CN106053946B - 光伏直流绝缘监测方法、装置及一种光伏系统 - Google Patents

光伏直流绝缘监测方法、装置及一种光伏系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏直流绝缘监测方法。该方法将光伏系统的正直流母线依次通过第一降压电阻、第一采样电阻与参考地连接，将光伏系统的负直流母线依次通过第二降压电阻、第二采样电阻与参考地连接；向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号，并测量出每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压以及第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；最后分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻。本发明还公开了一种光伏直流绝缘监测装置以及一种光伏系统。本发明监测结果不受直流系统对地分布电容的制约且不会增加直流系统的纹波，监测结果更准确，电路实现更简单。

Description

光伏直流绝缘监测方法、装置及一种光伏系统
技术领域
本发明涉及光伏系统，尤其涉及一种光伏直流绝缘监测方法、装置。
背景技术
目前，太阳能技术已经越来越广泛地被应用到各行各业中，基于安全方面的考虑，太阳能光伏电力系统中必须具有绝缘阻抗监测及报警指示功能。但是，现有技术的太阳能光伏组件并没有设置这种绝缘阻抗监测装置。因此，在系统绝缘故障时，很容易发生安全事故，从而造成人身、财产的危害。光伏直流绝缘监测模块是专用于太阳能光伏系统的绝缘监测模块，实时在线监测光伏直流母线过电压/欠电压、对地绝缘下降等故障，出现故障时迅速查找故障母线或支路，并发出预警或报警信号。
现有绝缘阻抗检测的方法主要有平衡电桥原理和低频探测原理。根据平衡电桥原理实现的绝缘阻抗检测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘阻抗同等下降时的绝缘阻抗值；绝缘阻抗检测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘阻抗大小。用低频探测原理检测接地故障是近几年采用的一种新方法，该方法是向直流系统母线注入低频交流信号，并通过互感器检测各支路的交流分量，然后计算得到接地阻抗。但它所能检测的接地阻抗受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。可见，电桥平衡原理和低频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光伏直流绝缘监测方法、装置，其监测结果不受直流系统对地分布电容的制约且不会增加直流系统的纹波，监测结果更准确，电路实现更简单。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种光伏直流绝缘监测方法，将光伏系统的正直流母线依次通过第一降压电阻、第一采样电阻与参考地连接，将光伏系统的负直流母线依次通过第二降压电阻、第二采样电阻与参考地连接；向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号，并测量出每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压以及第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；最后根据以下公式分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻：
其中，R+、R-分别表示正、负直流母线的对地绝缘电阻，US为所述直流脉冲电压信号的幅值，R、R′分别为第一降压电阻、第二降压电阻的阻值，RS、RS′分别为第一采样电阻、第二采样电阻的阻值，UA1、UA2分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，UB1、UB1分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压。
一种光伏直流绝缘监测装置，包括：
信号注入电路，可向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号；
响应电路，包括相互串联的第一降压电阻、第一采样电阻以及相互串联的第二降压电阻、第二采样电阻，第一降压电阻的另一端、第一采样电阻的另一端分别连接光伏系统的正直流母线、参考地，第二降压电阻的另一端、第二采样电阻的另一端分别连接光伏系统的负直流母线、参考地；
测量单元，用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压以及第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；
运算与控制单元，利用测量单元的测量结果，根据以下公式分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻：
其中，R+、R-分别表示正、负直流母线的对地绝缘电阻，US为所述直流脉冲电压信号的幅值，R、R′分别为第一降压电阻、第二降压电阻的阻值，RS、R′S分别为第一采样电阻、第二采样电阻的阻值，UA1、UA2分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，UB1、UB1分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压。
优选地，所述信号注入电路包括：两路注入信号驱动电路以及过压保护二极管。
更进一步地，所述直流电压源同时作为光伏直流绝缘监测装置中其它用电部件的电源。
优选地，所述测量单元包括结构相同的两个测量电路，一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，另一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；每个测量电路包括电压跟随电路、有源二阶低通滤波电路和信号放大电路。
优选地，所述运算与控制单元为集成有多个Σ-ΔA/D转换器的微处理器。
进一步地，所述光伏直流绝缘监测装置还包括分别与所述运算与控制单元连接的操作显示电路、报警输出电路、通信电路、测试/复位电路。
根据相同的发明思路还可以得到一种光伏系统，包括如上任一技术方案所述光伏直流绝缘监测装置。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过向光伏系统的PE注入两个正负对称的直流脉冲电压信号，并根据两个信号注入情况下采样电阻对参考地的电压，通过简单计算得到正负母线的绝缘阻抗，有效消除了母线电压对监测结果产生影响，且不会对直流系统产生纹波影响。
本发明不需要继电器投切采样电阻，不会造成母线电压波动。
本发明电路结构简单，实现成本低。
附图说明
图1为本发明光伏直流绝缘监测方法的原理等效示意图；
图2为本发明光伏直流绝缘监测装置中信号注入电路的一个优选实施例；
图3为本发明光伏直流绝缘监测装置中测量电路的一个优选实施例；
图4为本发明光伏直流绝缘监测装置中一个优选实施例的基本结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
