超小体积RCMU 在10KW 单相组串式光伏逆变器中的应用

前言

从 2015 年开始，在国家光伏扶贫政策和领跑者计划的的大力支持下，我国分布式电站建设如火如荼。《能源发展“十三五”规划》指出，要优先发展分布式光伏大电，到 2020 年，太阳能分布式光伏发电规模达 6000 万千瓦，光伏电站达到 4500 万千瓦。根据国家能源局统计，分布式光伏发电装机容量发展迅速，2016 年新增装机容量 4.24GW，比 2015 年新增装机容量增长 200%。在国家政策和平价上网等政策的引导下，组串式光伏并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化、低成本的方向发展。

组串式逆变器成本控制：

伴随着光伏发电平价上网以及激烈的市场竞争。组串式逆变器招投标的价格逐年下降，今年的组串式逆变器投标价格甚至有企业报出了：0.23元/W。在如此低成本的要求下，组串式光伏逆变器产商不得不寻找更优的拓扑结构、更小的尺寸、体积的设计方案、更高可靠性、高性价比的元器件和功能模块。其中漏电流功能检测也成了逆变器厂商降成本的考虑：既要满足安规要求，又要有很好的经济性。

出于成本的压力，大部分逆变器厂家在做漏电流功能模块时会选择方案分立器件所搭的电路，由于分立器件的离散性和耦合性较差，特别在电网较差的场合如：澳洲电网的单线传输特殊性，导致国内逆变器厂商大面积误报漏电错误信息，带来很大的经济损失。另外雷击很容易使GFCI电路失效，虽然经过几代工程师的优化，在漏电互感线圈的每个端口防止大量的钳位二极管保护，还未彻底解决这类问题的发生。此外，分立方案选用的磁环由于不同批次的原材料磁导率不尽相同，会造成产品的一致性不会特别好。逆变器产商使用分立方案做漏电流功能模块，存在不良率。而且不良品需要装机之后才能发现，后期需要不小的维护成本。综合原材料管理成本、后期的维护成本，自制的分立方案来做漏电流检测，其成本并不低。

Magtron针对现场的发生的客诉以及逆变器小型化，集成化的设计理念，开发出高度集成的漏电流传感器并且得到大批量的应用，目前已有许多典型逆变器厂家选用模块式的漏电流检测方案。数据表明，相对分立器件的管控成本较低，类似客诉事件大大降低，售后成本也大幅下降。

Magtron独立开发的Type B型RCMU在光伏逆变器中得到广泛的认可。为了逆变器的研发与制造商考虑，Magtron基于“Magtron iFluxgate”系列技术方案，在原器件的方案上对RCMU进行强势升级，开发了一款专为匹配小功率逆变器要求和成本的一款全球超小型漏电流传感器RCMU101SM3-6AI，为高绝缘强度、高功率密度、高性价比的超薄逆变器的方案奠定了设计基础。该器件采用SoC集成方案，包含全球独特的Self-Check功能。 Self-Check 功能符合 IEC62109-2 4.201.3.1.4 对于漏电流传感器自检功能的要求：对于存在剩余电流危险的地方，剩余电流监测系统必须能够正确运行于一个应用中的单一故障，必须检测出故障并导致逆变器显示出故障。这就要求剩余电流监测系统必须每次在逆变器开机运行前，都能确保其自身的功能和精度检测符合需求。

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Self-Check的使用方法

此外 RCMU101SM3-6AI还具有全温区线性度高、精度良好、单电源供电、电路应用简单，并且兼容RCMU各个型号等特点，其模块化的设计、PCB插件式的安装让客户在实际使用更加方便和快捷。体积上相比中大功率的RCMU有明显的减小，体积减少3/4以上。使得逆变器AC端的布局可以更加灵活。其性能特点如下：

•最小检测范围由直流0mA~交流500mA(可数字化调整)

