CN104702208A - 大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统 - Google Patents

大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统,光伏方阵正母线PV+与电阻R1一端相连,所述电阻R1另一端连接第一MOSFET管Q1的漏极,所述第一MOSFET管Q1的源极与大地PGND相连,所述第一MOSFET管Q1的漏极和源极之间还并接有电阻R3;光伏方阵正母线PV-与电阻R2一端相连,所述电阻R2另一端连接第二MOSFET管Q2的源极,所述第二MOSFET管Q2的漏极与大地PGND相连,所述第二MOSFET管Q2的漏极和源极之间还并接有电阻R4;所述第一MOSFET管Q1的驱动控制端连接第一光耦驱动电路,所述第二MOSFET管Q2的驱动控制端连接第二光耦驱动电路;所述R1两端、PV+和PGND端、R2两端以及PV-和PGND端分别接入第一电压采样电路、第二电压采样电路、第三电压采样电路和第四电压采样电路。响应快速,损耗小,应用范围更广。

Description

大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统
技术领域
[0001] 本发明属于光伏发电技术领域,尤其设及一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地 绝缘阻抗在线检测系统。
背景技术
[0002] 在大功率光伏并网逆变器中,输入电压即光伏方阵电压比较高,如500kW光伏并 网逆变器可高达1000V。同时,在光伏发电系统中,现场光伏组件受到日晒、灰尘、雨淋、雷 击、施工改造等影响,电池组件及其连接电缆在长期运行过程中有可能存在老化、绝缘电阻 下降等问题。从电力设施的电气安全考虑,绝缘电阻过小有可能导致直流系统对地放电、交 流电网通过逆变器系统对直流端对地绝缘电阻过小处进行对地放电、直流系统正负母线对 地电位失衡等问题,而问题严重的情况下有可能导致发电系统器件损坏、并网逆变器并网 异常故障、网侧变压器故障等情况;因此,《NBT320004-2013中国能源行业标准--光伏发 电并网逆变器技术规范》对并网逆变器中光伏方阵对地绝缘阻抗提出了具体检验要求。鉴 于W上情况,针对大功率光伏逆变器该种高压设备,设计出一种响应速度快、精度高、可实 时在线检测、经济实用的光伏方阵对地绝缘阻抗检测系统十分重要。
[0003] 目前,现有光伏方阵绝缘阻抗的实现方案主要有;(1)部分逆变器采用固定电阻 接入分压法,采样分压值,与固定预知状态比较,实现绝缘电阻分析,该种测量系统不灵活, 在标准变化情况下,要更改硬件才能使用;(2)部分逆变器采用由继电器或者单开关管加 可调电阻组成的平衡电桥检测法,通过联立方程解出绝缘电阻,但是该种检测方案在正负 绝缘都出现降低时,检测会与实际情况不同;且继电器响应慢、可调电阻存在无法自动适应 等实际问题,而且还有寿命和成本方面的缺陷,实用性有限。
发明内容
[0004] 本发明实施例的目的在于提供一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗 在线检测系统,W解决现有技术测量不灵活或者不准确的问题。
[0005] 本发明实施例是该样实现的,一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在 线检测系统,所述系统中:
[0006]光伏方阵正母线PV+与电阻Ri-端相连,所述电阻R1另一端连接第一MOS阳T管 Qi的漏极,所述第一MOS阳T管Q1的源极与大地PGND相连,所述第一MOS阳T管Q1的漏极和 源极之间还并接有电阻Rs;
[0007]光伏方阵正母线PV-与电阻R2-端相连,所述电阻R2另一端连接第二MOS阳T管 的源极,所述第二M0S阳T管Q2的漏极与大地PGND相连,所述第二M0S阳T管Q2的漏极和 源极之间还并接有电阻R4;
[000引所述第一M0S阳T管Qi的驱动控制端VT1连接第一光禪驱动电路,所述第二M0S阳T管化的驱动控制端VT2连接第二光禪驱动电路;
[0009] 所述Ri两端、PV+和PGND端、R2两端W及PV-和PGND端分别接入第一电压采样 电路、第二电压采样电路、第=电压采样电路和第四电压采样电路;
[0010] 检测过程中,通过控制所述第一光禪驱动电路和所述第二光禪驱动电路控制所述 第一MOS阳T管化和所述第二MOS阳T管Q2的导通或关断,进行大功率光伏逆变器的光伏方 阵对地绝缘阻抗在线检测。