针对现有技术不足，本发明的思路是向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号，并根据与正、负直流母线连接的响应电路的响应信号，通过简单的计算得到正、负直流母线的对地绝缘阻抗。具体的，本发明光伏直流绝缘监测装置，包括：
信号注入电路，可向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号；
响应电路，包括相互串联的第一降压电阻、第一采样电阻以及相互串联的第二降压电阻、第二采样电阻，第一降压电阻的另一端、第一采样电阻的另一端分别连接光伏系统的正直流母线、参考地，第二降压电阻的另一端、第二采样电阻的另一端分别连接光伏系统的负直流母线、参考地；
测量单元，用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压以及第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；
运算与控制单元，利用测量单元的测量结果，分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻。
图1为本发明光伏直流绝缘监测方法的原理等效示意图。如图1所示，Us为信号注入电路向PE线(即上述所述的保护线，也就是光伏系统的对地连接线，例如光伏系统的外壳等)所注入的正负对称的两个脉冲直流信号，例如：±24V，不仅限于±24V，图中的PV+为正直流母线，PV-为负直流母线，R+为正母线对地绝缘电阻，R-为负母线对地绝缘电阻，R、R’分别为正、负母线端降压电阻，Rs、Rs’分别为正、负母线端采样电阻。U+为正母线对参考地电压，U-为负母线对参考地电压，(U+-U-)为母线电压，Us为注入正负对称的脉动直流电压幅值；
根据电路原理，正母线支路上A点的电压可以表示为：
注入+Us时，+母线端采样电阻Rs上采样电压
UA1＝Us*Rs/(R++R+Rs)+U+*Rs/(R+Rs)+U-*Rs/(R++R-+R+Rs)；
注入-Us时，+母线端采样电阻Rs上采样电压
UA2＝-Us*Rs/(R++R+Rs)+U+*Rs/(R+Rs)+U-*Rs/(R++R-+R+Rs)；
由上式可得UA1-UA2＝2Us*Rs/(R++R+Rs)，进而可得到：
R+＝2Us*Rs/(UA1-UA2)–R-Rs，
显然上述等式表明R+的计算仅与注入信号有关，因此从方法上消除了母线电压的影响；
同理,负母线支路上B点的电压UB1-UB2＝2Us*Rs’/(R-+R’+Rs’)，进而可得到：
R-＝2Us*Rs’/(UB1-UB2)–R’-Rs’。
亦即，运算与控制单元根据以下公式分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻：
其中，R+、R-分别表示正、负直流母线的对地绝缘电阻，US为所述直流脉冲电压信号的幅值，R、R′分别为第一降压电阻、第二降压电阻的阻值，RS、R′S分别为第一采样电阻、第二采样电阻的阻值，UA1、UA2分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，UB1、UB1分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压。
本发明技术方案中的信号注入电路可采用现有的各种信号生成电路，但考虑到仅需要向PE线注入正负对称的两个脉冲直流信号，因此，可以直接利用装置中其它部件(例如运算与控制单元)的直流电源作为信号源，通过可控开关进行控制从而产生所需的注入信号。根据该思路可以得到本发明一个优选方案：
所述信号注入电路包括：两路注入信号驱动电路以及过压保护二极管。
图2显示了上述信号注入电路的一种具体实现电路。如图2所示，所述信号注入电路包括：由电阻R13～R23、电感L1、三极管V1～V4组成的两路注入信号驱动电路以由二极管D1～D2组成的过压保护二极管。其中每一路注入信号驱动电路包含一对互补驱动管，NPN和PNP三极管或N型和P型MOS管，由运算与控制单元控制开通或关断。当需要注入正脉冲直流信号时运算与控制单元的I/O口发出高电平导通三极管V2，从而导通三极管V1，VS经三极管V1，电阻R18、R13、电感L1注入PE线；当需要注入负脉冲直流信号时运算与控制单元的I/O口发出高电平导通三极管V4，从而导通三极管V3，-VS经三极管V3，电阻R19、R13、电感L1注入PE线；VS、-VS分别为运算与控制单元的直流电源的正、负输出端，二极管D1～D2为线路过压保护用，但不仅限于二极管，也可为TVS管等。
本发明技术方案中的测量单元同样可采用现有的各种测量电路实现，为了简化电路，提高测量精度，本发明进一步提出了以下的测量单元实现方案：
所述测量单元包括结构相同的两个测量电路，一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，另一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；每个测量电路包括电压跟随电路、有源二阶低通滤波电路和信号放大电路。
所述的电压跟随电路的输入端与正直流母线(或负直流母线)的降压电阻和采样电阻的连接端连接，用于降压电阻电路与滤波采样电路的隔离，消除降压电阻电路对滤波采样电路的影响。所述的有源二阶低通滤波电路与电压跟随电路连接，用于滤除采样信号中高频干扰信号。所述的信号放大电路与有源二阶低通滤波电路连接后再接入运算与控制单元的Σ-ΔA/D转换器，用于电压测量信号范围与运算与控制单元的Σ-ΔA/D转换器输入信号范围匹配。
图3显示了上述测量单元中测量电路的一种优选电路结构。如图3所示，所述测量电路包括：由运算放大器N2B电压跟随电路，由电阻R8、R9，电容C4、C5，运算放大器N1A组成的有源二阶低通滤波电路，由电阻R10～R12，电容C6、运算放大器N2A构成的信号放大电路。其中电压跟随电路的运算放大器N2B的同相输入端与正直流母线(或负直流母线)的降压电阻和采样电阻的连接端连接，运算放大器N2B的反相输入端与输出端连接后与有源二阶低通滤波电路的电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电容C4、电阻R9的连接端连接，电容C4的另一端同时连接运算放大器N1A的反相输入端、输出端，电阻R9的另一端同时连接运算放大器N1A的同相输入端、电容C5的一端，电容C5的另一端连接参考地，运算放大器N1A的输出端还与信号放大电路的电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端同时与电容C6的一端、电阻R11的一端、运算放大器N2A的反相输入端连接，运算放大器N2A的同相输入端接参考地，运算放大器N2A的输出端与电阻R12的一端连接，电容C6的另一端、电阻R11的另一端以及电阻R12的另一端同时与运算与控制单元的Σ-ΔA/D转换器连接。其中运算放大器N1A、N2A、N2B采用LF412。
本发明光伏直流绝缘监测装置中还可以进一步增设与所述运算与控制单元连接的操作显示电路、报警输出电路、通信电路、测试/复位电路。通过操作显示电路可实现监测结果的显示以及监测参数的输入，通过通信电路可将监测结果传输至上位机或移动终端，当监测到绝缘故障时可通过报警输出电路进行声光报警。图4即显示了采用上述进一步改进方案的光伏直流绝缘监测装置结构框图，其中的运算与控制单元采用集成有多个带PGA运放单元的Σ-ΔA/D转换器的微处理器，测量电路可直接使用这些集成的Σ-ΔA/D转换器，从而进一步简化了电路结构。

