电压电流传感器在光伏系统中的应用之-GFDI

多个光伏电池(PV)，通过串联和并联，就组成一个高压的光伏电池组。接上逆变器，就开始并网发电；接入MPPT，就开始给电池组充电，便成了储能。

600V及以上的高压PV有一个GFDI的要求。GFDI是Ground Fault Detection Interrupter（接地故障检测与中断）的缩写。注意，它不是常见的漏电保护装置GFCI（Ground Fault Circuit Interrupter）。GFDI的目地，不是为了保护人生安全，而是为了防止因设备错误的接地而引起设备的各种故障-例如功率损失，幽灵电压，杂散电压等等。GFDI的目地是为了保护设备。

GFDI的核心思想是：

1、为了人生安全，最好是正端和金属外壳接地；但这会引起所谓的PID（电势诱导衰减）问题；

2、负极接地是抑制PID的有效手段；但这需要监测GFDI的漏电流，避免因错误的接地/或接地故障而导致短路。

GFDI的核心目标：检测直流侧异常的接地风险；UL1741、IEC62109等安全标准中也要求光伏系统电压≥600V时配备GFDI，且故障响应时间≤2秒。

如下，是一种高压电池组的GFDI电路，它纯粹的靠机械式的Breaker来断开系统，起到因错误的接地而做保护。

优点很显著：可靠性高；

缺点也比较明显：

1.成本高:得用专门的GFDI breaker，还引入了采购风险；

2.响应时间慢(利用了电流通过电阻发热的效应来让Breaker脱扣，是个I2t的关系)，检测精度也比较低。

针对上述产品的优、缺点，提出了如下一种改进的GFDI电路。其创新点，是引入闭环霍尔电流传感器，实时的监测漏电流，程序不断进行A/D转换并做逻辑判断，一旦大于某个限值（IEC的要求最低为5A。但此值的大小可以在程序中任意的设定），输出控制信号，迅速的让设备脱扣，整个响应时间不到100ms(0.1s)，远远小于IEC的要求最低为2s 。

现在来解释一下为何能在100ms( 0.1S )内就作出响应。

1. 闭环霍尔电流传感器选用光伏、储能专用的芯森电子CM系列，例如CM2A、CM3A，0~200A量程，精度为0.3%。在做好零点消除；后端的采样、放大电路选用低温漂、高精度的电阻、自校准等一系列措施后，精度可以轻松优于0.1%，甚至可以优于0.05%。

CMxA

2. 器件的响应时间小于1us，这意味能精确测量、迅速的反应；

图中：di/dt=50A/us

以12Mhz主频，1T指令周期的8 Bit的8051内核的单片机为例，其完成一个A/D转换周期，最快，只需要约6us ，最慢约35us，程序做判断按照需100条机器指令计算，约需要100 us=0.1ms。最终输出控制接触器的通断，接触器的动作时间最大约为60ms，合计一共最大需要约61ms；

完整的应用电路如下，每个子单元单独的验证过其精度，该电路也长期运行过，被证明其稳定可靠：

主电源24V输入，带EMC保护部分，该设计能抗至少2000V的EFT和浪涌。主CPU为8051内核，带一标准的485接口。输出通过一个10A触点容量的继电器，去最终推动一个大电流的直流接触器，从而达到保护的目的。

电路的创新点是自带一个最大值检测并保持电路。测试表明，该单元电路能顺利检测到宽度仅10us的脉冲幅值并能保持至少10秒。程序只需要去定时读该点的A/D值即可，而无须担心会错过最大值的时刻，故不必在意单片机的运行速度。上述的电路，哪怕单片机的主频低至为1Mhz，整体的响应速度也会快于65ms，该单元电路为此处的一个亮点。

该CM2A/CM3A霍尔电流传感器，其工作电压为±15V，这种工作电源，对于一个单片机系统来说，有可能不是很友好，因其只用单5V/12V电源，

在这种情况下，可以考虑芯森电子CS1V器件，见下图。该器件采用单5V电源供电，闭环霍尔，PCB安装，穿线式，最高测量到300A，该器件的响应时间，约为1.2 us。

用该器件作为测量GFDI的漏电流，也是一种不错的选择。仅需要注意的地方是：绝缘考虑，该种结构的器件，被测线的电压，不能太高；

响应时间

CS1V器件外观