CN112083230B - 并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法 - Google Patents

并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法。该对地绝缘阻抗检测电路包括扰动电阻及电压采样装置，逆变桥的距母线电容最近的桥臂包括相互串联的第一开关和第二开关，第一开关的一端电性连接于正直流母线，第二开关的一端电性连接于负直流母线，扰动电阻的第一端接地，扰动电阻的第二端电性连接于第一开关和第二开关的中间点，电压采样装置连接于扰动电阻和负直流母线之间。该检测方法包括：驱动逆变桥的全部开关断开，记录该状态的采样电压Vpe1；驱动第二开关闭合，保持其他开关断开，记录该状态时的采样电压Vpe2；计算得到对地绝缘阻抗
Figure DDA0002668413360000011
其中，R为所述扰动电阻的电阻值。本发明可以快速求解出绝缘阻抗大小，而且硬件成本较低。

Description

并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法
技术领域
本发明属于光伏并网逆变器绝缘阻抗检测领域，涉及一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法。
背景技术
在光伏逆变系统中，光伏并网逆变器的对地绝缘阻抗的保护十分重要。各个地区或者国家都对其做了很明确的规定，必须满足输入端对大地(机壳)的绝缘阻抗小于规定的阈值标准方能使用。检测绝缘阻抗的方式也很多，绝大多数均基于基尔霍夫定律来求解得到，这些方法还涉及到等效无穷大的解法，较为复杂。且电路设计均采用面板输入侧的信号量，对硬件成本也比较高。
中国专利CN105548719B即公开了一种对地绝缘电阻的检测电路及方法，其基于图1所示的对地绝缘电阻检测电路检测光伏逆变器的绝缘阻抗。其中，电阻R01和R02为待检测器件的对地绝缘阻抗的等效电阻，电阻R30、R40、R50、R60和开关Q10构成检测电路的拓扑结构。该检测电路通过引入电阻扰动，以及根据基尔霍夫定律求解电阻R01和R02的电阻值。然而，这种绝缘阻抗检测电路及方法中，通过等效计算公式求解来得到对地绝缘阻抗，硬件上面需要辅助至少一个开关，通过开关的开闭和输入侧电压来求解等效公式，在光伏逆变器原有的电路上增加了开关等器件，硬件成本较高，且算法复杂，计算量较大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种改进的并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及方法。
本发明一方面提供一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路，包括正直流母线、负直流母线、电性连接于所述正直流母线和所述负直流母线之间的母线电容及逆变桥，所述逆变桥至少包括距所述母线电容最近的第一桥臂，所述第一桥臂包括相互串联的第一开关和第二开关，所述第一开关的一端电性连接于所述正直流母线，所述第二开关的一端电性连接于所述负直流母线，所述对地绝缘阻抗检测电路还包括扰动电阻及电压采样装置，所述扰动电阻的第一端接地，所述扰动电阻的第二端电性连接于所述第一开关和所述第二开关的中间点，所述电压采样装置电性连接于所述扰动电阻和所述负直流母线之间；所述对地绝缘阻抗检测电路还包括控制器，所述控制器用于在第一状态时驱动所述逆变桥的全部开关断开及在第二状态时驱动所述第二开关闭合而其他开关保持断开。
优选地，所述控制器用于根据下式计算得到所述并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso
Figure BDA0002668413340000021
其中，R为所述扰动电阻的电阻值，Vpe1和Vpe2分别为所述第一状态和所述第二状态时的采样电压。
优选地，所述控制器用于实时或定时接收所述电压采样装置获取的采样电压。
可选地，所述逆变桥包括但不限于：H4逆变桥、H6逆变桥，所述第一逆变桥为H4逆变桥或H6逆变桥的距正直流母线和负直流母线的输入端最近的一个电桥。
在一具体的实施例中，所述逆变桥还包括第二桥臂，所述第二桥臂与所述第一桥臂相互并联，所述第二桥臂包括相互串联的第三开关及第四开关，所述第三开关的一端电性连接于所述正直流母线，所述第四开关的一端电性连接于所述负直流母线，所述第一开关、所述第三开关及所述第四开关在所述第一状态及所述第二状态时均保持断开。
进一步地，所述第一桥臂的输出通过一设置有第一电感的连接线电性连接至交流输出端正极，所述第二桥臂的输出通过一设置有第二电感的连接线电性连接至交流输出端负极。
优选地，所述控制器和所述电压采样装置电性连接。
优选地，所述控制器和所述逆变桥的各开关电性连接。
本发明另一方面提供一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测方法，其采用如上所述的对地绝缘阻抗检测电路，所述对地绝缘阻抗检测方法包括如下步骤：
A、驱动所述逆变桥的全部开关断开，记录该状态时所述电压采样装置获取的采样电压Vpe1；
B、驱动所述第二开关闭合，保持其他开关断开，记录该状态时所述电压采样装置获取的采样电压Vpe2；
C、根据下式计算得到所述并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso
Figure BDA0002668413340000031
其中，R为所述扰动电阻的电阻值。
优选地，所述对地绝缘阻抗检测方法还包括如下步骤：将所述电压采样装置获取的采样电压送入所述控制器，所述控制器定时更新一次所述采样电压。