Claims (7)

1.一种光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，包括：
信号注入电路，可向光伏系统的保护线先后注入幅值相等、方向相反的两个直流脉冲电压信号；所述信号注入电路包括：两路注入信号驱动电路以及过压保护二极管；
响应电路，包括相互串联的第一降压电阻、第一采样电阻以及相互串联的第二降压电阻、第二采样电阻，第一降压电阻的另一端、第一采样电阻的另一端分别连接光伏系统的正直流母线、参考地，第二降压电阻的另一端、第二采样电阻的另一端分别连接光伏系统的负直流母线、参考地；
测量单元，用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压以及第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；
运算与控制单元，利用测量单元的测量结果，根据以下公式分别计算出正、负直流母线的对地绝缘电阻：
其中，R+、R-分别表示正、负直流母线的对地绝缘电阻，US为所述直流脉冲电压信号的幅值，R、R′分别为第一降压电阻、第二降压电阻的阻值，RS、R′S分别为第一采样电阻、第二采样电阻的阻值，UA1、UA2分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，UB1、UB1分别为两个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压。
2.如权利要求1所述光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，每一路注入信号驱动电路包含一对互补驱动管，由运算与控制单元控制开通或关断。
3.如权利要求1所述光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，所述信号注入电路的直流电源同时作为光伏直流绝缘监测装置中其它用电部件的电源。
4.如权利要求1所述光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，所述测量单元包括结构相同的两个测量电路，一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第一采样电阻与第一降压电阻所连接一端对参考地的电压，另一个测量电路用于测量每个直流脉冲电压信号注入情况下第二采样电阻与第二降压电阻所连接一端对参考地的电压；每个测量电路包括电压跟随电路、有源二阶低通滤波电路和信号放大电路。
5.如权利要求4所述光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，所述运算与控制单元为集成有多个Σ-ΔA/D转换器的微处理器。
6.如权利要求1～5任一项所述光伏直流绝缘监测装置，其特征在于，该装置还包括分别与所述运算与控制单元连接的操作显示电路、报警输出电路、通信电路、测试/复位电路。
7.一种光伏系统，包括如权利要求1～6任一项所述光伏直流绝缘监测装置。
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