CN108206670B - 用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及到用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统及监测方法，由多级光伏电池串联连接在一起构成一个电池组串，电池组串上的总电压提供给逆变器执行直流电到交流电的逆变，漏电流检测模块用于检测光伏电池由于受到逆变器中各桥臂支路之间存在的共模电压的激励所诱发产生的对地漏电流。该系统可以最大限度的实时检测出光伏电池组串中每一个单独的光伏电池的绝缘状态，为光伏发电系统的安全运营提供依据。

Description

用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统及监测方法

技术领域

本发明主要涉及到光伏发电技术领域，确切的说是在涉及到含有光伏电池的拓扑结构中提供一种能够监测光伏电池组串绝缘状态的检测系统，最大限度的实时检测出光伏电池组串中每一个单独的光伏电池的绝缘状态，为光伏发电系统的安全运营提供依据。

背景技术

随着传统化工类能源如石油、煤炭、天然气等的不可再生性，而且化工能源造成的负面环境问题变得日趋严重，寻求一种取之不尽、周而复始的可再生能源来取代资源有限且对环境有污染的传统化工能源，成为了能源领域迫切需要解决的重要命题。以新技术和新材料为基础的科技发展，使可再生能源得到现代化的开发和利用，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等，环保和能够持续性发展的新能源得到了越来越广泛的应用。在新能源领域，由于光伏发电这种新能源具备洁净、安全可靠、运营费低、日常维护简单和任意地点随处可用等优势，使光伏发电系统成为世界各国普遍关注和重点发展的新型产业，它在解决能源短缺和偏远地区的用电问题上发挥着不可或缺的作用。从光伏发电的核心设备之一也即光伏电池来看，因为组件的边框实际是接大地的，但是光伏电池电极本身没有直接与大地电势进行关联，因此存在着电池绝缘情况的监控问题。

光伏电池的输出特性受到外界温度、光照辐射强度的影响而发生很大的变化，在当前的光伏发电系统中，为了使整个发电系统更安全可靠的运行，最好是能够及时发现各种潜在的威胁，例如阴影遮挡造成的热斑效应就是一种负面的威胁，它可能会让某些电池从电源转换成负载而引起电池板发热至起火烧毁，所以监控光伏电池的电压、电流、功率及温度等工作参数是光伏发电系统中很重要的一个环节。不仅如此，另一个需要监控的数据是光伏电池对大地的漏电流和绝缘情况，在某些情况下如果漏电流比设定的限定阈值还高则很可能会引起潜在的触电危险、还可能引发着火风险。光伏电池的工作参数监控在实际的应用场合更多的是采用了电力线载波作为通讯手段，依靠电力载波很容易就能将光伏电池的参数作为通信数据传递到光伏电池提供光伏电压的电力线上，再从电力线上进行载波信号的解码即可撷取光伏电池的实时参数。电力线不同于普通的数据通信线路，其初衷是为了进行电能而并非是数据的传输，对于数据通信而言，其信道并不理想，是一个非常不稳定的传输信道，这具体表现为噪声显著且信号衰减严重。为克服不稳定的问题，电力线宽带载波技术采用了扩频、正交频分复用等调制技术，而事实证明，多载波正交频分复用是目前为止解决在电力线上传输干扰问题的一种有效方法，电力线宽带通信采用正交频分复用技术能有效的抵抗多径干扰，使受干扰的信号仍能可靠接收。采样类似这样的手段来提高信号的可靠性仅仅是一方面，但在光伏电池和载波同时应用的场合，由于光伏电池自身的电压水准受到周遭环境温度、光辐射强度的影响会发生大幅度的变化，所以在电力线上的载波信号自身传播的畸变再加上电池这种输出特性容易波动的特征混合在一起，导致接收端期望撷取的真实载波信号并不精准、误码率高，而且光伏电池串组叠加的电压也受到载波干扰导致整个串组上的实际电压可能并不在预期的范围内。本申请的目标在于：利用合理的通信机制实现对串联的光伏电池中的每一个单体电池实现漏电流的监控。

发明内容

本发明披露了一种用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：由多级光伏电池串联连接在一起构成一个电池组串，电池组串上的总电压提供给逆变器执行直流电到交流电的逆变；还包括：漏电流检测模块，用于检测电池组串中的每一个光伏电池由于受到逆变器中各桥臂支路之间存在的共模电压的激励所诱发产生的对地漏电流。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：每块光伏电池均配置有执行最大功率追踪的电压转换电路；以及与每块光伏电池对应的电压转换电路输出的电压表征该光伏电池提供在所述的电池组串上的实际电压。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，与多级光伏电池所对应的多级电压转换电路通过串接线相互串联连接，且每块光伏电池均配置有一个漏电流检测模块；

