在構(gòu)建可持續(xù)能源未來的征程中，光伏系統(tǒng)作為關(guān)鍵角色，正不斷拓展其在全球能源版圖中的地位。從大規(guī)模的光伏電站到分布式的屋頂光伏設(shè)施，其應(yīng)用場(chǎng)景日益廣泛。而在光伏系統(tǒng)復(fù)雜的架構(gòu)中，電壓電流傳感器扮演著極為重要的角色，尤其是在接地故障檢測(cè)與中斷(GFDI)領(lǐng)域，其作用關(guān)乎系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性與高效性。

多個(gè)光伏電池(PV)通過串聯(lián)和并聯(lián)組成高壓的光伏電池組，連接逆變器后開始并網(wǎng)發(fā)電，接入最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)裝置則可給電池組充電儲(chǔ)能。當(dāng) PV 電壓達(dá)到 600V 及以上時(shí)，就有了 GFDI 的要求。需注意，GFDI(Ground Fault Detection Interrupter)與常見的漏電保護(hù)裝置 GFCI(Ground Fault Circuit Interrupter)不同，其目的并非保護(hù)人身安全，而是防止因設(shè)備錯(cuò)誤接地引發(fā)的各類故障，如功率損失、幽靈電壓、雜散電壓等，旨在保護(hù)設(shè)備。

GFDI 的核心思想基于兩個(gè)關(guān)鍵方面。一方面，從人身安全角度考慮，正端和金屬外殼接地較為理想，但這會(huì)引發(fā)所謂的 PID(電勢(shì)誘導(dǎo)衰減)問題。另一方面，負(fù)極接地是抑制 PID 的有效手段，但需要監(jiān)測(cè) GFDI 的漏電流，避免因錯(cuò)誤接地或接地故障導(dǎo)致短路。其核心目標(biāo)便是檢測(cè)直流側(cè)異常的接地風(fēng)險(xiǎn)。在 UL1741、IEC62109 等安全標(biāo)準(zhǔn)中，明確要求光伏系統(tǒng)電壓≥600V 時(shí)需配備 GFDI，且故障響應(yīng)時(shí)間≤2 秒。

早期一種高壓電池組的 GFDI 電路，純粹依靠機(jī)械式的 Breaker 來斷開系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)因錯(cuò)誤接地的保護(hù)。這種方式優(yōu)點(diǎn)顯著，可靠性高。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯。成本方面，需要使用專門的 GFDI breaker，不僅增加了成本，還引入了采購風(fēng)險(xiǎn);響應(yīng)時(shí)間上，由于利用電流通過電阻發(fā)熱使 Breaker 脫扣(遵循 I2t 關(guān)系)，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間慢，檢測(cè)精度也比較低。

針對(duì)上述產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，業(yè)界提出了一種改進(jìn)的 GFDI 電路。該電路的創(chuàng)新之處在于引入閉環(huán)霍爾電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流。程序不斷進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并做邏輯判斷，一旦漏電流大于某個(gè)限值(IEC 要求最低為 5A，此值可在程序中任意設(shè)定)，便迅速輸出控制信號(hào)，使設(shè)備脫扣。整個(gè)響應(yīng)時(shí)間不到 100ms(0.1s)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 IEC 要求的最低 2s。

該電路能在短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，主要得益于以下因素。閉環(huán)霍爾電流傳感器選用光伏、儲(chǔ)能專用的芯森電子 CM 系列，如 CM2A、CM3A，量程為 0 - 200A，精度達(dá) 0.3%。在做好零點(diǎn)消除，后端采樣、放大電路采用低溫漂、高精度電阻及自校準(zhǔn)等一系列措施后，精度可輕松優(yōu)于 0.1%，甚至可達(dá) 0.05%。并且該器件響應(yīng)時(shí)間小于 1μs，意味著能夠精確測(cè)量、迅速反應(yīng)。以 12Mhz 主頻、1T 指令周期的 8 Bit 的 8051 內(nèi)核單片機(jī)為例，完成一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換周期最快約 6μs，最慢約 35μs，程序做判斷按 100 條機(jī)器指令計(jì)算，約需 100μs = 0.1ms。最終輸出控制接觸器通斷，接觸器動(dòng)作時(shí)間最大約為 60ms，合計(jì)最大約需 61ms。

完整的應(yīng)用電路中，主電源 24V 輸入，帶有 EMC 保護(hù)部分，該設(shè)計(jì)能抗至少 2000V 的 EFT 和浪涌。主 CPU 為 8051 內(nèi)核，配備標(biāo)準(zhǔn)的 485 接口。輸出通過一個(gè) 10A 觸點(diǎn)容量的繼電器，去推動(dòng)一個(gè)大電流的直流接觸器，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的。此電路還自帶一個(gè)最大值檢測(cè)并保持電路。測(cè)試表明，該單元電路能順利檢測(cè)到寬度僅 10μs 的脈沖幅值并保持至少 10 秒。程序只需定時(shí)讀取該點(diǎn)的 A/D 值，無需擔(dān)心錯(cuò)過最大值時(shí)刻，所以不必在意單片機(jī)運(yùn)行速度。即便單片機(jī)主頻低至 1Mhz，整體響應(yīng)速度也快于 65ms，該單元電路成為一大亮點(diǎn)。

芯森電子 CM2A/CM3A 霍爾電流傳感器工作電壓為 ±15V，對(duì)于一些只用單 5V/12V 電源的單片機(jī)系統(tǒng)可能不太友好。這種情況下，可以考慮芯森電子 CS1V 器件。該器件采用單 5V 電源供電，為閉環(huán)霍爾、PCB 安裝、穿線式，最高可測(cè)量到 300A，響應(yīng)時(shí)間約為 1.2μs ，用于測(cè)量 GFDI 的漏電流也是不錯(cuò)的選擇。不過需要注意絕緣問題，該結(jié)構(gòu)器件的被測(cè)線電壓不能太高。

電壓電流傳感器在光伏系統(tǒng)的 GFDI 中有著不可或缺的地位。從早期簡單但存在諸多缺陷的機(jī)械式 GFDI 電路，到引入先進(jìn)閉環(huán)霍爾電流傳感器的高性能 GFDI 電路，技術(shù)的不斷革新推動(dòng)著光伏系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性的提升。隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，相信會(huì)有更多高性能、低成本、高可靠性的電壓電流傳感器及相關(guān)電路應(yīng)用于光伏系統(tǒng)，為全球清潔能源事業(yè)的發(fā)展注入更強(qiáng)大的動(dòng)力。