CN105021879A - 用于监测无变压器的光伏逆变器的泄漏电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测无变压器的光伏逆变器的泄漏电流的装置，其能够减少由于光伏逆变器中的泄漏电流引起的电网故障的风险。该装置包括：配置为去除感测到的泄漏电流信号的高频噪声的低通滤波器、配置为对所述低通滤波器的输出计算平均值的均值计算器、配置为从所述低通滤波器的输出中减去所述平均值的直流分量去除器、配置为对已经被去除直流分量的信号计算峰值和相位的锁相环电路部，以及配置为根据计算出的峰值和相位计算泄漏电流的电阻分量值的泄漏电流电阻分量计算器。

Description

用于监测无变压器的光伏逆变器的泄漏电流的装置

技术领域

本发明涉及一种泄漏电流的监测装置，尤其是，涉及一种监测与连接到电网的无变压器的光伏(下文中简称为“PV”)逆变器有关的泄漏电流中对人体有害的泄漏电流电阻分量。

背景技术

在生成光伏电力时，所述电力是通过使用PV模块阵列生成的，并且由PV模块阵列产生的电力的类型是直流电(下文中简称为“DC”)。因此，为了将产生的电力提供给如家庭或公司等需求方，就需要将直流电力转换为交流(下文中简称“AC”)电力。

图1示出了并网光伏发电系统10。

并网光伏发电系统10可以包括：PV模块11、逆变器12和电网13。PV模块11利用太阳光生成DC电力，且所生成的电力通过逆变器12转换为AC电力并输送到电网13。

在利用太阳光生成电力时应当考虑效率和稳定性。

逆变器12可以被归类为用变压器进行电绝缘的逆变器和不包括变压器的无变压器逆变器。最近，具备如效率、价格、体积和重量的条件的优势的无变压器逆变器吸引了很多的注意力。然而，在不包括变压器的无变压器逆变器中会出现严重的泄漏电流。

在图1中，说明了PV模块11的PV+端子或PV-端子的故障状态。

当泄漏电流发生时，电阻分量R和电容分量C存在于电子线路和地之间。在这种情况下，由电容分量C引起的泄漏电流是由于PV模块11的特性而总是存在的值，并且不是对人体有害的分量。而由电阻分量R引起的泄漏电流是能够影响诸如植物和人体等生物的有害分量。

因此，在使用无变压器逆变器时，需要应对泄漏电流电阻分量。

发明内容

因此，本公开内容的方面是为了提供一种用于监测无变压器光伏逆变器的泄漏电流的装置，其测量从无变压器的逆变器中感测到的泄漏电流中的泄漏电流电阻分量，从而提高安全性，以防止在逆变器工作时产生的对用户身体的伤害的风险和电网故障的风险。

为了实现与本文实施例和大概描述的本公开内容目的一致的这些以及其他优点，依据本发明的用于监测无变压器的光伏逆变器的泄漏电流的装置包括：

低通滤波器，其配置为去除感测到的泄漏电流信号的高频噪声；

均值计算器，其配置为对所述低通滤波器的输出计算平均值；

直流分量去除器，其配置为从所述低通滤波器的输出中减去所述平均值，以去除直流分量；

锁相环电路部，其配置为对已经被去除直流分量的信号计算峰值和相位；以及

泄漏电流电阻分量计算器，其配置为根据所述锁相环电路部计算出的峰值和相位计算泄漏电流的电阻分量值。

当电网电压的相位为θ_grid，所述锁相环电路部计算出的相位为θ_zct，且所述锁相环电路部计算出的峰值电流值为I_Peak，所述泄漏电流电阻分量计算器可以根据下面的公式计算出泄漏电流的交流(AC)分量的均方根值(root mean square value)，

$\mathrm{root\; mean\; square\; value}=\frac{\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)I_{\mathrm{Peak}}}{\sqrt{2}}$

其中，Δθ是θ_grid-θ_zct；

泄漏电流的电阻分量值可以通过将所述均值计算器计算出的所述平均值的绝对值与所述均方根值相加计算得出。

而且，Δθ可以是通过进一步与用于延迟补偿的相位相加得到的值。

所述低通滤波器、所述均值计算器、所述直流分量去除器以及所述泄漏电流电阻分量计算器中的每一个的功能可以是由微处理器完成的。

该装置可以进一步包括：

零相位电流互感器，其配置为测量泄漏电流；

放大单元，其配置为放大所述零相位电流互感器的输出信号；以及

模拟-数字转换器，其配置为将所述放大单元的模拟信号转换为数字信号。

本发明申请的进一步适用范围将通过下文中给出的详细的描述变的更加清楚。然而，应当被理解的是，在指出本公开内容的优选实施例时，所述的详细的描述和具体的例子仅是通过说明的方式给出，这是因为通过详细的描述，落在本公开内容的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员变的显而易见。

