CN103063927A - 光伏逆变器的对地阻抗检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光伏逆变器的对地阻抗检测电路及方法。其中，所述方法包括步骤：在各路太阳能电池板的正极与大地之间分别接入一个对地接电阻，在各路太阳能电池板的公共负极与大地之间接入串联的电阻R4和电阻R5；获取电阻R4和电阻R5的公共端的检测电压；根据检测电压以及太阳能电池板接入光伏逆变器的等效电路计算太阳能电池板的正极对地阻抗或负极对地阻抗；将正极对地阻抗或负极对地阻抗与预设的阈值比较，当正极对地阻抗或负极对地阻抗小于所述预设的阈值时发出报警信息。本发明具有结构简单、实现成本低、可靠性且检测精确等优点。

Description

光伏逆变器的对地阻抗检测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种逆变电路，尤其是涉及一种光伏逆变器的对地阻抗检测电路及方法。

背景技术

目前太阳能大规模的应用将是21世纪人类社会进步重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。

光伏逆变器是将光伏（PV）电池组件输出的直流电压转换为交流电压或电流并输出到电网的装置。针对不同的应用场合，光伏电池板输入有一路或多路的情况。按光伏板材料的不同，在实际应用中光伏电池板分接大地（PE）和不接地两种情况，目前居于市场主流的是不接地情况。对于不接地光伏板，光伏逆变器并网工作时必须保证每路光伏电池板的PV+和PV-相对大地之间均有足够大的绝缘阻抗。

现有的国内外的标准均明确要求了逆变器每次并网工作前都必须对所有接入的PV板做绝缘阻抗检测，只有当所有光伏板的PV+和PV-相对大地（PE）的阻抗值均不低于规定的最小值，才允许并网工作。比如，在中国新能源领域实行的金太阳认证标准（CNCA/CTS0004-2009A《并网光伏发电专用逆变器认证技术条件》）中，对于不接地的光伏方阵连接的逆变器系统启动前要求测量组件方阵输入端与地之间的对地阻抗，如果阻抗小于R=Vmax pv/30mA，应指示报警，停止并网。

目前大多数并网逆变器的对地阻抗检测采用继电器来实现，就是在直流输入端对大地接入继电器和电阻，在光伏系统启动前通过继电器吸合来检测直流输入端对大地的电压，这个电压通过缩小一定比例送到控制芯片（控制芯片大多采样DSP芯片实现）来检测处理对地阻抗是否满足要求。现有检测方法存在如下缺陷：

1、需要在每路直流输入都要求接入一个继电器以及控制继电器工作的驱动电路，实现成本较高且检测方法较复杂。

2、检测结果的准确性依赖于继电器的正常动作，若继电器没正常动作就无法准确检测，因而检测的可靠性不高。

发明内容

本发明提出一种光伏逆变器的对地阻抗检测电路，以解决目前光伏逆变器实现对地阻抗检测时存在结构复杂、实现成本高和可靠性较低的技术问题。

本发明采用如下技术方案实现：一种光伏逆变器的对地阻抗检测方法，其包括步骤：

在各路太阳能电池板的正极与大地之间分别接入一个对地接电阻，在各路太阳能电池板的公共负极与大地之间接入串联的电阻R4和电阻R5；

获取电阻R4和电阻R5的公共端的检测电压；

根据检测电压以及太阳能电池板接入光伏逆变器的等效电路计算太阳能电池板的正极对地阻抗或负极对地阻抗；

将正极对地阻抗或负极对地阻抗与预设的阈值比较，当正极对地阻抗或负极对地阻抗小于所述预设的阈值时发出报警信息。

其中，在正极对地阻抗或负极对地阻抗均没有小于所述预设的阈值时，使光伏逆变器正常运行。

在一个实施例中还包括步骤：根据等效电路计算电阻R4和电阻R5的公共端的基准电压；将检测电压与基准电压进行比较，当检测电压大于基准电压时计算太阳能电池板的正极对地阻抗，否则计算太阳能电池板的负极对地阻抗。

本发明公开一种光伏逆变器的对地阻抗检测电路，其包括：

阻抗检测模块，其包括：在各路太阳能电池板的正极与大地之间分别接入一个对地接电阻，在各路太阳能电池板的公共负极与大地之间接入串联的电阻R4和电阻R5；

与电阻R4和电阻R5的公共端相连的微处理器，用于获取电阻R4和电阻R5的公共端的检测电压，根据检测电压以及太阳能电池板接入光伏逆变器的等效电路计算太阳能电池板的正极对地阻抗或负极对地阻抗，并将正极对地阻抗或负极对地阻抗与预设的阈值比较，当正极对地阻抗或负极对地阻抗小于所述预设的阈值时发出报警信息。