其中，任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的前侧输入线上进行测量，光伏电池由前侧输入线向电压转换电路提供光伏电压；或者，任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的后侧输出线上进行测量，电压转换电路由后侧输出线输出其转换的电压。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：串联的多级光伏电池中的每一级光伏电池的绝缘状态用它的对地绝缘漏电阻值表示；并且任意一级光伏电池的对地绝缘漏电阻值等于所述共模电压除以它的对地漏电流。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：任意一个光伏电池配置的电压转换电路还设有处理器、载波发送模块，使任意一个光伏电池被测量出来的对地漏电流数据由与其对应的电压转换电路带有的处理器通过驱动载波发送模块发送到所述串接线上；以及逆变器配置有控制单元、载波接收模块，逆变器的控制单元通过其载波接收模块提取所述串接线上的每一个光伏电池的对地漏电流数据，并由逆变器的控制单元计算出每一个光伏电池的对地绝缘漏电阻值。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：电池组串中每一个光伏电池各自配置的电压转换电路均设有第一和第二节点，每个电压转换电路的实际电压都输出在其第一和第二节点之间；以及，每个电压转换电路设置的第一和第二节点之间串联连接有输出电容和控制开关，还在该第一和第二节点之间连接有载波发送模块；其中：任意一个指定的电压转换电路配置的载波发送模块在向所述串接线上发送载波信号的阶段，该指定的电压转换电路配置的控制开关处于关断状态，而串联的多级电压转换电路中除了该指定的电压转换电路之外其他电压转换电路各自配置的控制开关则处于接通状态以构成载波信号的传播通路。

上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其中：电池组串中每一个光伏电池各自配置的电压转换电路均设有第一和第二节点，每个电压转换电路的实际电压都输出在其第一和第二节点之间；以及每个电压转换电路设置的第一和第二节点之间串联连接有输出电容和控制开关，并且还在该第一和第二节点之间连接有载波发送模块；其中：任意一个电压转换电路配置的控制开关被接通时，该任意一个电压转换电路处于将接收的光伏电压予以转换输出的第一工作模式；任意一个电压转换电路所配置的该控制开关被关断时，该任意一个电压转换电路处于将在高低电平间跳变的激励脉冲耦合到所述传输线路上作为载波信号的第二工作模式；其中激励脉冲源于：用于驱动该指定电路的脉冲宽度调制信号迫使该指定电路输出的电压随着脉冲宽度调制信号的频率而发生阶跃变化，输出的阶跃电压视为激励脉冲。

在一个实施例中，光伏电池向光伏优化器或是功率优化电路提供输入电压的正极和负极电缆同时穿过上述的漏电流监测模块，耦合到正极和负极的一对电缆上的电流之差就是要测量的漏电流，可能是直流电流，也可能是高频共模交流的电流。漏电流检测模块可以是采样磁调制原理的电流传感器，或带有罗氏线圈的漏电流检测器，或交流互感器。

在另一个实施例中，披露了一种基于上述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统的监测方法，每块光伏电池均配置有执行最大功率追踪的电压转换电路，而且与每块光伏电池对应的电压转换电路输出的电压表征该光伏电池提供在所述的电池组串上的实际电压；与多级光伏电池所对应的多级电压转换电路通过串接线相互串联连接，且每块光伏电池均配置有一个漏电流检测模块；该方法包括：任意一个光伏电池被漏电流检测模块测量出来的对地漏电流数据，由与该任意一个光伏电池配置的一个预定的电压转换电路带有的处理器通过该预定的电压转换电路带有的驱动载波发送模块发送到所述串接线上；以及逆变器的控制单元通过其配置的载波接收模块提取所述串接线上的每一个光伏电池的对地漏电流数据，由逆变器的控制单元计算出每一个光伏电池的对地绝缘漏电阻值。

上述方法，任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的前侧输入线上进行测量，光伏电池由前侧输入线向电压转换电路提供光伏电压，此时对地漏电流的测量方案是：测量每个电压转换电路的分别耦合到光伏电池正负极的一组前侧输入线上的电流之差；或任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的后侧输出线上进行测量，电压转换电路由后侧输出线输出其转换的电压，此时对地漏电流的测量方案是：测量每个电压转换电路用于提供其输出电压的一组后侧输出线上的电流之差。

上述的方法，串联的多级光伏电池中的每一级光伏电池的绝缘状态用它的对地绝缘漏电阻值表示；并且，相同的一串的所述电池组串中任意一级光伏电池的对地绝缘漏电阻值等于该一串所述电池组串上引入的所述共模电压除以任意一级光伏电池的对地漏电流。

附图说明

阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的特征和优势将显而易见：

图1是多级光伏电池串联向逆变器供电的范例示意图。

图2是在光伏电池一侧进行漏电流检测的范例示意图。

图3是逆变器和电池组串它们之间引起漏电流的模型。

图4是电池组串用外部载波发送模块来通信的示意图。

图5是电池组串用电压转换电路自身来通信的示意图。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

在业界，光伏发电系统通常由电池板整列和功率逆变部分组成，逆变器和市电交流网之间在常规方案中会设置低频隔离变压器实现并网部分和电池板阵列的电气隔离，其优势不仅在于保证人身安全，还可以提供电压匹配和市电进网电流直流量的分离抑制。但其劣势也是显而易见的，低频变压器在建电网成本和体积及重量方面造成了额外的负担，而且在变流的转换效率上极其低下，对整个光伏发电系统并非是很好的选择。非隔离式的并网逆变器通常不含高频或低频变压器，所以其变换效率较高，而且在体积及成本控制方面也有明显的优势。逆变器在并网过程中摒弃变压器会在光伏电池板阵列和电网之间构建电气连接关系，会造成共模电流的大幅度攀升和随之而来的安全隐患。共模电流的消除成为非隔离式并网逆变系统必须克服的难题，而漏电流/电池支路绝缘状况监控的准确性是我们需要充分考虑的问题，它是消弭漏电流和采取应对措施的前提条件。