附图说明

附图被包括以提供本公开内容的进一步理解，并且其被并入并组成了本公开内容的一部分，其示出了优选的实施例并与说明书一起用于解释本公开内容的原理。

附图中：

图1为说明并网光伏发电系统的框图；

图2为说明应用了依据本发明的示例性实施例的泄漏电流监测装置的并网光伏发电系统的配置的框图；

图3为说明了在依据本发明的示例性实施例的泄漏电流监测装置中的放大单元的配置的电路图；以及

图4为说明了依据本发明的示例性实施例的泄漏电流监测装置的配置的框图。

具体实施方式

现在将结合附图给出优选实施例的详细描述。为了参考附图的简要描述，相同的或等同的元件将会提供相同的附图标记，并且其描述将不再重复。

在下文中，将会结合附图对依据本发明示例性实施例的用于监测无变压器的光伏逆变器的装置进行详细的描述。

图2为说明应用了依据本发明的示例性实施例的泄漏电流监测装置23的并网光伏发电系统20的例子的框图。零相位电流互感器(下文中简称“ZCT”)设置在电源线上并测量流入逆变器12中的泄漏电流，通过该电源线电力从逆变器12供应给电网13。

作为ZCT 21的详细实施例，可以使用孔型ZCT，在这种ZCT中，泄漏电流所流经的信号线围绕电力线所穿过的环形芯而缠绕。电力线的绕线和中性线的绕线穿过ZCT 21的孔，流入两个信号线中每一个信号线中的泄漏电流被测量。在这种情况下，两个信号线的绕线以相同的方向缠绕，并且缠绕的绕线越多，泄漏电流值就越被放大。

实际流动的泄漏电流可以被划分为接地的电容分量C和由于电网故障引起的电阻分量R。当电压值在一定范围内时，ZCT 21可以输出所测量的泄漏电流。

放大单元22可以放大ZCT 21的输出。这里的放大是用于将ZCT 21的输出电压电平调节到能够被输入到泄漏电流监测装置23的电压电平。

放大单元22可以根据需要进行各种配置。图3示出了放大单元22的例子。

当ZCT 21测得的电压信号被输入时，该电压信号可以通过第一运算放大器OP1按照-R2/R1的比例放大，并可以通过第二运算放大器OP2按照-R4/R 3的比例再次放大。

在这种情况下，由于第一运算放大器OP1的反馈电容C1和第二运算放大器OP2的反馈电容C2，可以在1/2πR2C1的截止频率和1/2πR4C2的截止频率下完成过滤。也就是说，放大单元22可以额外完成除了放大功能之外的过滤功能。

根据经过放大单元22放大的信号，泄漏电流监测装置23可以计算出泄漏电流的电阻分量值。泄漏电流监测装置23可以用微处理器按序配置，以实行其中所有的或部分元件。

在泄漏电流监测装置23配置有微处理器的示例性实施例中，放大单元22放大的模拟信号应当被转换为数字信号。为此，在微处理器外可以设置模拟-数字(A/D)转换器，或者其也可以内置于微处理器中。

作为详细的实施例，在使用微处理器的A/D转换器的情况下，当假定A/D转换器的输入电压电平为3V且ZCT 21的输出电压电平为5V时，放大单元22可以配置为具有2/3倍的放大程度。例如在这种情况下，多个电阻R1-R4各自的电阻值可以是15千欧，10千欧，100千欧和100千欧。

如图4所示，泄漏电流监测装置23包括：低通滤波器23-2、均值计算器23-3，直流分量去除器23-4、锁相环电路部(在下文中简称为“PLL”)23-5和泄漏电流电阻分量计算器23-6。另外，泄漏电流监测装置23还可以进一步包括A/D转换器23-1，其接收经放大单元22放大的模拟信号并将该模拟信号转换为数字信号以输出该数字信号。

低通滤波器23-2可以从输入信号中去除高频噪声，该高频噪声具有比预设的截止频率高的频率。

例如，当放大单元22按照图3所示的被配置时，ZCT 21所测得的信号可以被滤波两次。

均值计算器23-3可以对低通滤波器23-2的输出计算平均值(DC值)。例如，均值计算器23-3可以周期性的计算平均值。

直流分量去除器23-4可以从低通滤波器23-2的输出中减去均值计算器23-3计算出的平均值，以去除直流分量，从而只允许保留交流分量。用直流分量去除器23-4去除直流分量的原因是为了PLL处理。