其中，所述微处理器模块还用于在正极对地阻抗或负极对地阻抗没有小于所述预设的阈值时，使光伏逆变器正常运行。

其中，所述微处理器模块还用于根据等效电路计算电阻R4和电阻R5的公共端的基准电压，将检测电压与基准电压进行比较，当检测电压大于基准电压时计算太阳能电池板的正极对地阻抗，否则计算太阳能电池板的负极对地阻抗。

其中，微处理器为DSP芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明对地阻抗检测电路不需继电器及驱动电路，每路光伏电池板的正极只需接入对地接电阻就能检测，通过微处理器（比如DSP芯片）来计算待测电极的对地阻抗是否满足，具有结构简单、实现成本低、可靠性且检测精确等优点。

附图说明

图1是本发明对地阻抗检测电路的原理框图；

图2是三路PV输入时阻抗检测模块的示意图；

图3是图2的等效电路示意图；

图4是两路PV输入时阻抗检测模块的等效电路示意图；

图5是一路PV输入时阻抗检测模块的等效电路示意图；

图6是本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的对地阻抗检测电路包括阻抗检测模块及微处理器，其中，阻抗检测模块可以检测至少一路光伏电池板的正极PV+与大地PE之间的正极对地阻抗R+或光伏电池板的负极PV-与大地PE之间的负极对地阻抗R-，且阻抗检测模块的检测端PV.ISO连接微处理器。微处理器采样检测端PV.ISO输出的一组检测电压U_PV.ISO，并根据一组测量电压U_PV.ISO计算出各路光伏电池板的待测电极（正极PV+或负极PV-）的正极对地阻抗Ry或负极对地阻抗Rx，将正极对地阻抗Ry或负极对地阻抗Rx与阈值（Vmax pv/30mA）进行比较，当大于阈值时说明光伏逆变器工作正常，否则表示光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

在一个实施例中，微处理器采用DSP芯片实现。

另外，在本实施例一中，每个待测电极的对地阻抗具有一个预设的阈值（比如，阈值=Vmax pv/30mA），微处理器通过判断计算出的多个待测电极的对地阻抗与预设的阈值的大小关系可判断多个待测电极的对地阻抗是否正常。具体而言，在判断多个待测电极的对地阻抗中有一个小于预设的阈值时，微处理器则产生相应的告警消息，以表明待测电极的对地阻抗出现了异常，以及在判断多个待测电极的对地阻抗中没有一个小于预设的阈值时，微处理器判定光伏逆变器正常运行。

在光伏逆变器的实际应用中，会出现三种接入情况：（1）三路光伏电池板全部接入光伏逆变器；（2）两路光伏电池板接入光伏逆变器；（3）只有一路光伏电池板接入光伏逆变器。因此，本发明分别对此三种情况如何实现光伏逆变器直流侧的对地阻抗检测进行详细说明。

如图2所示的一个实施例，用于检测包含三路光伏电池板的光伏逆变器直流侧的对地阻抗。三路光伏电池板分别具有一个正极标记为PV1+、PV2+和PV3+，三路光伏电池板具有一个共同的负极PV-，大地标记为PE。电阻R1、电阻R2、电阻R3分别是PV1+、PV2、PV3+的对地接电阻，串接在三路光伏电池板的负极PV-的电阻R4和电阻R5为三路光伏电池板的负极PV-的对地接电阻，该电阻R4和电阻R5的公共端为检测端PV.ISO，而电阻R6、电阻R7和电阻R8分别为PV1+、PV2+、PV3+对负极PV-的串联电解电容的平衡电阻。

由于三路光伏电池板全部接入光伏逆变器中，此时的等效电路如图2所示，假设三路光伏电池板PV-的对地电压U，三路光伏电池板的正极PV1+、PV2+、PV3+相对负极PV-的电压分别为U_PV1、U_PV2和U_PV3。在电桥平衡时大地没有电流，此时分别流过电阻R1、电阻R2和电阻R3的电流之和与流过电阻R4或电阻R5的电流I_PV.ISO1相同，即：

$I_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}1}=\frac{U_{\mathrm{PV}1}-U}{R1}+\frac{U_{\mathrm{PV}2}-U}{R2}+\frac{U_{\mathrm{PV}3}-U}{R3}=\frac{U}{R4+R5}---\left(1\right)$

此时，电阻R4和电阻R5的检测端PV.ISO与三路光伏电池板的负极PV-之间基准电压U_PV.ISO1=R4*电流I_PV.ISO1。

若设计光伏逆变器时，选取R1=R2=R3=R4+R5，则此时的基准电压U_PV.ISO1为：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}1}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2}+U_{\mathrm{PV}3})*R4}{4*(R4+R5)}---\left(2\right)$