[0011] 本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第一优选实施例中;所述系统进行大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测的 过程包括:
[001引步骤1、控制所述驱动控制端VT1,使所述第一MOS阳T管Qi导通,所述第二MOS阳T管化关断,第一电压采样电路测量R1两端电压U1,第二电压采样电路测量PV+和PGND端之 间的电压Upv+;
[0013] 由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
[0014]
Figure CN104702208AD00051
[0015] Rpv+为方阵正母线对地绝缘电阻,由式(1)得到
[0016]
Figure CN104702208AD00052
[0017] 步骤2、控制所述驱动控制端VT2,使所述第一MOS阳T管Qi关断,所述第二MOS阳T 管化导通,第一电压采样电路测量R2两端电压U2,第二电压采样电路测量PV-和PGND端之 间的电压Upv_;
[0018] 由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
[0019]
Figure CN104702208AD00053
[0020] Rpv_为方阵正负线对地绝缘电阻,由式(3)得到
[0021]
Figure CN104702208AD00054
[0022] 本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第二优选实施例中:
[002引所述电阻Ri和R2阻值大于10k欧姆,所述电阻R3的阻值大于1兆欧姆,所述电阻R4的阻值大于1兆欧姆。
[0024] 本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第S优选实施例中:所述PV+和PV-端接入第五电压采样电路。
[0025] 本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第四优选实施例中;所述电压采样电路通过差分运放实现,包括输入电阻、匹配电阻、参考 电压电阻、反馈电阻、滤波电容W及运放。
[0026] 本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第五优选实施例中;所述系统还包括CPLD和ADC接口电路;
[0027]所述CPLD连接控制所述第一光禪驱动电路和所述第二光禪驱动电路进行阻抗在 线检测,所述第一电压采样电路、第二电压采样电路、第=电压采样电路、第四电压采样电 路和第五电压采样电路的输出端通过所述ADC接口电路后连接CPLD,对数据进行采集。
[002引本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统的 第六优选实施例中:
[0029] 所述系统包括辅助供电单元;
[0030] 所述辅助供电单元包括BUCK和稳压电路,用于给所述系统各单元供电;
[0031] 所述CPLD输出的PWM信号控制连接所述辅助供电单元,所述辅助供电单元输出稳 定的两路15V输出电源。
[0032] 本发明实施例提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测 系统的有益效果包括:
[003引 1、应用范围更广。针对各个功率等级,如100kW-630kW大功率光伏逆变器的光伏 方阵绝缘电阻检测均可采用;还可通过MOSFET多次开关和采样电压,将正负绝缘电阻值降 低时检测准确度影响消除;
[0034] 2、实现方式快捷精准。不用解方程组,而通过CPLD控制MOS阳T的开关和采样桥 臂上串联的1化欧级的匹配电阻电压,即可通过电阻并联支路特性解简单的一次方程得到 正负母线对地绝缘阻抗;
[003引 3、响应快速,损耗小。相比继电器、可调电阻等方式,MOS阳T的开关速度W及CPLD 的采样速度均可很快,选用带宽大的运放即可满足快速和多次求平均等需求,由于MOSFET通态电阻非常低且开关不必很频繁,因此损耗低,相对而言功耗小,电源电路设计容易,对 大功率逆变器的长期可靠运行有基本保证;
[0036] 4、通用性好,灵活。采用CPLD作为主控,其程序可W灵活更新,不用再更改硬件。
[0037] 5、精度高,实时在线检测,成本上也具有优势。主要是基于本发明方法不是解方 程组,且是简单的一次方程,计算用参数不到4个,没有多个参数和复杂的乘除运算带来的 计算误差影响,且可W通过快速控制MOSFET达到多次测量求平均值,因此测量精度更高; 另外本发明通过CPLD该种高级逻辑器件实现外部通信、显示与报警I/O控制、ADC采样和 MOSFET开关控制等,方便实时在线检测。考虑到所选用方案特别是小功率MOSFETW及小容 量CPLD器件,相比继电器、1WW上的可调电阻、多种接口单片机或者DSP等实现方案,产品 成本会更低、性能会更可靠。
