CN103630745A - 一种高精度的多路共地直流电源绝缘电阻检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，包括m路直流电源，m路直流电源共负极连接或者共正极连接，其特征在于：若m路直流电源共负极连接，则在直流电源的负极与地之间并接串联的电阻R₀及开关；若m路直流电源共正极连接，则在直流电源的正极与地之间并接串联的电阻R₀及开关。本发明的另一个技术方案是提供了一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法。本发明针对共负(正)极的多输入直流电力电子系统，提出一种简单实用的绝缘阻抗侦测计算方法，具有硬件电路简单，软件计算量低等优点。

Description

一种高精度的多路共地直流电源绝缘电阻检测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路及其检测方法，应用于直流电源系统，特别涉及光伏发电领域及电池应用装置。 

背景技术

在高压直流供电系统中，如光伏发电系统和电动汽车供电系统，为保证操作人员安全，直流系统需要有足够的绝缘。如针对光伏逆变器制定的德国VDE0126要求，直流电源系统需要对绝缘电阻进行检测，当绝缘电阻小于规定值，则逆变器不允许接入电网运行。 

目前光伏逆变器对地绝缘电阻，通常采用基于电桥平衡原理的检测方法。如专利《绝缘电阻侦测方法》中，其所用电路如图1所示，在光伏电池PV的正对地和负对地之间的绝缘电阻分别为Rp和Rn，为侦测此绝缘电阻，在输入正负之间并两个开关S1和S2，S1和S2串联，其中点通过一个电阻R0接安全地。控制S1和S2闭合，分别检测两次R0电压，再结合输入电压Vin，根据电路基尔霍夫原理，可以列出两个方程，从而求解出Rp和Rn。 

专利《一种直流电源对地绝缘电阻检测电路及其检测方法》中采用了图2所示桥式电路，相比于图1，增加了一组电阻R1，并对所外加的电阻值选取进行优化设计，从而提高绝缘电阻Rp1和Rn检测精度。 

专利《双支路输入光伏并网逆变器对地绝缘电阻检测系统》中所使用了更为简化的电路，如图3中所示，电路减少一个开关和一组外加电阻，也可以达到检测到两个绝缘电阻Rp和Rn的目的。并且针对太阳能电池发电系统应用，实现了两路绝缘电阻，共3个未知电阻的侦测，但其实现是利用太阳能电池板输出可短路特点，分别短路V1和V2的方法，得到另外两组等式，从而求取3个绝缘电阻。此专利所提方法只能用于直流电源可短路的源，如太阳能电池板，并且在短路电流较小的情况下实施，实用性较低。在输入直流源短路电流较大情况下或输入有较大储能电容情况下，电路中的短路开关非常容易损坏。 

以上方案都是对于通过构造不同的电路等式，分别求取每个未知绝缘电阻的方式，来判断系统绝缘电阻是否超标，对于N个输入直流源情况下，也需要有N个相同电路，以求解2N个未知电阻值，即便电源其中一极共用的情况下，也需 要求解N+1个未知电阻，电路复杂度和处理器的计算量都会大幅度增加，从而增加硬件电路实现成本，并占用处理器过多资源，降低系统响应速度。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是简化多路直流电源中绝缘阻抗侦测所使用的硬件电路及绝缘阻抗计算处理方法，具有运算量低，侦测精度高等特点。 

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，包括m路直流电源，m路直流电源共负极连接或者共正极连接，其特征在于：若m路直流电源共负极连接，则在直流电源的负极与地之间并接串联的电阻R₀及第一开关； 

若m路直流电源共正极连接，则在直流电源的正极与地之间并接串联的电阻R₀及第一开关。 

优选地，若m路直流电源共负极连接，则每路直流电源的正极分别连接一个二极管的阳极，所有二极管的阴极均连接电阻R_a的一端，电阻R_a的另一端串接第二开关后接地，电阻R_a的阻值与所述电阻R₀的阻值相当。 

优选地，所述电阻R₀或所述电阻R_a为一个电阻组成的单独电阻，或者为至少两个电阻串联或并联而成的等效电阻。 

优选地，在所述串联的电阻R₀及第一开关的两端并接串联的电阻R₁及电阻R₂；所述二极管或为单独增加，或复用待测电路中的二极管。 

优选地，所述电阻R₁及所述电阻R₂均选用阻值远远大于绝缘电阻保护阀值的电阻，该电阻R₁及电阻R₂为独立电阻，或为多个电阻串联的等效电阻。 

优选地，所述第一开关或所述第二开关为可控开关，或为手动开关。 

本发明的另一个技术方案是提供了一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，步骤为： 

第一步、搭建上述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关保持断开的时候，检测共负极连接的m路直流电源的负极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n； 