参见图1，光伏组件阵列是光伏发电系统从光能到电能转换的基础，图1中显示了光伏组件阵列中安装有基本的多个电池组串101，每一个电池组串101由多个串联连接的光伏组件PV_1、PV_2……光伏组件PV_N串接构成。在本申请中每块光伏组件或称光伏电池PV均配置有执行最大功率追踪演算MPPT的功率优化电路，例如第一级光伏组件PV_1产生的光伏电压由第一个功率优化电路PO_1进行电压转换以执行功率优化，第二级光伏组件PV_2产生的光伏电压由第二个功率优化电路PO_2进行电压转换，依此类推直至第N级的光伏组件PV-N产生的光伏电压由第N级功率优化电路PO_N进行电压转换以执行功率优化，N为自然数。其实与每块光伏电池PV对应的功率优化电路PO输出的电压才可以表征该光伏电池PV提供在光伏电池组串101上的实际电压。假定任意一串的光伏电池组串101串接有第一级光伏组件PV_1、第二级光伏组件PV_2…至第N级的光伏组件PV_N，第一级功率优化电路PO_1用于将第一级光伏电池PV_1的光伏电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V₁，……依此类推，直至第N级功率优化电路PO_N用于将第N级的光伏电池PV_N的光伏电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V_N，可以获悉，任意一串光伏电池组串101上总的串级电压等于：第一级功率优化电路PO_1输出的电压V₁加上第二级功率优化电路PO_2输出的电压V₂然后再加上第三级功率优化电路PO_3输出的电压…直至累加到第N级的功率优化电路PO_N输出的电压V_N，总的串级电压的运算结果就等于V₁+V₂+…V_N。功率优化电路PO可以采用升压型BOOST电压转换电路、降压型BUCK电压转换电路或升降压型BUCK-BOOST电压转换电路等。须强调的是，现有技术中公开的针对光伏电池的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的电压转换电路，本申请不单独对电压转换电路如何执行MPPT予以赘述。图1中，第一级功率优化电路PO_1、第二级功率优化电路PO_2至第N级的功率优化电路PO_N等通过串接线LAN串联连接，串接线LAN上由PO_1至PO_N各自输出的电压所叠加得到的串级电压被输送给类似于汇流箱或逆变器INV等电力设备汇流和逆变后再并网，阵列中多个电池组串101在向逆变器INV供电时是并联关系。

参见图2，第一级功率优化电路PO_1至第N级的功率优化电路PO_N等各个电压转换电路均配置有处理器105，在本领域中BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等电压转换电路执行MPPT是由处理器105输出的脉冲宽度调制信号PWM实现的，本领域的技术人员都知道，脉冲宽度调制信号PWM主要是驱动电压转换电路中的开关元件来实现对电池电压的升压、降压和升降压等。光伏电池PV_N的金属边框一般接到大地，而与此同时光伏电池PV_N的半导体材料或电极并不是直接接到大地，所以光伏电池PV_N本身而言会存在其P型或N型半导体材料的漏电流情况和是否良好绝缘的状况。与多级光伏电池PV_1至PV_N所对应的多级电压转换电路PO_1至PO_N通过串接线LAN相互串联连接，并且每块光伏电池PV_N均配置有一个漏电流检测模块102，这里的漏电流检测模块102或漏电流检测器可以采用现有技术的任何方案，只要能够检测出漏电流均适用于本申请，但是在更佳的方案中，漏电流检测模块102最好采用带有罗氏空心线圈式的漏电流检测器。在图2中，以光伏电池PV_N为例，电压转换电路PO_N对应将光伏电池PV_N产生的光伏电压进行最大功率追踪的电压转换，并且电压转换电路PO_N将自身输出的电压叠加在串接线LAN上。与光伏电池PV_N对应配置的一个漏电流检测模块102检测光伏电池PV_N的对地漏电流的方案是：在电压转换电路PO_N的输入端来检测漏电流，在图2中也即在与光伏电池PV_N对应的电压转换电路PO_N的前侧输入线A或B上进行测量，强调前侧输入线A或B是因为电压转换电路PO_N是通过它们来向电压转换电路PO_N提供MPPT演算前的初级电压，相当于是光伏电池PV_N由前侧输入线A-B向电压转换电路PO_N提供光伏电压。这里前侧输入线A或B在数量上仅仅是示范性的，如电压转换电路PO_N对该光伏电池PV_N的功率优化方式既可以是组件级别的又可以是串级别的。与光伏电池PV_1对应配置的漏电流检测模块102检测光伏电池PV_1的对地漏电流的方案是：在电压转换电路PO_1的输出端来检测漏电流，在图2中也即在与光伏电池PV_1对应的电压转换电路PO_1的后侧输出线C或D上进行测量，强调后侧输出线C或D是因为电压转换电路PO_1是通过它们提供PO_1输出的后级电压，即初级电压/电池电压经转换电路PO_1进行电压转换后的后级电压，相当于电压转换电路PO_1由后侧输出线C或D向串接线LAN上提供输出电压。换言之，在实施光伏电池PV的对地漏电流的检测时，既可以在与被检测的光伏电池PV对应的电压转换电路OP的输入侧检测也可以在电压转换电路OP的输出侧检测，也即：任意一个光伏电池PV_N的对地漏电流在与光伏电池PV_N对应的电压转换电路PO_N的前侧输入线上进行测量，光伏电池PV_N由前侧输入线向电压转换电路PO_N提供光伏电压；或者任意光伏电池PV_1的对地漏电流在与光伏电池PV_1对应的电压转换电路PO_1的后侧输出线上进行测量，电压转换电路PO_1由后侧输出线输出PO_1转换的电压。