附图说明
[003引为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述 中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可W根据该些 附图获得其他的附图。
[0039] 图1是本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测 系统的电路原理图;
[0040] 图2是本发明实施例提供的第一电压采样电路的电路结构图;
[0041] 图3是本发明实施例提供的第二电压采样电路的电路结构图;
[0042] 图4是本发明实施例提供的第S电压采样电路的电路结构图;
[0043] 图5是本发明实施例提供的第四电压采样电路的电路结构图;
[0044] 图6是本发明实施例提供的第五电压采样电路的电路结构图;
[0045] 图7是本发明实施例提供的光禪驱动电路与MOS阳T管连接的结构示意图;
[0046] 图8是本发明实施例提供的ADC接口电路原理图;
[0047] 图9是本发明实施例提供的的CPLD电路部分的信号图;
[0048] 图10是本发明实施例提供的辅助供电单元电路原理图。
具体实施方式
[0049] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,W下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明,并 不用于限定本发明。
[0化0] 为了说明本发明所述的技术方案,下面通过具体实施例来进行说明。
[0化1] 如图1所示为本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在 线检测系统的电路原理图,所述系统中:
[0化引光伏方阵正母线PV+与电阻Ri-端相连,电阻R1另一端连接第一MOS阳T管Q1的 漏极,第一MOSFET管Qi的源极与大地PGND相连,第一MOSFET管Q1的漏极和源极之间还并 接有电阻Rs。
[0化引光伏方阵正母线PV-与电阻R2-端相连,电阻R 2另一端连接第二MOS阳T管Q 2的 源极,第二MOS阳T管Q2的漏极与大地PGND相连,第二MOS阳T管Q2的漏极和源极之间还并 接有电阻R4。
[0化4] 第一MOS阳T管Qi的驱动控制端连接第一光禪驱动电路,第二MOS阳T管Q2的驱动 控制端连接第二光禪驱动电路。
[0055] Ri两端、PV+和PGND端、R2两端W及PV-和PGND端分别接入第一电压采样电路、 第二电压采样电路、第=电压采样电路和第四电压采样电路。
[0化6] 具体检测过程中,通过控制第一光禪驱动电路和第二光禪驱动电路控制第一 MOSFET管Qi和第二MOSFET管Q2的导通或关断,上述系统进行光伏方阵对地绝缘阻抗在线 检测的过程包括:
[0057] 步骤1、控制VT1,使第一M0S阳T管Qi导通,第二M0S阳T管Q2关断,此时,Rs被Qi 短路,第一电压采样电路测量Ri两端电压U1,第二电压采样电路测量PV+和PGND端之间的 电压Upv+。
[0化引由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
[0059]
Figure CN104702208AD00071
[0060] Rpv+为方阵正母线对地绝缘电阻,具体实施中,可选取R1为50k,且通过四个电阻2 串2并减少误差,因此,式(1)已知S个参数值,即可得到
[0061]
Figure CN104702208AD00072
[00创步骤2、控制VT2,使第一M0S阳T管Qi关断,第二M0S阳T管Q2导通,此时,R4被Q2 短路,第一电压采样电路测量R2两端电压u2,第二电压采样电路测量PV-和PGND端之间的 电压Upv_。
[0063] 由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
[0064]
Figure CN104702208AD00081
[00化]Rpv_为方阵负母线对地绝缘电阻,具体实施中,可选取R2为50k,且通过四个电阻2 串2并减少误差,因此,式(3)已知S个参数值,即可得到
[0066]
Figure CN104702208AD00082
[0067] 通过多次测量求平均值,即可得到较为精确的方阵正母线对地绝缘阻抗Rpv+和方 阵负母线对地绝缘阻抗Rpv_的值。