第三步、将第一开关闭合，再次检测共负极连接的m路直流电源的负极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n′； 

第四步、计算共负极连接的m路直流电源的正极或者共正极连接的m路直流电源的负极对地的绝缘阻抗R_iso，

优选地，在所述第一步中，搭建上述的另一种结构的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路；在所述第二步中，通过采集所述电阻R₂两端的电压来得到所述电压V_n；在所述第三步中，通过采集所述电阻R₂两端的电压来得到所述电压V_n′。 

优选地，通过调整所述电阻R₁及所述电阻R₂的阻值的比例，来调整所述电压V_n及所述电压V_n′的采样范围，通过采样范围的降低，在电压采样及处理电路一样的条件下，提高数字信号处理器的模拟到数字通道的采样精度，从而提高所述电压V_n及所述电压V_n′采样的精度。 

本发明的另一个技术方案是提供了一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，步骤为： 

第一步、搭建上述的另一种结构的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关保持断开的时候，闭合第二开关，检测安全地对m路直流电源负极的电压V_n； 

第三步、将第一开关闭合，再次检测共负极连接的m路直流电源的负极对地的电压V_n′； 

第四步、计算共负极连接的m路直流电源的正极对地的绝缘阻抗Ri_so，  $R_{\mathrm{iso}}=\frac{R_a}{A\·R_a-1},$ 其中， $A=\frac{V_n-{V_n}^{\′}}{{V_n}^{\′}}\·R_0.$

实际多直流输入电力电子系统，绝大多数是共负或正极极系统。本发明针对共负(正)极的多输入直流电力电子系统，提出一种简单实用的绝缘阻抗侦测计算方法，具有硬件电路简单，软件计算量低等优点。 

附图说明

图1为采用基于电桥平衡原理的检测电路； 

图2为采用桥式电路的检测电路；

图3为简化后的检测电路；

图4为实施例1中公开的路直流电源共负极连接的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路；

图5为实施例1中公开的提高侦测精度的

路直流电源共负极连接的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路；

图6为差分电阻采样方式的电路图；

图7为实施例2中公开的高精度的多路共地直流电源绝缘电阻检测电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。 

实施例1 

如图4所示，本实施例公开的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，包括m路直流电源，其输出电压分别为V₁，V₂，……，V_m，m路直流电源共负极连接，每路直流电源的正极对地的绝缘阻抗分别为R_p1，R_p2，……，R_pm，每个绝缘阻抗两端的电压分别为V_p1，V_p2，……，V_pm，电阻R_n为直流电源的负极对地，在直流电源的负极与地之间并接串联的电阻R₀及第一开关S。第一开关S为手动开关，或为可控开关。电阻R₀为一个电阻组成的单独电阻，或者为至少两个电阻串联或并联而成的等效电阻。 

采用上述电路的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其步骤为： 

第一步、搭建上述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关S保持断开的时候，检测共负极连接的m路直流电源的负极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n； 

第三步、将第一开关S闭合，再次检测共负极连接的M路直流电源的负极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n′； 

第四步、计算共负极连接的m路直流电源或者共正极连接的M路直流电源对地的绝缘阻抗R_iso： 

$R_{\mathrm{iso}}=\frac{V_n^{\′}-V_n^{\′}}{V_n^{\′}}\·R_0---\left(1\right)$

式(1)的推导过程为： 

在第一开关S保持断开的时候，检测直流电源的负极对地的电压V_n，根据电路基尔霍夫定律，存在等式： 

$\frac{V_{P1}}{R_{P1}}+\frac{V_{P2}}{R_{P2}}+...\frac{V_{\mathrm{pm}}}{R_{\mathrm{pm}}}=\frac{V_n}{R_n}---\left(2\right)$

当第一开关S闭合后，则有： 

$\frac{V_{P1}^{\′}}{R_{P1}}+\frac{V_{P2}^{\′}}{R_{P2}}+...\frac{V_{\mathrm{pm}}^{\′}}{R_{\mathrm{pm}}}=\frac{V_n^{\′}}{R_n//R_0}---\left(3\right)$

在式(3)中，V_p1′，V_p2′，……，V_pm′为开关闭S合后R_p1，R_p2，……，R_pm两端的电压。 

同时可知： 

V_P1+V_n＝V′_P1+V′_n＝V₁

V_P2+V_n＝V′_P2+V′_n＝V₂     (4) 