参见图2，在可选的实施例中，在与光伏电池PV_N对应的电压转换电路PO_N的前侧输入线A或B上进行测量漏电流时，由于前侧输入线A和B譬如分别耦合到光伏电池PV_N的正极和负极上，测量方案为：连到正极和负极的电缆输入线A和B同时穿过漏电流监测模块102，电缆输入线A和B两者电流之差就是要测量的漏电流，这里所谓的漏电流既可能是直流电流，也可能是高频共模交流的电流。图2中，在其他可选的实施例中，例如在与光伏电池PV_1对应的电压转换电路PO_1的后侧输出线C或D上进行测量漏电流时，由于电压转换电路PO_1通过一组后侧输出线C或D输出该电压转换电路PO_1自身所转换的电压并叠加到该串接线LAN上，此时电缆输出线C和D两者电流之差就是要测量的漏电流，这里漏电流既可能是直流电流也可能是高频共模交流电。在可选的实施例中，漏电流检测模块102可能是采样磁调制原理的电流传感器，也可能是带有罗氏线圈的漏电流检测器，或是采用交流互感器。

参见图2，光伏电池配置PV_1至PV_N各自的电压转换电路PO_1至PO_N还设有处理器、载波发送模块，使光伏电池PV_1至PV_N各自被测量出来的对地漏电流数据由与光伏电池PO_1至PO_N分别对应的电压转换电路PO_1至PO_N带有的处理器通过驱动载波发送模块发送到所述串接线LAN上。逆变器INV配置有控制单元205和载波接收模块201，逆变器INV的控制单元205通过其载波接收模块201提取串接线LAN上的每一个光伏电池PV_1至PV_N的对地漏电流数据，并由逆变器INV的控制单元计算出每一个光伏电池PV_1至PV_N的对地绝缘漏电阻值。每一个电池组串101之中串联的多级光伏电池PV_1至PV_N中的每一级光伏电池的绝缘状态用它的对地绝缘漏电阻值表示，并且任意一级光伏电池PV的对地绝缘漏电阻值等于电池组串101上引入的共模电压除以光伏电池PV的对地漏电流。转换电路PO_1至PO_N各自的处理器105将数据(如光伏电池的漏电流等指定工作参数)通过各种类型的载波发送模块广播到该串接线LAN上之后，其他的电子设备利用解码器就可以在串接线LAN上处对载波解码，作为感测和解码载波信号的一方，参见图2的实施例，逆变器INV的解码器通常带有传感器模块201和带通滤波器模块并且逆变器INV还配置有类似MCU/DSP等的控制单元205来处理数据，电力线LAN穿过传感器模块201(如罗氏空心线圈传感器等)藉此由传感器模块201来侦测传输线LAN上的载波信号，为了更精确的捕获真实的载波数据和屏蔽噪声，带通滤波器模块再对传感器模块201感测到的载波信号进行进一步地滤波，滤除那些不在指定频率范围内的杂波，只有在指定频率范围内的载波才可以表示预期的真实载波信号，控制单元205接收真实载波信号和解码其载波数据/漏电流。

参见图3，逆变器INV将光伏组件阵列PV-ARR的能量逆变成交流电，在图中假定逆变器INV具有第一输入端N_P1和第二输入端N_P2，可提供串级电压的第一串光伏电池组串101的等效阳极连接到逆变器INV的第一输入端N_P1，第一串光伏电池组串101的等效阴极连接到逆变器INV的第二输入端N_P2，相同的道理，可提供串级电压的最后一串的光伏电池组串101的等效阳极连接到逆变器INV的第一输入端N_P1，最后一串的光伏电池组串101的等效阴极连到逆变器INV的第二输入端N_P2。实质上可提供串级电压的任意一串光伏电池组串101的等效阳极连到逆变器INV的第一输入端N_P1，任意一串光伏电池组串101的等效阴极连到逆变器INV的第二输入端N_P2，也即光伏组件先串联后并联的供电模式。参见图3，逆变器INV的逆变电路240可包含H桥电路、半桥电路或者是全桥甚至多相逆变均适合本申请的逆变电路，为了便于理解，图3暂时以H桥作为范例来阐释，其他的逆变电路原理相同而不予赘述。其中H桥有串联在接收直流电的一组输入线L_A和L_B之间的开关管Q₁即上臂和Q₂即下臂，也还包括串联在接收直流电的一组输入线L_A和L_B之间开关管Q₃即上臂和Q₄即下臂，Q₁和Q₂构成一桥臂Bridge1及Q₃和Q₄构成另一桥臂Bridge2。开关管Q₁的一端连到输入线L_A而它的相对另一端和开关管Q₂的一端相连在一桥臂Bridge1的第一中点B1，而开关管Q₂的相对另一端则连到输入线L_B上。与此同时开关管Q₃的一端连到输入线L_A而它的相对另一端和开关管Q₄的一端相连在另一桥臂Bridge2的第二中点B2，而开关管Q₄的相对另一端则连到输入线L_B上面。其中第一桥臂Bridge1的中点B1作为逆变电路240的第一输出端，相对的第二桥臂Bridge2的中点B2作为逆变电路240的第二输出端，控制单元205输出的脉冲宽度调制信号SPWM来控制这个H桥进行直流电到交流电的转换，其实SPWM就是驱动逆变电路中Q₁至Q₄的接通或关断来促使直流到交流的逆变。在图3中，电池组串101的等效正极负极分别耦合到输入线L_A和L_B上，逆变电路240对电池组串101提供的直流电DC进行逆变转换，从第一输出端B1和第二输出端B2输出H桥的交流电部分，输入线L_A耦合到第一输入端N_P1以及输入线L_B耦合到第二输入端N_P2。在一个实施例中还可以设置输入电容C_B和H桥并联，电容C_B也连接在输入线L_A和L_B之间。逆变器除了上文介绍的H桥电路、半桥电路或者是全桥甚至多相、多电平逆变电路之外，逆变器中的类似于上文第一桥臂Bridge1和第二桥臂Bridge2这样的各桥臂支路之间存在的共模电压会激励电池组串101上诱发产生对大地的漏电流，是我们的监控对象。

