CN104133099A - 一种光伏阵列残余电流检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏阵列残余电流检测装置及方法，装置包括有漏电检测互感器、DSP控制芯片、有源滤波放大电路、1.5V稳压电路、震荡电路、开关控制电路，方法通过公式计算得到漏电流I的值，根据漏电流I对连续漏电流和突变漏电流进行判断。本发明具有实时检测的特点，能准确有效地检测出光伏阵列的漏电流。

Description

一种光伏阵列残余电流检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电流检测领域，具体是一种光伏阵列残余电流检测装置及方法。

背景技术

能源是社会发展和经济增长的最根本的驱动力，是人类赖以生存的基础，人类的发展与能源的利用是紧密相连的。煤炭、石油、天然气等化石能源支撑着人类社会的发展，但随着这些能源的大规模开采，使得资源日益枯竭，而且环境不断恶化，能源供需矛盾也越来越突出。太阳能作为一种清洁的可再生能源有着广阔的应用前景，并网式光伏发电系统将会成为一种趋势。而在光伏并网发电系统中能量转换关键性装置就是并网逆变器，并网逆变器的安全性严重威胁中整个系统的安全。

为了确保人身安全避免接触漏电流，光伏并网系统的常采用带工频或高频变压器的隔离性逆变器。但工频变压器体积大、笨重且价格昂贵；高频变压器将使控制复杂化且降低了系统的效率。非隔离型(无变压器)拓扑结构的逆变器能够很好的克服上述有变压器系统的不足，提高系统效率，降低成本，体积和重量利于小型化。

然而在无变压器的光伏并网系统中，交流电网和直流的光伏阵列之间存在直接的电气接触，由于光伏阵列和地之间不可避免地存在寄生电容，为漏电流提供了通道，寄生电容上变化的电压将激励相应的漏电流，导致安全隐患。另外由于漏电流的频率和大小根据控制方式、器件特性及环境因素等不同而有很大的变化。虽然使用改进型可抑制漏电流的逆变拓扑电路结构，但都有其局限性，也无法完全消除其隐患。若不能准确检测出漏电流，可能会导致逆变器操作人员发生触电事故，严重者可能会导致休克和死亡，对人身财产造成极大的伤害。因此必须对其漏电流值的大小进行准确的检测和判断，确保系统安全。光伏阵列的残余电流检测主要分为两种：连续残余电流和突变残余电流的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏阵列残余电流检测装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种光伏阵列残余电流检测装置，其特征在于：包括有漏电检测互感器、DSP控制芯片、有源滤波放大电路、1.5V稳压电路、震荡电路、开关控制电路，所述漏电检测互感器输入一侧具有两个一次绕组，输出一侧具有一个二次绕组，漏电检测互感器输入一侧其中一个一次绕组两端分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的火线、电网火线，漏电检测互感器输入一侧另一个一次绕组两端分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的零线、电网的零线，漏电检测互感器输出一侧的二次绕组一端与有源滤波放大电路输入连接，有源滤波放大电路输入与地之间还接有电压取样电阻，漏电检测互感器输出一侧的二次绕组另一端与震荡电路输入连接，震荡电路输出通过开关控制电路连接1.5V稳压电路，所述有源滤波放大电路的输出与1.5V稳压电路输出叠加后接入DSP控制芯片的AD端口。

一种光伏阵列残余电流检测方法，其特征在于：光伏阵列中并网逆变器输出交流电流经过漏电检测互感器送到电网中，通过漏电检测互感器检测光伏阵列中是否存在残余漏电流，当漏电检测互感器检测出有残余漏电流存在时，残余漏电流经过T1变换并从电压取样电阻流过，从而在电压取样电阻上得到电压，电压依次经过有源滤波放大电路进一步放大处理、1.5V稳压电路叠加后形成正电压送入DSP控制芯片中，DSP控制芯片通过自身AD端口采样得到电压值；

设漏电检测互感器输入一侧两个一次绕组线圈的匝数为n1，输出一侧二次绕组线圈的匝数为n2，有源滤波放大电路的放大倍数为A，理论漏电流为I，控制芯片DSP得到的电压为V，则通过公式(1)可计算得出漏电流I的值：

$I=\frac{(V-1.5)n_2}{R1*A*n_1}---\left(1\right),$

得到漏电流I后，DSP控制芯片对于连续漏电流进行判断，判断过程如下：DSP控制芯片连续N次采样并根据公式(1)计算得到漏电流分别为I₁、I₂、I₃…I_N，接着DSP控制芯片根据公式(2)计算漏电流有效值I_rms：

$I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{I_N}^2}{N}}---\left(2\right),$

其中，I_N为第N次采样的漏电流值。得到漏电流有效值I_rms后，DSP控制芯片连续判断10次I_rms是否大于限定值300mA，如果判断结果为10次采样的I_rms均连续大于或等于限定值300mA，则可判断为连续漏电流故障。