M 

V_Pm+V_n＝V′_Pm+V′_n＝V_m

因此，有： 

V_Px-V′_Px＝V′_n-V_n，x＝1L m     (5) 

由式(2)，式(3)相减，可以得到： 

$\frac{V_{P1}-V_{P1}^{\′}}{R_{P1}}+\frac{V_{P2}-V_{P2}^{\′}}{R_{P2}}+L\frac{V_{\mathrm{pm}}-V_{\mathrm{pm}}^{\′}}{R_{\mathrm{pm}}}=\frac{V_n-V_n^{\′}}{R_n}-\frac{V_n^{\′}}{R_0}---\left(6\right)$

将式(5)带入式(6)，并简化，可以得到： 

$R_{\mathrm{iso}}=R_{P1}//R_{P2}L//R_n=\frac{V_n-V_n^{\′}}{V_n^{\′}}\·R_0---\left(7\right),$ 即为所求的绝缘阻抗R_iso。根据计算结果与检测标准设置定比较，判断系统绝缘电阻是否异常。通过对式(7)分析可知，可以得出如下结论： 

第一、相比于其他方法，本发明所提算法只需要根据第一开关S的开和闭分别采集一个电压信号，结合已知外加电阻阻值R₀即可计算出绝缘电阻R_iso。相比于其他检测方法，大大减少了采样信号数量和处理器资源占用； 

第二、绝缘电阻计算只需要一次除法计算。而除法计算在数字信号处理器中资源消耗是较大的，因此可以大大降低数字信号处理器的计算负担。 

第三、绝缘电阻精度只跟对电压V_n的电压采样精度和所外加电阻R₀的精度有关。 

根据以上分析，为提高绝缘电阻侦测精度，在提高外加电阻R₀精度的基础上，只需要提高对电压V_n的侦测精度即可。为此，在图4电路基础上，增加电阻R₁和电阻R₂，电阻R₁和电阻R₂串联后，并于地和负极之间，如图5所示，采集电阻R₂两端电压进行绝缘电阻计算。为降低并联电阻对系统的影响，阻R₁和电阻R₂可以选择阻值远远大于绝缘电阻保护设定值的电阻，如5M以上的阻值，同时可以调整阻R₁和电阻R₂的比例，来调整电压采样范围，通过电压采样范围的降低，在电压采样及处理电路一样条件下，可以提高数字信号处理器的模拟到数字通道的采样精度，从而提高电压采样的精度。 

实施例2 

在模拟电路中，大多采用差分电阻采样方式，如图5所示，包括电阻R0电阻R1、电容C及运算放大器，其输入信号为Vin。在输入电压Vin越小，由于电阻精度、运算放大器失调电流等参数造成的采样误差越大。因此针对宽输入电压范围的的直流系统中，若采用实施例1中的测试电路，如果Rn远小于Rp，则Vn较小，电压采样误差较大，从而造成绝缘电阻侦测不准。 

为解决上述电压采样不准导致的绝缘电阻侦测误差较大的状况，在图4的基础上，本实施例做出设计改进，如图6所示，增加了二极管D1，D2……Dm，以及电阻Ra和第二开关Sa。电阻Ra的阻值与电阻R0的阻值相当，当第二开关Sa闭合后，即便Rn远小于Rp，也能使Rn两端分得较大电压，从而提高侦测精度。V_a为Ra两端电压，V_a＝max(V_p1，V_p2，…，V_pm)。 

本实施例公开的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其步骤为： 

第一步、搭建如权利要求2所述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关S保持断开的时候，闭合第二开关Sa，检测安全地对m路直流电源负极的电压V_n，根据基尔霍夫原理可得： 

$\frac{V_n}{R_n}=\frac{V_{p1}-V_n}{R_{p1}}+\frac{V_{p2}-V_n}{R_{p2}}+L+\frac{V_{\mathrm{pm}}-V_n}{R_{\mathrm{pm}}}+\frac{V_a-V_n}{R_a}---\left(7\right)$

第三步、将第一开关(S)闭合，再次检测共负极连接的m路直流电源的负极对地的电压V_n′，同理可得： 

$\frac{V_n^{\′}}{R_n//R_0}=\frac{V_{p1}-V_n^{\′}}{R_{p1}}+\frac{V_{p2}-V_n^{\′}}{R_{p2}}+L+\frac{V_{\mathrm{pm}}-V_n^{\′}}{R_{\mathrm{pm}}}+\frac{V_a-V_n^{\′}}{R_a}---\left(8\right)$