•集成安全自检(Self-check)功能，安规件级别

•超小安装体积：长*宽*高=26mm*28mm*23mm

•系统成本有显著降低的Type B型RCMU

•故障电流检测根据IEC62109或VDE0126

•L N 线的中心距离：12.8mm 符合 NB-T 32004-2013 《光伏发电并网逆变器技术规范》的

安规距离要求

•BW=DC~700Hz频率范围

RCMU101SN3-6AI 属于 TypeB 型漏电传感器的意义：

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，如表 1所示。

表1漏电流检测类型

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理上基本相同，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1所示：

maximum turn-off time

表2 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。

RCMU101SM3-6AI 设计为 TYPE B 型，符合 IEC62109-2、IEC61008-1、IEC60755、NB/T 32004-2013 等技术规范的要求，是标准的 Type B 型号漏电流传感器安规器件。

RCMU101SM3-6AI 额定电流 50A 对于单相组串式逆变器的意义：

伴随着国家对光伏发电的大力支持，居民分布式屋顶光伏扶贫从 2016 年开始大力推行。光伏扶贫一般采用的 3KW、5KW 光伏逆变器。而对于有些居民屋顶希望做到 10KW 左右的光伏电站，就需要使用两、三台 3KW、5KW 光伏逆变器，这样就增加了安装和客户采购成本，也不便于居民对电站发电情况的监控。为了满足更高功率的单相机光伏逆变器需求，国内逆变器产商争相扩充自己单相机产品线，目前已经可以做到 10KW 左右的单相组串式逆变器。而对于 10KW 的单相光伏逆变器你，其母线的额定电流需要到 45A 左右。RCMU101SM3-6AI 的 50A 额定电流可以很好的覆盖整个单相机功率段的需求。

另外，逆变器散热主要有自然散热和风冷散热两种方式。通过组串式逆变器外部增加风扇，提升散热能力，行业厂商普遍采用这种方式散热。但组串式逆变器应用环境较差，其对外部风扇的防护性能要求较高。任何风扇都属于易损部件，转动会有磨损，且不会绝对防尘。恶劣的外部环境会加速风扇老化。若选用风冷散热的方式，需要 5~10 年对逆变器的风扇进行更换。更换过程除了会有替换和人工成本，还会损失发电效益。对于长达25年运营周期的光伏电站，组串式逆变器内部风扇更换给光伏电站带来比较多的麻烦。

因此有的组串式逆变器产商会选用无风扇的方案，这就对逆变器内部的元器件提出了更高的要求：无风扇设计的组串式逆变器一般内部环境温度会比较高，可达到 85℃。而且只能依靠器件本身自然散热，但是热量又不能过多的传导给 PCB 板，一般器件允许温升为 10 度左右。漏电流传感器作为无变压器结构的组串式逆变器安规件，也应该符合此要求。 Magtron RCMU101SM3-6AI 过流引脚采用纯铜工艺，线径 2.8mm,即便在满载 50A 的情况下，可以很好地满足功率在 10KW 左右的单相组串式逆变器苛刻的温升要求。

结束语

随着组串式光伏逆变器智能化、智慧化的发展。RCMU 作为逆变器内部的核心漏电流检测器件也将进一步朝智能化方向发展。其功能不仅仅局限在检测逆变器检漏电流大小，届时它将发展成可以实现漏电流检测、继电器控制、与 CPU 通讯的智慧型功能模块，为研发人员提供更便捷的方案设计。 Magtron 下一代 RCMU产品将为行业带来更多的突破。

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁电传感SoC的全球领先企业，致力于实现新一代更智能的、高功率密度和差异化的磁电传感系统方案。在整个行业向工业物联网和传感智能化的大趋势推动下，Magtron的创新技术Quadcore，RCMU，iShunt等创新技术使得磁电传感，特别是电流传感器应用既高度集成易用，同时实现高功率密度化，也首次实现传感器高速软件化。