所述的光伏阵列残余突变电流检测方法，如图2所示流程框图，其特征在于：得到漏电流有效值I_rms后，DSP控制芯片对于突变漏电流进行判断，判断过程如下：

DSP控制芯片连续三次采样并根据公式(1)计算得到漏电流，设三次计算得到的漏电流分别为cai[0]、cai[1]和cai[2]，然后DSP控制芯片计算漏电流变化值Δ＝cai[2]-cai[0]、突变漏电流差值

采用分段判断法，分别为I_rms<100mA&&Δ>a、I_rms<150mA&&Δ>b和I_rms<300mA&&Δ>c三个区间，其中I_rms为DSP控制芯片采样的漏电流有效值，a、b和c分别为漏电流变化的保护门限值，且a<b<c。设DSP控制芯片采样周期为t。

若I_rms和Δ满足I_rms<100mA&&Δ>a或I_rms<150mA&&Δ>b或I_rms<300mA&&Δ>c，则连续2个周期判断cha是否大于150mA，若2个周期内判断cha值均大于150mA则立即报故障，若无则进行cha>60mA的判断；

连续3个周期判断cha是否大于60mA，若3个周期内判断cha值均大于60mA则立即报故障，若无则进行cha>30mA的判断；

连续4个周期判断cha是否大于30mA，若4个周期内判断cha值均大于30mA则立即报故障，若无则重新开始计数判断。

本发明提出了一种检测非隔离光伏并网系统中光伏阵列连续残余电流和突变残余电流的方法及装置，具有实时检测的特点，能准确有效地检测出光伏阵列的漏电流。

附图说明

图1为本发明电路原理框图。

图2为本发明软件控制算法流程图。

具体实施方式

如图1所示。一种光伏阵列残余电流检测装置，包括有漏电检测互感器T1、DSP控制芯片D1、有源滤波放大电路N1、1.5V稳压电路N3、震荡电路N2、开关控制电路K1，漏电检测互感器T1输入一侧具有两个一次绕组，输出一侧具有一个二次绕组，漏电检测互感器T1输入一侧其中一个一次绕组两端4、5分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的火线、电网火线，漏电检测互感器T1输入一侧另一个一次绕组两端2、3分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的零线、电网的零线，漏电检测互感器T1输出一侧的二次绕组一端6与有源滤波放大电路N1输入连接，有源滤波放大电路N1输入与地之间还接有电压取样电阻R1，漏电检测互感器T1输出一侧的二次绕组另一端1与震荡电路N2输入连接，震荡电路N2输出通过开关控制电路K1连接1.5V稳压电路N3，有源滤波放大电路N1的输出与1.5V稳压电路N3输出叠加后接入DSP控制芯片D1的AD端口。

一种光伏阵列残余电流检测方法，光伏阵列中并网逆变器输出交流电流经过漏电检测互感器送到电网中，通过漏电检测互感器检测光伏阵列中是否存在残余漏电流，当漏电检测互感器检测出有残余漏电流存在时，残余漏电流经过T1变换并从电压取样电阻流过，从而在电压取样电阻上得到电压，电压依次经过有源滤波放大电路进一步放大处理、1.5V稳压电路叠加后形成正电压送入DSP控制芯片中，DSP控制芯片通过自身AD端口采样得到电压值；

设漏电检测互感器输入一侧两个一次绕组线圈的匝数为n1，输出一侧二次绕组线圈的匝数为n2，有源滤波放大电路的放大倍数为A，理论计算漏电流为I，控制芯片DSP得到的电压为V，则通过公式(1)可计算得出漏电流I的值：

$I=\frac{(V-1.5)n_2}{R1*A*n_1}---\left(1\right),$

得到漏电流I后，DSP控制芯片对于连续漏电流进行判断，判断过程如下：DSP控制芯片连续N次采样并根据公式(1)计算得到漏电流分别为I₁、I₂、I₃…I_N，接着DSP控制芯片根据公式(2)计算漏电流有效值I_rms：

$I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_N}^2}{N}}---\left(2\right),$

其中，I_N为第N次采样的漏电流值。得到漏电流有效值I_rms后，DSP控制芯片连续判断10次I_rms是否大于限定值300mA，如果判断结果为10次采样的I_rms均连续大于或等于限定值300mA，则可判断为连续漏电流故障。

得到漏电流I_rms后，DSP控制芯片对于突变漏电流进行判断，判断过程如下：

DSP控制芯片连续三次采样正电压并根据公式(1)计算得到漏电流，设三次计算得到的漏电流分别为cai[0]、cai[1]和cai[2]，然后DSP控制芯片计算漏电流变化值Δ＝cai[2]-cai[0]、突变漏电流差值