第四步、计算共负极连接的m路直流电源的正极对地的绝缘阻抗R_iso： 

将(7)-(8)式可得： 

$R_{\mathrm{iso}}//R_a=R_{P1}//R_{P2}L//R_n//R_a=\frac{V_n-V_n^{\′}}{V_n^{\′}}\·R_0=A,$ 则有： 

$R_{\mathrm{iso}}=\frac{R_a}{A\·R_a-1}---\left(9\right).$

下面结合两路输入的光伏逆变器，介绍所提电路和算法的具体使用。常用的光伏逆变器由DC/DC电路和逆变电路组成，太阳能电池阵列的绝缘阻抗电路一般放置在输入侧，逆变器需要在并网前侦测此绝缘电阻，并与设定值比较。典型的升压电路如图7所示。电路由两个常规BOOST升压电路组成，共负极，Rp1，Rp2为正极对地绝缘电阻，Rn为负极对地绝缘电阻。所提高精度绝缘阻抗侦测电路由R0和S0，Ra和Sa组成。图6中的二极管可以共用BOOST电路中的输出整流二极管D1和D2。Ra值与R0值相当。 

逆变器首先控制第二开关Sa闭合，侦测Rn两端电压V_n；其次，控制第一开关S闭合将R0接入电路，再次检测Rn两端电压V_n′，通过(9)式计算可得绝缘电阻Rp1，Rp2和Rn的并联值。 

Claims (10)

1.一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，包括m路直流电源，m路直流电源共负极连接或者共正极连接，其特征在于：若m路直流电源共负极连接，则在直流电源的负极与地之间并接串联的电阻R₀及第一开关(S)； 

若m路直流电源共正极连接，则在直流电源的正极与地之间并接串联的电阻R₀及第一开关(S)。 

2.如权利要求1所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，其特征在于：若m路直流电源共负极连接，则每路直流电源的正极分别连接一个二极管的阳极，所有二极管的阴极均连接电阻R_a的一端，电阻R_a的另一端串接第二开关(Sa)后接地，电阻R_a的阻值与所述电阻R₀的阻值相当。 

3.如权利要求2所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，其特征在于：所述电阻R₀或所述电阻R_a为一个电阻组成的单独电阻，或者为至少两个电阻串联或并联而成的等效电阻。 

4.如权利要求1所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，其特征在于：在所述串联的电阻R₀及第一开关(S)的两端并接串联的电阻R₁及电阻R₂；所述二极管或为单独增加，或复用待测电路中的二极管。 

5.如权利要求4所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，其特征在于：所述电阻R₁及所述电阻R₂均选用阻值远远大于绝缘电阻保护阀值的电阻，该电阻R₁及电阻R₂为独立电阻，或为多个电阻串联的等效电阻。 

6.如权利要求1所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路，其特征在于：所述第一开关(S)或所述第二开关(Sa)为可控开关，或为手动开关。 

7.一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，步骤为： 

第一步、搭建如权利要求1所述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关(S)保持断开的时候，检测共负极连接的m路直流电源的负极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n； 

第三步、将第一开关(S)闭合，再次检测共负极连接的m路直流电源的负 极或者共正极连接的m路直流电源的正极对地的电压V_n′； 

第四步、计算共负极连接的m路直流电源的正极或者共正极连接的m路直流电源的负极对地的绝缘阻抗R_iso，

8.如权利要求7所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，在所述第一步中，搭建如权利要求2所述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路；在所述第二步中，通过采集所述电阻R₂两端的电压来得到所述电压V_n；在所述第三步中，通过采集所述电阻R₂两端的电压来得到所述电压V_n′。 

9.如权利要求8所述的一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，通过调整所述电阻R₁及所述电阻R₂的阻值的比例，来调整所述电压V_n及所述电压V_n′的采样范围，通过采样范围的降低，在电压采样及处理电路一样的条件下，提高数字信号处理器的模拟到数字通道的采样精度，从而提高所述电压V_n及所述电压V_n′采样的精度。 

10.一种多路输入直流电源绝缘阻抗侦测方法，其特征在于，步骤为： 

第一步、搭建如权利要求2所述的多路输入直流电源绝缘阻抗侦测电路； 

第二步、在第一开关(S)保持断开的时候，闭合第二开关(Sa)，检测安全地对m路直流电源负极的电压V_n； 

第三步、将第一开关(S)闭合，再次检测共负极连接的m路直流电源的负极对地的电压V_n′； 

第四步、计算共负极连接的m路直流电源的正极对地的绝缘阻抗R_iso， 

其中， 

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