3.1)调整电阻R1，使表3.1中列出的的阻性电流值依次实现。S1闭合。断路器装置必须被触发。在每个故障电流下测量5个断路时间。图3.1中确定的时间不能被超过。使用S2和C2重复测试。在这个情况下C1断开。当遇到超过两个接口的发电机，测试电路适当的延伸，而且对于各个不同的开关位置都要考核。

四、RCMU声明

RCMU在光伏逆变器中是必不可缺的一个安规器件，因此国内外各大逆变器公司都会对RCMU这一器件的功能进行必要性的声明，如图4.0所示:

图4.0 RCMU声明

五、RCMU在逆变器中的设计思路

图5.0 RCMU在光伏逆变器中的检测点(以单相光伏逆变器为例)：

图5.0 RCMU漏电流检测点

RCMU是通过检测单相机母线(L、N线)回路电流是否平衡的原理来达到漏电流检测的目的。

另外，对于RCMU器件本身而言，非常关键性一个功能是Self-Check。根据IEC62109-2标准4.4.4.15.1.和4.8.3.5段落中，要求在光伏逆变器任何一次上电的时候必须验证传感器的精度，等同于RCMU本身需要一个自检的过程。Magtron将自身拥有的Self-Check功能这一专利技术集成到RCMU中，并完成高度集成化的漏电流检测技术，为光伏逆变器安全技术应用提供了一个可靠有效的解决方案。具体应用说明如图5.1所示

图5.1 Self-Check Fuction

将Check脚拉高(3.3V

另一个角度，对于Magtron RCMU Series本身：

集成安全自检(Self-check)功能，安规件级别

漏电流检测范围AC/DC 0mA~500mA(根据功率段不同可数字化调整)

内部设计自激振荡电路

内置单芯片集成方案

超小体积PCB安装

Type B的RCMU

直流~700Hz频率范围

灵活的可选穿线方案(本体不带CP线)

六、典型应用案例

针对市场各个功率段的光伏逆变器，Magtron设计了涵盖1.2KW~125KW功率段的漏电流检测解决方案。

七、中大功率以及小功率小型化的需求

1、小功率超薄逆变器

在光伏发电市场的户用化背景下，A4大小型高集成度的超薄小型单相光伏逆变器即将成为单相机的主流。Magtron为满足光伏逆变器厂商集成化设计要求，在原有的RCMU101S的基础上，设计了尺寸只有26mm*23mm*12mm的智能漏电流传感器RCMU101SM1系列。

该漏电流传感器升级了原有的单芯片方案，使得所有的元器件都随着芯片方案实现了高度集成化。除此之外，Magtron在器件的外观和结构也独具匠心，对器件模具的质感，材料的质量层层把关，使得RCMU101SM1系列更加值得设计者的青睐。

图7.0 RCMU101SM1 series SoC方案结构图

2、中大功率逆变器

随着光伏地面电站需求趋于饱和，中功率组串式光伏逆变器逐渐成为商用机型的主流。其功率段从50KW~125KW不等。并且光伏技术的不断创新，组件已经从十多年前的600V提升到了目前的1500V，而且在实际工程中得到了应用。1500V光伏系统以其低成本及更高的发电效率受到众多用户的重视，同时也向1500V光伏逆变器提出了更高的要求。国内几大先进逆变器厂商都已经成功设计了1500V组串式光伏逆变器。从日前的1000V光伏逆变器广泛采用的两电平发展到能够使得1500V光伏逆变器发挥出更佳性能的三电平，甚至是最新的五电平技术。将组串电流检测部分集中到光伏逆变器中，把汇流箱和MPPT升压集成在一起。电压等级的上升，对光伏逆变器的电子元件模块的要求垂直上升。针对于漏电流这块，Magtron RCMU Series也是做到了相应的物理结构和电气参数的升级。

《光伏发电并网逆变器技术规范》的规定内容：

a) 连续残余电流。如果连续残余电流超过如下限值，逆变器应当在0.3s内断开并发出故障发生信号;

1) 对于额定输出小于或等于30KVA的逆变器，300mA;

2) 对于额定输出大于30KVA的逆变器，10mA/KVA。

因此，针对于更大功率段的要求，漏电流的检测范围也随之改变，例如：80KW的光伏逆变器，不考虑其余成分，漏电流检测范达至少要达到800mA。而且其母线电流的大小也随之增加。因此，针对组串式光伏逆变器，Magtron推出RCMU101SN-4P16C&RCMU101SN-3P28C两款带大电流导流引脚线的漏电流检测传感器，分别针对50/60KW、80KW~125KW功率段的应用，免去了设计者自己穿线的步骤。其漏电流检测范围能够达到AC/DC：0mA~2.0A，沿用传统穿线的方