参见图3，在非隔离型并网逆变器中省略了：滤波器中差模电容、差模电感、共模电感以及共模电容等模型，但展示了光伏电池板正负极对大地的分布电容C_Y1、C_Y2等寄生参数，还展示了H桥中第一中点B1处、第二中点B2处存在的开关管的集电极/源漏极对大地的寄生电容C_B1、C_B2等。光伏电池板对大地的分布电容主要取决于组件所处环境的土壤化学性质、空气湿度、安装方式、电池板面积等。在H桥中由差、共模电压的定义获悉，第一中点B1处电势u_1N和第二中点B2处电势u_2N满足：共模电压u_CM＝(u_1N+u_2N)/2以及差模电压u_DM＝u_1N-u_2N，这是以第一中点B1和第二中点B2作为H桥的输出端得到的差模电压和共模电压的结果，电池组串上各个光伏电池附近的漏电流则主要是由共模电压激励产生。上文已经介绍：光伏电池PV_N的对地漏电流在与光伏电池PV_N对应的电压转换电路PO_N的前侧输入线上进行测量，光伏电池PV_N由前侧输入线向电压转换电路PO_N提供光伏电压；或者光伏电池PV_1的对地漏电流在与光伏电池PV_1对应的电压转换电路PO_1的后侧输出线上进行测量，电压转换电路PO_1由后侧输出线输出PO_1转换的电压。电池组串101上各个光伏电池PV附近传输线上的漏电流则主要是由共模电压激励产生，我们需要对其予以监控。实际上，光伏电池板对大地的分布电容C_Y1、C_Y2等寄生参数，电路中的对地电容例如H桥中第一中点B1处、第二中点B2处存在的寄生电容C_B1、C_B2等寄生参数，决定了漏电流的大小。

参见图4，为了实现这些预定的目标，后续介绍的监测系统集成通信功能，可以将光伏电池所有的工作参数包括漏电流都用电力载波反映到电力线上，它为光伏电站对电池执行故障报警、故障快速定位等提供了合适的解决方案，适用于不同规模的并网或离网型的光伏发电系统。载波发送模块150和处理器105配合使用，处理器105利用漏电流检测模块102将漏电流等一系列的指定工作参数进行采集，注意采集这些工作参数的采集模块属于现有技术，任何可采集电池这些参数的方案均兼容本申请，因此本申请不再单独对现有的采集模块单独阐释。处理器105还可以接收其他电子设备发送到传输线LAN上的数据或指令等信息，并响应和回复。在图2、4所示的实施例中，处理器105为了将数据从电池侧传输到其他可以解码载波信号的一些电子设备，需要配置有耦合到从电力线输线路LAN上的载波发送模块150。在图3中，某个电池组串101耦合到逆变器INV的第一输入端N_P1的传输线LAN(视为电池组串的正极端)和该某个电池组串101耦合到第二输入端N_P2的传输线LAN(视为电池组串的负极端)构成一对传输线，这对传输线作为逆变器的一组电压输入传输线，现有的任意共模电压测量手段均可以在这一对传输线上精确的采集测量到该某个电池组串101上的共模电压，共模电压的测量属于现有技术。另外在上述的H桥中的交流输出端也很容易感测到共模电压，而且现有的任意共模电压测量手段均适用于对H桥中的共模电压进行测量。

参见图4，载波发送模块150包括并联的旁路电容C_BC和第二电阻R₂，还包括开关器件S_BC、第一电阻R₁，在连接关系上：旁路电容C_BC和第二电阻R₂先并联后它们再和开关器件S_BC、第一电阻R₁串联在第一节点ND1和第二节点ND2之间。注意：并联结构(C_BC-R₂)、第一电阻R₁、开关器件S_BC这三者在第一节点ND1和第二节点ND2之间的串联位置关系可以任意对调。例如旁路电容C_BC和第二电阻R₂各自的一端互连后，它们互连的一端与第一节点ND1之间连接有第一电阻R₁，旁路电容C_BC和第二电阻R₂各自的相对另一端互连后再连接到开关器件S_BC的一个端子上，开关器件S_BC的另一个相对的端子则直接连接到第二节点ND2。在载波电路中，可先保持开关器件S_BC处于关断的状态，如果处理器105试图与外部电子设备通过载波建立通信交互，处理器105发送的驱动信号快速从第一逻辑状态(如低电平)翻转成第二逻辑状态(如高电平)然后又回到第一逻辑状态，从而在驱动下接通的开关器件S_BC被接通又关断，该关-开-关的过程可以重复多次。认为在通信阶段：开关器件S_BC的驱动信号具有近乎瞬态跳转的上升沿或下降沿时刻，会接通开关器件S_BC而产生流经载波支路的谐波或称载波电流，该载波将会注入到传输线LAN上。当开关器件S_BC接通的瞬态，这里载波发送模块150的支路中会产生一个流通的电流——即支路中存在的跳变电流的状态是支路中存在着电流，开关器件S_BC关断的瞬态这里载波发送模块150的支路的电流会瞬间切断——支路中跳变电流的状态是支路中不存在电流。按照这种在传输线LAN上扰动的方案，会在载波支路中产生和处理器105输出的用于驱动开关器件S_BC的驱动信号几乎同频率而跳变的电流。所以处理器105控制载波发送模块150就可以将载波信号在第一节点ND1处和/或第二节点ND2处注入到串接传输线LAN上，执行数据的向外传播，而传感器模块201作为接收方则可以在串接线LAN上对载波信号进行捕获，载波在虚线的路径上进行传播。