[0068]具体实施中,电阻Ri和R2为10k欧姆级,电阻R3为兆欧级,电阻R4为2M欧姆级。 串联的匹配电阻取值为几十千欧级,该与大功率光伏并网逆变器输入的光伏方阵最大电压 和相关标准中技术规范要求有关;并联兆欧级别电阻是为了提高测量精确度而设计的,因 为兆欧级别电阻在MOSFET关断时,与标准要求的最低方阵直流母线对地绝缘阻抗并联时 才可被忽略。
[0069] 进一步的,本发明提供的一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检 测系统的实施例中,PV+和PV-端接入第五电压采样电路。
[0070] 因此,由步骤1和步骤2中的式(2)和式(4)即可很快达到光伏方阵对地绝缘阻 抗的实时检测目标,并按功率等级进行判断,还可通过通信接口与光伏逆变器的主控制器 进行交互通信。在实际大功率光伏逆变器在工作中,还需实时监测光伏方阵两端母线电压, 因此会有步骤3。
[007U步骤3,通过CPLD控制VT1、VT2,使MOS阳T管Qi和Q2同时关断,同时测量出UPV+ 及Upv_电压值。
[007引Upv=Upv++Upv_,即可得到光伏方阵两端母线电压。
[0073] 如图2-6所示分别为本发明实施例提供的第一电压采样电路、第二电压采样电 路、第=电压采样电路、第四电压采样电路和第五电压采样电路的电路结构图,电压采样电 路通过差分运放实现,W图2为例,第一电压采样电路包括输入电阻Ri4、匹配电阻R24、参考 电压电阻R34、反馈电阻Rf4、滤波电容Cf4W及运放U3。
[0074] 电阻Ri的高电压端通过电阻R24后连接运放U3的正向输入端,电阻R1的低电压端 通过电阻Ri4后连接运放U3的反相输入端。运放U3的正向输入端还通过电阻后接入参考电 压。运放&的反向输入端和输出端口之间还并接有并联的电阻Rf4和电容Cf4,通过差分运 放,完成对Rl两端电压信号的实时采样。
[0075] 同理参考图3、图4、图5和图6,完成对R2两端电压采样、PV+对地电压采样、PV-对 地电压义样和方阵母线电压义样。输入电阻Rll、Ri2、Ri3、Ri4和R15和匹配电阻R2I、R22、尺23、 R24和R25由多个1M欧级电阻串联组成,主要从电气安全考虑,设计按相应的爬电距离规范 实施,反馈电阻Rf1、Rf2、Rf3、Rf4和Rf5取1Ok欧,滤波电阻Cf1、Cf2、Cf3、Cf4和Cfs选Inf即可, 实施中还应包含通过双向二极管进行电压错位保护和运放输出电压的低通滤波,消除交流 信号影响,保证电路的准确性和可靠性。
[0076] 如图7所示为本发明实施例提供的光禪驱动电路与MOSFET管连接的结构示意图, 图7W上桥臂的MOSFET管Qi的驱动为例,驱动单元的输出控制信号VT1与电阻切换单元 中MOS阳T管Qi的输入信号VT1连接。
[0077] 进一步的,本发明提供一种的大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检 测系统的实施例中,还可W通过CPLD连接控制第一光禪驱动电路和第二光禪驱动电路进 行实际阻抗在线检测,第一电压采样电路、第二电压采样电路、第=电压采样电路、第四电 压采样电路和第五电压采样电路的输出端通过ADC接口电路后连接CPLD,对数据进行采 集。
[007引如图8所示为本发明实施例提供的ADC接口电路原理图,如图9所示为本发明实 施例提供的CPLD电路部分的信号图。而图7中光禪U2的输入信号SWN与图8中CPLD电 路的接口SWN引脚相连,完成平衡电桥中MOSFET管的开关功能。
[0079] 采样信号的输出如U1等信号,与外部ADC巧片(如ADS7841)接口相连接;ADC巧 片U9通过总线输出接CPLD的相应ADC总线接口;CPLD信号处理及通信单元与ADC接口电 路输出相连接,与通信接口电路相连接;实际实施还包含了信号指示和告警电路等。
[0080] CPLD的PWM信号,经两个推挽式立极管电路进行信号放大驱动,起到脚CK电路中 主开关的作用,再经过隔离变压器T1,副边输出两路15V电源,且副边输出交流电压经整流 二极管D2和D4、稳压二极管D3和D5、滤波电容C29、C30、C32和C33,得到稳定的两路15V 输出电源。
[0081] 如图10所示为本发明实施例提供的辅助供电单元电路原理图,由图10可知,辅 助供电单元由BUCK和稳压电路组成,用于给上述在线检测系统各单元供电。图10给出了 BUCK的部分电路,来自图9中CPLD的PWM信号,经两个推挽式S极管电路进行信号放大驱 动,起到脚CK电路中主开关的作用,再经过隔离变压器T1,副边输出两路15V电源,且副边 输出交流电压经整流二极管D2和D4、稳压二极管D3和D5、滤波电容C29、C30、C32和C33, 得到稳定的两路15V输出电源。