假设三路光伏电池板的负极PV-对大地PE之间的负极对地阻抗Rx，正极对大地之间的正极对地电阻为Ry，此时负极PV-的对地电压为U₁，同上一样利用节点电流法可以计算此时检测端PV.ISO相对大地PE的电压U_PV.ISO11：

$\frac{U_{\mathrm{PV}1}-U_1}{R1}+\frac{U_{\mathrm{PV}2}-U_1}{R2}+\frac{U_{\mathrm{PV}3}-U_1}{R3}=\frac{U_1}{\mathrm{Rx}\left|\right|(R4+R5)}---\left(3\right)$

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}11}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2}+U_{\mathrm{PV}3})*R4}{\mathrm{Rx}*(4+\frac{R4+R5}{R4})}---\left(4\right)$

根据式（4）得出U_PV.ISO11与负极对地阻抗Rx的关系，即根据检测端的检测电压U_PV.ISO11可以计算出负极对地阻抗Rx，再判定负极对地阻抗Rx与阈值（Vmax pv/30mA）的大小，若负极对地阻抗Rx大于阈值则表示光伏逆变器工作正常，否则表示光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

假设三路光伏电池板的正极对大地PE之间的正极对地阻抗Ry，此时负极PV-相对大地PE的电压U₂可以计算此时检测端PV.ISO的检测电压U_PV.ISO12：

$\frac{U_{\mathrm{PV}1}}{\mathrm{Ry}\left|\right|R1}+\frac{U_{\mathrm{PV}2}}{R2}+\frac{U_{\mathrm{PV}3}}{R3}=\frac{U_2}{R4+R5}---\left(5\right)$

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}12}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2}+U_{\mathrm{PV}3})*R4}{R4+R5}+\frac{R4*U_{\mathrm{PV}1}}{\mathrm{Ry}}---\left(6\right)$

这样可以得出检测电压U_PV.ISO12与正极对地阻抗Ry的关系式，即根据检测电压U_PV.ISO12可求出正极对地阻抗Ry，再判定正极对地阻抗Ry与阈值（Vmaxpv/30mA）的大小。由于三路光伏电池板的正极PV1+、PV2+和PV3+是并联关系，各自正极的正极对地阻抗也是都是并联的，不需要计算对3路输入的正极各自对地的阻抗，不管哪路的正极对地阻抗Ry小于阈值（Vmaxpv/30mA），检测电压U_PV.ISO12都会变化。当正极对地阻抗Ry大于阈值时则表示光伏逆变器工作正常，否则表示光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

当两路光伏电池板的正极PV1+和PV2+接入光伏逆变器时，此时的等效电路如图4所示。由于R3>>R9所以可认为R3+R9=R3；与图3类似，此时可以得出检测端PV.ISO的基准电压U_PV.ISO2。

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}2}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2})*R4}{2(R4+R5)}---\left(7\right)$

假设负极PV-对大地PE之间的负极对地阻抗Rx，此时可以计算出检测端PV.ISO的检测电压U_PV.ISO21，获得检测电压U_PV.ISO21与负极对地阻抗Rx之间的关系：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}21}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2})*R4}{(R4+R5)*(2+\frac{R4+R5}{\mathrm{Rx}})}---\left(8\right)$

同理，假设负极PV-对大地PE之间的正极对地阻抗Ry，此时可以计算出检测端PV.ISO的检测电压U_PV.ISO22，获得检测电压U_PV.ISO21与正极对地阻抗Ry之间的关系：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}12}=\frac{(U_{\mathrm{PV}1}+U_{\mathrm{PV}2})*R4}{2(R4+R5)}+\frac{R4*U_{\mathrm{PV}1}}{2\mathrm{Ry}}---\left(9\right)$

同样，根据式（8）或（9）分别得到检测电压与负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry之间关系，计算出负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry之间关系之后再与阈值（Vmax pv/30mA）进行比较，当大于阈值时说明光伏逆变器工作正常，否则表示光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

当一路光伏电池板的正极PV1+接入光伏逆变器时，此时的等效电路如图5所示。由于R3>>R8，R2>>R7，故可认为：R3+R8=R3，R2+R7=R2。根据等效电路可以计算出检测端PV.ISO的基准电压U_PV.ISO3：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}3}=\frac{U_{\mathrm{PV}1}*R4}{R4+R5}---\left(10\right)$

假设负极PV-对大地PE之间的负极对地阻抗Rx，此时可以计算出检测端PV.ISO的检测电压U_PV.ISO31，获得检测电压U_PV.ISO31与负极对地阻抗Rx之间的关系：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}31}=\frac{U_{\mathrm{PV}1}*R4}{(R4+R5)*(3+\frac{R4+R5}{\mathrm{Rx}})}---\left(11\right)$