参见图4，由多个光伏电池PV_1至PV_N串联连接构成电池组串101，每个电池组串101中光伏电池PV_1至PV_N各自的输出电容C_O相互串联连接。任意当前一级的光伏电池PV_K(K≤N)唯一对应的电压转换电路PO_K设置有一个第一节点ND1_K和一个第二节点ND2_K，在它的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间串联连接有该输出电容C_O和控制开关S_O，在控制开关S_O接通的前提下，电压转换电路PO_K从光伏电池PV_K撷取的光伏电压，例如耦合到光伏电池PV_K正负极的前侧输入线C-D将光伏电压输送给电压转换电路PO_K，然后电压转换电路PO_K对光伏电压执行MPPT并输出转换后的电压，电压转换电路PO_K输出的电压施加在电压转换电路PO_K设置的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间的输出电容C_O上，例如电压转换电路PO_K通过耦合到电容C_O第一端的后侧输出线A和耦合到电容C_O第二端的后侧输出线B向输出电容C_O上输出转换后的电压。当前一级的光伏电池PV_K配置的电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K连接到上一级光伏组件PV_K-1配置的电压转换电路PO_K-1设置的第二节点ND2_K-1，以及，当前一级的光伏组件PV_K配置的电压转换电路PO_K的第二节点ND2_K连接到下一级光伏组件PV_K+1所配置的电压转换电路PO_K+1的第一节点ND1_K+1。由于任意当前一级的电压转换电路PO_K的第一节点通过串接线LAN连到相邻上一级电压转换电路PO_K-1的的第二节点，任意当前一级的电压转换电路PO_K的第二节点通过串接线LAN连到相邻下一级电压转换电路PO_K+1的第一节点，按照这种方式，将所有的多级电压转换电路PO_1至PO_N通过串接线LAN予以串联，并且由于任意一级的光伏电池PV_K对应的电压转换电路PO_K配置的输出电容C_O连接在电压转换电路PO_K设置的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间，从而：首个第一级电压转换电路PO_1的输出电容C_O和第二级电压转换电路PO_2的输出电容C_O再和第三级电压转换电路PO_2的输出电容C_O……至末尾最后一级的电压转换电路PO_N的输出电容C_O都通过串接线LAN予以相互串联。其中，在首个第一级电压转换电路PO_1的第一节点和末尾的最后一级的电压转换电路PO_N的第二节点之间提供该一整串的电池组串101的总串级电压，总串级电压也即等于首个第一级电压转换电路PO_1的输出电容C_O上的电压加上第二级电压转换电路PO_2的输出电容C_O上的电压加上再加上第三级电压转换电路PO_2的输出电容C_O上的电压加上……至累加到末尾最后一级的电压转换电路PO_N的输出电容C_O上的电压。详细而言，第一级电压转换电路PO_1将第一级光伏电池PV_1的光伏电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V₁，V₁就施加在电压转换电路PO_1的输出电容C_O两端；…依此类推，直至第N级的电压转换电路PO_N将第N级的光伏电池PV_N的电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V_N，同样的道理V_N就施加在电压转换电路PO_N的输出电容C_O两端。可以获悉，任意一串光伏电池组串101上总的串级电压等于V₁+V₂+…V_N。

参见图4，任意当前一级的光伏电池PV_K对应的电压转换电路PO_K设置有一个第一节点ND1_K和一个第二节点ND2_K，在它的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间串联连接有该输出电容C_O和控制开关S_O。注意多个串联的光伏电池中：其中任意当前的一个电压转换电路发出的载波需要从其他电压转换电路设置的第一节点ND1和第二节点ND2之间传播，所以其他电压转换电路的第一节点ND1和第二节点ND2之间应当建立适当的通信通路。例如：图4中光伏组件PV_1……PV_N串接，我们选择其中的光伏组件PV_K和光伏组件PV_K-1为例来阐明这种通信机制。假定当前第K级的光伏组件PV_K利用电压转换电路PO_K进行功率优化，而同时前一级也即第K-1级的光伏组件PV_K则利用电压转换电路PO_K-1进行功率优化，电压转换电路PO_K和PO_K-1都可以包含上文介绍的BOOST、BUCK、BUCK-BOOST电路，当然功率优化电路也可以采用其他现有技术的功率优化方案。图4中，与光伏组件PV_K唯一对应的电压转换电路PO_K设置有第一节点ND1_K和第二节点ND2_K，在与组件PV_K对应的电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间串联有C_O和S_O。作为对比与光伏组件PV_K-1唯一对应的电压转换电路PO_K-1设置有第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1，此时也还在与光伏组件PV_K-1对应的电压转换电路PO_K-1设置的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间串联有C_O和S_O。