[0082] 本发明可针对多种大功率光伏逆变器,如100kW-630kW大功率光伏逆变器的光伏 方阵绝缘电阻检测均可采用;还可通过MOSFET多次开关和采样电压,将正负绝缘电阻值 降低时检测准确度影响消除,本发明不用解方程组,且是简单的一次方程,计算用参数不 到4个,没有多个参数和复杂的乘除运算带来的计算误差影响,而通过电阻并联支路特性 解简单的一次方程得到正负母线对地绝缘阻抗,响应快速,相比继电器、可调电阻等方式, MOSFET的开关速度W及CPLD的采样速度均可很快,选用带宽大的运放即可满足快速和多 次求平均等需求,实现方式更快捷、更精准。另外还有损耗低、设计灵活、可靠性高、低成本、 方便实时在线检测等特点。
[0083] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用W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. 一种大功率光伏逆变器的光伏方阵对地绝缘阻抗在线检测系统,其特征在于,所述 系统中: 光伏方阵正母线PV+与电阻札一端相连,所述电阻R:另一端连接第一MOSFET管Q:的 漏极,所述第一MOSFET管%的源极与大地PGND相连,所述第一MOSFET管Qi的漏极和源极 之间还并接有电阻R3; 光伏方阵正母线PV-与电阻R2-端相连,所述电阻R2另一端连接第二MOSFET管Q2的 源极,所述第二MOSFET管Q2的漏极与大地PGND相连,所述第二MOSFET管Q2的漏极和源极 之间还并接有电阻R4; 所述第一MOSFET管%的驱动控制端VT1连接第一光耦驱动电路,所述第二MOSFET管Q2的驱动控制端VT2连接第二光耦驱动电路; 所述&两端、PV+和PGND端、R2两端以及PV-和PGND端分别接入第一电压采样电路、 第二电压采样电路、第三电压采样电路和第四电压采样电路; 检测过程中,通过控制所述第一光耦驱动电路和所述第二光耦驱动电路控制所述第一MOSFET管%和所述第二MOSFET管Q2的导通或关断,进行大功率光伏逆变器的光伏方阵对 地绝缘阻抗的在线检测。
2. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统进行大功率光伏逆变器的光伏方 阵对地绝缘阻抗在线检测的过程包括: 步骤1、控制所述驱动控制端VT1,使所述第一MOSFET管%导通,所述第二MOSFET管Q2关断,第一电压采样电路测量Ri两端电压Ui,第二电压采样电路测量PV+和PGND端之间 的电压UPV+; 由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
Figure CN104702208AC00021
RPV+为方阵正母线对地绝缘电阻,由式(1)得到
Figure CN104702208AC00022
步骤2、控制所述驱动控制端VT2,使所述第一MOSFET管%关断,所述第二MOSFET管Q2导通,第一电压采样电路测量R2两端电压U2,第二电压采样电路测量PV-和PGND端之间 的电压UPV_; 由基尔霍夫电流定律得到一次方程:
Figure CN104702208AC00023
Rpv_为方阵正负线对地绝缘电阻,由式(3)得到
Figure CN104702208AC00024
3. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述电阻R:和R2阻值大于10k欧姆,所述 电阻R3的阻值大于1兆欧姆,所述电阻R4的阻值大于1兆欧姆。
4. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述PV+和PV-端接入第五电压采样电路。
5. 如权利要求3所述的系统,其特征在于,所述电压采样电路通过差分运放实现,包括 输入电阻、匹配电阻、参考电压电阻、反馈电阻、滤波电容以及运放。
6. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统还包括CPLD和ADC接口电路; 所述CPLD连接控制所述第一光耦驱动电路和所述第二光耦驱动电路进行阻抗在线检 测,所述第一电压采样电路、第二电压采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路和 第五电压采样电路的输出端通过所述ADC接口电路后连接CPLD,对数据进行采集。
7. 如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述系统包括辅助供电单元; 所述辅助供电单元包括BUCK和稳压电路,用于给所述系统各单元供电; 所述CPLD输出的PWM信号控制连接所述辅助供电单元,所述辅助供电单元输出稳定的 两路15V输出电源。
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