采用分段判断法，分别为I_rms<100mA&&Δ>a、I_rms<150mA&&Δ>b和I_rms<300mA&&Δ>c三个区间，其中I_rms为DSP控制芯片采样的漏电流有效值，a、b和c分别为漏电流变化的保护门限值，且a<b<c。设DSP控制芯片采样周期为t。

若I_rms和Δ满足I_rms<100mA&&Δ>a或I_rms<150mA&&Δ>b或I_rms<300mA&&Δ>c，则连续2个周期判断cha是否大于150mA，若2个周期内判断cha值均大于150mA则立即报故障，若无则进行cha>60mA的判断；

连续3个周期判断cha是否大于60mA，若3个周期内判断cha值均大于60mA则立即报故障，若无则进行cha>30mA的判断；

连续4个周期判断cha是否大于30mA，若4个周期内判断cha值均大于30mA则立即报故障，若无则重新开始计数判断。

Claims (3)

1.一种光伏阵列残余电流检测装置，其特征在于：包括有漏电检测互感器、DSP控制芯片、有源滤波放大电路、1.5V稳压电路、震荡电路、开关控制电路，所述漏电检测互感器输入一侧具有两个一次绕组，输出一侧具有一个二次绕组，漏电检测互感器输入一侧其中一个一次绕组两端分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的火线、电网火线，漏电检测互感器输入一侧另一个一次绕组两端分别连接光伏阵列中并网逆变器输出交流的零线、电网的零线，漏电检测互感器输出一侧的二次绕组一端与有源滤波放大电路输入连接，有源滤波放大电路输入与地之间还接有电压取样电阻，漏电检测互感器输出一侧的二次绕组另一端与震荡电路输入连接，震荡电路输出通过开关控制电路连接1.5V稳压电路，所述有源滤波放大电路的输出与1.5V稳压电路输出叠加后接入DSP控制芯片的AD端口。

2.一种基于权利要求1所述装置的光伏阵列残余电流检测方法，其特征在于：光伏阵列中并网逆变器输出交流电流经过漏电检测互感器送到电网中，通过漏电检测互感器检测光伏阵列中是否存在残余漏电流，当漏电检测互感器检测出有残余漏电流存在时，残余漏电流经过T1变换并从电压取样电阻流过，从而在电压取样电阻上得到电压，电压依次经过有源滤波放大电路进一步放大处理、1.5V稳压电路叠加后形成正电压送入DSP控制芯片中，DSP控制芯片通过自身AD端口采样得到电压值；

设漏电检测互感器输入一侧两个一次绕组线圈的匝数为n1，输出一侧二次绕组线圈的匝数为n2，有源滤波放大电路的放大倍数为A，理论计算漏电流为I，控制芯片DSP得到的电压为V，则通过公式(1)可计算得出漏电流I的值：

$I=\frac{(V-1.5)n_2}{R1*A*n_1}---\left(1\right),$

得到漏电流I后，DSP控制芯片对于连续漏电流进行判断，判断过程如下：DSP控制芯片连续N次采样并根据公式(1)计算得到漏电流分别为I₁、I₂、I₃…I_N，DSP控制芯片根据公式(2)计算漏电流有效值I_rms：

$I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_N}^2}{N}}---\left(2\right),$

其中，I_N为第N次采样的漏电流值。得到漏电流有效值I_rms后，DSP控制芯片连续判断10次I_rms是否大于限定值300mA，如果判断结果为10次采样的I_rms均连续大于或等于限定值300mA，则可判断为连续漏电流故障。

3.根据权利要求2所述的光伏阵列残余电流检测方法，其特征在于：得到漏电流I_rms后，DSP控制芯片对于突变漏电流进行判断，判断过程如下：

DSP控制芯片连续三次采样正电压并根据公式(1)计算得到漏电流I，设三次计算得到的漏电流分别为cai[0]、cai[1]和cai[2]，然后DSP控制芯片计算漏电流变化值Δ＝cai[2]-cai[0]、突变漏电流差值

采用分段判断法，分别为I_rms<100mA&&Δ>a、I_rms<150mA&&Δ>b和I_rms<300mA&&Δ>c三个区间，其中I_rms为DSP控制芯片采样的漏电流有效值，a、b和c分别为漏电流变化的保护门限值，且a<b<c。设DSP控制芯片采样周期为t。

若I_rms和Δ满足I_rms<100mA&&Δ>a或I_rms<150mA&&Δ>b或I_rms<300mA&&Δ>c，则连续2个周期判断cha是否大于150mA，若2个周期内判断cha值均大于150mA则立即报故障，若无则进行cha>60mA的判断；

连续3个周期判断cha是否大于60mA，若3个周期内判断cha值均大于60mA则立即报故障，若无则进行cha>30mA的判断；

连续4个周期判断cha是否大于30mA，若4个周期内判断cha值均大于30mA则立即报故障，若无则重新开始计数判断。