参见图4，在串接的光伏组件PV_1……PV_N中，为了容易区分我们先行定义一个预设/指定的电压转换电路PO_K，在这个预设/指定的电压转换电路PO_K所对应的一个载波发送模块150向串接线LAN发送载波信号的阶段，与该指定的电压转换电路PO_K对应的输出电容C_O串联在一起的控制开关S_O处于关断状态，也即第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间的控制开关S_O处于关断状态，由光伏组件PV_K配套的处理器105驱动开关S_O至进入关断，而电池组串101中除了该指定的光伏组件PV_K之外其他的各个光伏组件各自所对应电压转换电路的控制开关S_O则处于接通状态以构成载波信号的传播通路。例如利用任意的前一级的光伏组件PV_K-1作为电池组串101中除了指定的光伏组件PV_K之外其他的各个光伏组件的一个代表，来详尽的阐释光伏组件PV_K配置的载波发送模块150发送的载波是如何在其他各个光伏组件(例如PV_K-1)各自对应的多级电压转换电路所设置的第一端ND1和第二端ND2之间传播的。

参见图4，先分析各个电容C_O是如何串联的：当前一级的光伏组件PV_K对应的电压转换电路(PO_K)设有的第一节点ND1_K通过传输线LAN直接连接到它前一级的光伏组件PV_K-1对应的电压转换电路(PO_K-1)设有的第二节点ND2_K-1上，同理当前一级的光伏组件PV_K对应的电压转换电路(PO_K)设有的第二节点ND2_K也通过传输线LAN直接连接到它后一级光伏组件PV_K+1对应的电压转换电路(PO_K+1)设有的第一节点ND1_K+1上。基于上述拓扑结构，可以获悉光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K配置的载波发送模块150发送的载波耦合到电压转换电路PO_K设有的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K-1处，还耦合到传输连接线LAN上，且载波信号需要在与光伏组件PV_K-1对应的电压转换电路(PO_K-1)设有的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间传播，也即需要考虑光伏组件PV_K-1配套的处理器105必须将光伏组件PV_K-1配套的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间的开关S_O接通，也即意味着处理器105驱动电压转换电路(PO_K-1)设有的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间设置的开关S_O接通后，光伏组件PV_K/转换电路PO_K所配置的载波发送模块105发送的载波就可以在电压转换电路(PO_K-1)设有的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间的通路上顺畅地传播，否则当前一级光伏组件PV_K发送的载波就会在其他光伏组件PV_K-1的第一节点ND1_K-1和第二节点ND2_K-1之间被断开的控制开关S_O截止/截停，无法在LAN上传播和无法被载波接收模块201感测到。

参见图5，与图4的实施例略有不同，但是也能实现载波的发送。并且也是由多个光伏组件PV_1……PV_N串联连接构成一个电池组串101，每个电池组串101中的多个光伏组件PV_1……PV_N各自的输出电容C_O相互串联连接，多个光伏组件各自对应的输出电容C_O通过传输线路LAN相互串联连接。在图5的实施例中，光伏组件PV_K配置的电压转换电路PO_K设置有第一节点ND1_K和第二节点ND2_K，进一步而言还在光伏电池PV_K配置的电压转换电路PO_K或功率优化电路带有的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间串联连接有控制开关S_O和输出电容C_O。注意图5的实施例中，其控制开关S_O用作产生载波的方式与图4不同，体现在：任意一个光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K的节点ND1_K和ND2_K之间所配置的该控制开关S_O被接通时，与该任意一个光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K处于将从电池PV_K接收的电压予以转换输出的第一工作模式。注意电压转换电路PO_K处于第一工作模式是指处理器105输出的PWM驱动电压转换电路执行功率优化的过程。与之相反的情况是，如果任意一个光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K的节点ND1_K和ND2_K之间所配置的该控制开关S_O被关断时，则与该任意一个光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K处于将在高低电平间跳变的激励脉冲Signal耦合到所述传输线路LAN上作为载波信号的第二工作模式。其中激励脉冲Signal源于：原本用于驱动电压转换电路PO_K的脉冲宽度调制信号PWM迫使该电压转换电路PO_K输出的电压(也即是从第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间输出的电压)随着脉冲宽度调制信号PWM的频率而发生阶跃变化，从第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间输出的阶跃电压视为激励脉冲Signal。

参见图5，以与光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K为例，电压转换电路PO_K的输出电压输出在第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间的输出电容C_O上，此时电压转换电路PO_K设置的控制开关S_O和输出电容C_O串联在电压转换电路PO_K设置的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间。常规阶段，在电压转换电路PO_K的控制开关S_O被接通时，电压转换电路PO_K将其接收的光伏电池执行MPPT予以电压转换输出在输出电容C_O上，在此阶段，毫无疑虑电压转换电路PO_K体现出是一个正常的电压转换器voltage converter并且能够输出较为正常的平稳电压，虽然电压转换电路PO_K输出的电压会带有纹波，但输出电压基本会稳定在电压上限值V_UPPER和下限值V_LOWER之间的范围，输出电压的最高纹波幅值不超过V_UPPER，最低纹波幅值不低于V_LOWER。这也即与任意一个光伏组件PV_K对应的电压转换电路PO_K处于将从光伏组件PV_K接收的电压予以升压、降压、升降压转换输出的第一工作模式。