锁相环电路部23-5可以将去除了DC分量的AC信号转换为同步参考坐标，以计算出相应信号的峰值和相位。

泄漏电流电阻分量计算器23-6可以根据锁相环电路部23-5计算出的峰值和相位计算泄漏电流的电阻分量值。

首先，泄漏电流电阻分量计算器23-6可以根据下面的公式所表示的计算出泄漏电流的交流分量的均方根值(root mean square value)：

$\mathrm{root\; mean\; square\; value}=\frac{\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)I_{\mathrm{Peak}}}{\sqrt{2}}$

其中，当电网电压的相位为θ_grid且锁相环电路部23-5计算出的相位为θ_zct时，Δθ为θ_grid-θ_zct，且I_Peak为锁相环电路部23-5计算出的交流分量的峰值。

其中，θ_grid-θ_zct定义为泄漏电流中电阻分量R和电容分量C的相位差。

泄漏电流电阻分量计算器23-6可以将均值计算器23-3计算的平均值的绝对值与均方根相加，以计算出泄漏电流的电阻分量值。将均值计算器23-3计算出的平均值的绝对值相加的原因是泄漏电流电阻分量中包含有直流分量但已被去除以由锁相环电路部23-5实行处理。

另外，在计算Δθ时，泄漏电流电阻分量计算器23-6可以将Δθ计算为通过与预设的用于延迟补偿的相位相加而获得的值。例如，当用于延迟补偿的相位为θ_delay时，Δθ可以计算为θ_grid+θ_delay-θ_zct。

用于延迟补偿的相位是用于补偿当PLL电路部23-5以微处理器配置时的软件计算所引起的时间延迟。

依据本发明的一个示例性实施例的泄漏电流监测装置20可以配置为具有与逆变器12相同的附件的单独体。在这种情况下，就不需要其他的泄漏电流监测装置，并且因此，并网光伏发电系统20可以更方便的实现。

另外，根据由泄漏电流监测装置23计算的泄漏电流的电阻分量值可以采取不同的措施。例如，当泄漏电流电阻分量值比预设值大时，可以停止逆变器12的工作。

根据本发明的示例性实施例，可以测量到只有当PV逆变器工作时发生的泄漏电流的电阻分量。

因此，通过在危险状态下停止逆变器的工作，可以增加抵抗电网故障和对碰触逆变器的用户身体的伤害的风险的稳定性。尤其是，当逆变器被配置为执行相应的功能时，不需要额外的泄漏电流测量装置，从而泄漏电流监测装置能够更加方便的应用。

前述的实施例和优点仅仅是示例性的，并且不应被作为本发明的公开内容的限定。本发明的内容可以容易的应用于其他类型的装置上。本说明书旨在阐述而不是限定权利要求的范围。许多替换、修改和变化对于本领域的技术人员是显而易见的。本文中所描述的优选实施例的特征、结构、方法以及其他的特点可以以不同的方式结合，以获得额外的和/或替代的实施例。

由于本发明的特点可以用不脱离其本身的特征的多种形式体现，也应当理解的是，除非另有规定，上文所描述的实施例并不受前面所描述的任何细节的限制，而是应当认为是在附加的权利要求中所限定的范围内的广泛描述。因此，任何落入与权利要求的限定和界限或者这些限定和界限的等同物内的改变和修改都由此包含在所附的权利要求中。

Claims (5)

1.一种用于监测无变压器的光伏逆变器的泄漏电流的装置，其特征在于，所述装置包括：

低通滤波器，其配置为去除感测到的泄漏电流信号的高频噪声；

均值计算器，其配置为对所述低通滤波器的输出计算平均值；

直流分量去除器，其配置为从所述低通滤波器的输出中减去所述平均值，以去除直流分量；

锁相环电路部，其配置为对已经被去除直流分量的信号计算峰值和相位；以及

泄漏电流电阻分量计算器，其配置为根据所述锁相环电路部计算出的峰值和相位计算泄漏电流的电阻分量值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，当电网电压的相位为θ_grid，所述锁相环电路部计算出的相位为θ_zct，且所述锁相环电路部计算出的峰值电流值为I_Peak时，所述泄漏电流电阻分量计算器根据下面的公式计算出泄漏电流的交流分量的均方根值，

其中，Δθ是θ_grid-θ_zct；

泄漏电流的电阻分量值是通过将所述均值计算器计算出的所述平均值的绝对值与所述均方根值相加计算得出。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，Δθ是通过进一步与用于延迟补偿的相位相加得到的值。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述低通滤波器、所述均值计算器、所述直流分量去除器以及所述泄漏电流电阻分量计算器中的每一个的功能是由微处理器完成的。

5.根据权利要求1的装置，进一步包括：

零相位电流互感器，其配置为测量泄漏电流；

放大单元，其配置为放大所述零相位电流互感器的输出信号；以及

模拟-数字转换器，其配置为将所述放大单元的模拟信号转换为数字信号。