同理，假设负极PV-对大地PE之间的正极对地阻抗Ry，此时可以计算出检测端PV.ISO的检测电压U_PV.ISO22，获得检测电压U_PV.ISO21与正极对地阻抗Ry之间的关系：

$U_{\mathrm{PV}.\mathrm{ISO}31}=\frac{U_{\mathrm{PV}1}*R4}{3(R4+R5)}*(1+\frac{R4+R5}{\mathrm{Ry}})---\left(12\right)$

同样，根据式（11）或（12）分别得到检测电压与负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry之间关系，计算出负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry之间关系之后再与阈值（Vmax pv/30mA）进行比较，当大于阈值时说明光伏逆变器工作正常，否则表示光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

结合图6所示，本发明一个实施例包括如下实现步骤：

步骤S1，在光伏逆变器上电后，微处理器通过对各路光伏电池板的正极进行电压采样可以确定有几路光伏电池板的正极接入了光伏逆变器。

步骤S2，微处理器采样检测端PV.ISO的检测电压。

步骤S3、判断检测电压与基准电压的大小，若检测电压大于基准电压，则转入步骤S4，否则转入步骤S5。

步骤S4、根据检测电压与正极对地阻抗Ry的关系计算正极对地阻抗Ry。

步骤S5、根据检测电压与负极对地阻抗Rx的关系计算负极对地阻抗Rx。

步骤S6、判断负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry与阈值（Vmaxpv/30mA）的大小，若大于阈值则转入步骤S7，否则转入步骤S8。

步骤S7、光伏逆变器工作正常，不发出报警信息。

步骤S8、光伏逆变器直流侧的对地阻抗不符合要求，发出报警信息。

其中，步骤S3~S5是根据步骤S1检测出有3路、2路或1路光伏电池板的正极接入光伏逆变器，分别采用对上述图3、图4和图5的等效电路计算出的各自基准电压、各自的负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry与检测电压的公式来计算负极对地阻抗Rx或正极对地阻抗Ry，在此不再详叙。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光伏逆变器的对地阻抗检测方法，其特征在于，包括步骤：

在各路太阳能电池板的正极与大地之间分别接入一个对地接电阻，在各路太阳能电池板的公共负极与大地之间接入串联的电阻R4和电阻R5；

获取电阻R4和电阻R5的公共端的检测电压；

根据检测电压以及太阳能电池板接入光伏逆变器的等效电路计算太阳能电池板的正极对地阻抗或负极对地阻抗；

将正极对地阻抗或负极对地阻抗与预设的阈值比较，当正极对地阻抗或负极对地阻抗小于所述预设的阈值时发出报警信息。

2.根据权利要求1所述光伏逆变器的对地阻抗检测方法，其特征在于，在正极对地阻抗或负极对地阻抗均没有小于所述预设的阈值时，使光伏逆变器正常运行。

3.根据权利要求1所述光伏逆变器的对地阻抗检测方法，其特征在于，还包括步骤：

根据等效电路计算电阻R4和电阻R5的公共端的基准电压；

将检测电压与基准电压进行比较，当检测电压大于基准电压时计算太阳能电池板的正极对地阻抗，否则计算太阳能电池板的负极对地阻抗。

4.一种光伏逆变器的对地阻抗检测电路，其特征在于，包括：

阻抗检测模块，其包括：在各路太阳能电池板的正极与大地之间分别接入一个对地接电阻，在各路太阳能电池板的公共负极与大地之间接入串联的电阻R4和电阻R5；

与电阻R4和电阻R5的公共端相连的微处理器，用于获取电阻R4和电阻R5的公共端的检测电压，根据检测电压以及太阳能电池板接入光伏逆变器的等效电路计算太阳能电池板的正极对地阻抗或负极对地阻抗，并将正极对地阻抗或负极对地阻抗与预设的阈值比较，当正极对地阻抗或负极对地阻抗小于所述预设的阈值时发出报警信息。

5.根据权利要求4所述光伏逆变器的对地阻抗检测电路，其特征在于，所述微处理器模块还用于在正极对地阻抗或负极对地阻抗没有小于所述预设的阈值时，使光伏逆变器正常运行。

6.根据权利要求4所述光伏逆变器的对地阻抗检测电路，其特征在于，所述微处理器模块还用于根据等效电路计算电阻R4和电阻R5的公共端的基准电压，将检测电压与基准电压进行比较，当检测电压大于基准电压时计算太阳能电池板的正极对地阻抗，否则计算太阳能电池板的负极对地阻抗。

7.根据权利要求4或5或6所述光伏逆变器的对地阻抗检测电路，其特征在于，微处理器为DSP芯片。

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