参见图5，一旦处理器105将与光伏电池PV_K对应的电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K间所设置的控制开关S_O关断，电压转换电路PO_K将输出激励脉冲而不是平稳的电压值。缘由在于：在此时原本驱动电压转换电路PO_K的脉冲宽度调制信号PWM迫使电压转换电路PO_K输出的电压随着脉冲宽度调制信号的频率而发生阶跃变化。原因是由于电压转换电路PO_K输出的转换电压原本打算输出在输出电容C_O上，但是此阶段发现输出电容C_O却被强制从电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间断开，导致第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间的电压值随着原本用来调制电压转换电路PO_K的脉冲宽度调制信号的频率而发生相同频率的阶跃变化，电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间输出的阶跃电压被视为激励脉冲Signal。以这种方案，特意诱使电压转换电路PO_K的总输出电压在高低电平间跳变，激励脉冲Signal的正向幅值大于上限值V_UPPER而其负向幅值低于下限值V_LOWER，从传串接路LAN上很容易从稳定的平稳电压中捕获激励脉冲。电压转换电路PO_K将在高低电平间跳变的激励脉冲(其与驱动电压转换电路PO_K的脉冲调制信号PWM的频率基本相同)耦合到串接起各个电容C_O的传串接路LAN上作为载波信号，因此关断开关S_O造成的激励脉冲Signal被视为载波信号。

参见图5，处理器105传输数据的通信方法的实现方案为：在处理器105利用载波信号发送二进制数据0(或1)的时间段T，处理器105控制带有开关S_O的电压转换电路PO_K的控制开关S_O在时间段T的任意一个周期内一直接通，使电压转换电路PO_K在该周期内进入在正常电压转换的第一工作模式而不输出任何形式的激励脉冲，所以电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间输出的平稳电压表示产生的码元为0(或1)。相反的是，在处理器105利用载波信号发送二进制数据1(或0)的时间段T，处理器105控制带有开关S_O的电压转换电路PO_K的开关S_O在该时间段T的任意一个周期内至少关断一次，使电压转换电路PO_K在该周期内至少进入一次非正常电压转换的第二工作模式而输出不低于一簇该激励脉冲Signal，所以电压转换电路PO_K的第一节点ND1_K和第二节点ND2_K之间输出的电压的跳变阶跃变化表示了产生的码元为1(或0)。在优选的实施例中，时间段T内第一个周期输送的首个起始字节/起始位时最好是用出现至少一次激励脉冲来表示，这是因为激励脉冲Signal能明显的区别于电压转换电路PO_K输出的平稳电压，起始字节用出现非正常的电压转换的第二工作模式而非一直维持在正常的第一电压工作模式，能够轻易地的辨别出电压转换电路PO_K传输数据的通信程序已经开启，载波信号在虚线所示的路径上进行传播。

参见图5，很明显与光伏电池PV_K对应的电压转换电路PO_K在发送载波信号的阶段该电压转换电路PO_K体现出的不是一个正常的电压转换器voltage converter，无法输出较为正常的平稳电压值，此时驱动电压转换电路PO_K的脉冲宽度调制信号原本是用于执行MPPT演算的，但由于控制开关S_O被关断导致脉冲宽度调制信号PWM成为激励脉冲产生的源头。图5的实施例与图4相比，电压转换电路PO_K自身直接兼作载波发送电路，无需再设置图4那样的额外的载波发送模块150，图5的整个电路结构更为简洁和容易设计版图而且在元器件上节省了成本。

以上通过说明和附图的内容，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (3)

1.一种用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其特征在于：

由多级光伏电池串联连接在一起构成一个电池组串，电池组串上的总电压提供给逆变器执行直流电到交流电的逆变；

还包括：

漏电流检测模块，用于检测电池组串中的每一个光伏电池由于受到逆变器中各桥臂支路之间存在的共模电压的激励所诱发产生的对地漏电流；

每块光伏电池均配置有执行最大功率追踪的电压转换电路；以及

与每块光伏电池对应的电压转换电路输出的电压表征该光伏电池提供在所述的电池组串上的实际电压；

电池组串中每一个光伏电池各自配置的电压转换电路均设有第一和第二节点，每个电压转换电路的实际电压都输出在其第一和第二节点之间；以及

每个电压转换电路设置的第一和第二节点之间串联连接有输出电容和控制开关，并且还在该第一和第二节点之间连接有载波发送模块；

其中：任意一个电压转换电路配置的控制开关被接通时，该任意一个电压转换电路处于将接收的光伏电压予以转换输出的第一工作模式；

任意一个电压转换电路所配置的控制开关被关断时，该任意一个电压转换电路处于将在高低电平间跳变的激励脉冲耦合到传输线路上作为载波信号的第二工作模式；

激励脉冲源于：用于驱动电压转换电路的脉冲宽度调制信号迫使该电压转换电路输出的电压随着脉冲宽度调制信号的频率而发生阶跃变化，输出的阶跃电压视为激励脉冲。

2.根据权利要求1所述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其特征在于：

与多级光伏电池所对应的多级电压转换电路通过串接线相互串联连接，且每块光伏电池均配置有一个漏电流检测模块；

其中：

任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的前侧输入线上进行测量，光伏电池由前侧输入线向电压转换电路提供光伏电压，此时对地漏电流是每个电压转换电路的分别耦合到光伏电池正负极的一组前侧输入线上的电流之差；或者

任意一个光伏电池的对地漏电流在与之对应的一个电压转换电路的后侧输出线上进行测量，电压转换电路由后侧输出线输出其转换的电压，此时对地漏电流是每个电压转换电路用于提供其输出电压的一组后侧输出线上的电流之差。

3.根据权利要求2所述的用于检测光伏电池组串绝缘状态的监测系统，其特征在于：

串联的多级光伏电池中的每一级光伏电池的绝缘状态用它的对地绝缘漏电阻值表示；

并且任意一级光伏电池的对地绝缘漏电阻值等于所述共模电压除以它的对地漏电流。

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