优选地，所述对地绝缘阻抗检测方法还包括如下步骤：当所述对地绝缘阻抗Xiso小于设定阈值时，所述并网逆变器进入下一状态检测；当所述对地绝缘阻抗Xiso大于或等于设定阈值时，所述并网逆变器重新自检。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路及对地绝缘阻抗检测方法，基于现有的硬件逆变拓扑结构，不需要增加其他继电器等开关，并通过对BUS电压的复用，可以快速求解出绝缘阻抗大小，而且硬件成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种并网逆变器对地绝缘阻抗检测电路的硬件拓扑；
图2为根据本发明实施例的一种对地绝缘阻抗检测电路的硬件拓扑；
图3为根据本发明实施例的一种对地绝缘阻抗检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以图2所示的H4逆变器为例，来对本发明实施例的一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路和对地绝缘阻抗检测方法进行详细说明。并网逆变器的硬件拓扑可以扩充到任意形式，如H6逆变桥等。
参照图2，并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路包括：正直流母线Vbus+、负直流母线Vbus-、母线电容C及逆变桥。其中，正直流母线Vbus+和负直流母线Vbus-分别具有位于并网逆变器的直流侧的输入端，用于电性连接光伏面板。母线电容C也位于并网逆变器的直流侧，母线电容C的第一端电性连接于正直流母线Vbus+，第二端电性连接于负直流母线Vbus-。逆变桥包括相互并联的第一桥臂1和第二桥臂2，第一桥臂1距母线电容C最近，也即距正直流母线Vbus+和负直流母线Vbus-的输入端最近。第一桥臂1包括相互串联的第一开关K1和第二开关K3，第一开关K1的一端电性连接于正直流母线Vbus+，第二开关K3的一端电性连接于负直流母线Vbus-。第二桥臂2包括相互串联的第三开关K4及第四开关K2，第三开关K4的一端电性连接于正直流母线Vbus+，第四开关K2的一端电性连接于负直流母线Vbus-。第一桥臂1和第二桥臂2的输出分别电性连接至并网逆变器的交流输出端正极和交流输出端负极，该交流输出端正极和交流输出端负极可以电性连接至电网，将经逆变桥转换后的交流电馈入电网AC中。具体地，第一开关K1和第二开关K3的中间点通过一设置有第一电感L1的连接线电性连接至并网逆变器的交流输出端正极；第三开关K4和第四开关K2的中间点通过一设置有第二电感L2的连接线电性连接至交流输出端负极。第一开关K1、第二开关K3、第三开关K4及第四开关K2分别并联有一整流二极管。
进一步地，该对地绝缘阻抗检测电路还包括扰动电阻R及电压采样装置Vpe。扰动电阻R的第一端接地PE，扰动电阻R的第二端电性连接于第一开关K1和第二开关K3的中间点。电压采样装置Vpe电性连接于正直流母线Vbus+和扰动电阻R之间，电压采样装置Vpe用于采集负直流母线Vbus-对地PE的电压。电压采样装置Vpe可以为由运算放大器等构成的电压采样电路，对正直流母线Vbus+对地的电压模拟信号进行采样，并转换为MCU能够识别的数字信号。扰动电阻R和电压采样装置Vpe均位于母线电容C和逆变桥的第一桥臂1之间。
进一步地，该对地绝缘阻抗检测电路还包括控制器，该控制器用于在第一状态时驱动逆变桥的全部开关断开及在第二状态时驱动第二开关K3闭合而其他开关保持断开。控制器可具体包括MCU。
控制器和电压采样装置Vpe电性连接，用于实时或定时接收电压采样装置Vpe获取的采样电压。
控制器和逆变器的各开关(包括第一开关K1、第二开关K3、第三开关K4及第四开关K2)电性连接。当控制器向开关输出低电平驱动信号后，开关断开。当控制器向开关输出高电平驱动信号后，开关闭合。
该对地绝缘阻抗检测电路的检测原理如下：
首先，控制器控制逆变桥所有的逆变桥臂的开关K1-K4均断开，使并网逆变器处于第一状态，直流母线电压对地的采样电压在该状态下的值可表达为式(1)：
Figure BDA0002668413340000051
将式(1)优化为式(2)
Vpe1*X1+Vpe1*X2＝X2*Vbus (2)
进一步优化为式(3)
Figure BDA0002668413340000052
然后，控制器控制第二开关K3闭合，使并网逆变器处于第二状态，直流母线电压对地的采样电压在该状态下的值可表达为式(4)
Figure BDA0002668413340000053
将式(3)代入式(4)得到式(5)
Figure BDA0002668413340000054
进一步优化得到式(6)
Figure BDA0002668413340000055
更进一步优化得到式(7)
Vpe2*(Vpe1*X1+R*Vbus)＝Vpe1*R*Vbus (7)
可以得到式(8)
Figure BDA0002668413340000061
从硬件的原理上面，可以得到总的绝缘阻抗Xiso＝X1//X2，并结合式(3)，可以得到式(9)
Figure BDA0002668413340000062
再通过
Figure BDA0002668413340000063
可以最终得到式(10)
Figure BDA0002668413340000064
上述推导过程中，X1是正直流母线Vbus+对地PE的等效绝缘阻抗，X2是负直流母线Vbus-对地PE的等效绝缘阻抗，R为扰动电阻量，Vbus为直流母线电压。
因而，控制器可以根据下式计算得到并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso
Figure BDA0002668413340000065
其中，R为所述扰动电阻的电阻值，Vpe1和Vpe为所述第一状态和所述第二状态时电压采样装置采样获得的采样电压。
参照图3，本实施例的并网逆变器的对地绝缘阻抗检测方法包括如下步骤：
S1、将采样电压Vpe送入MCU，MCU每20ms更新一次该采样电压；
S2、逆变器进入wait自检模式，MCU控制开关K1～K4的驱动，等待T1延时，将驱动信号拉低，开关K1～K4全部断开，此时，记录该状态时电压采样装置获取的采样电压Vpe1；
S3、等待T2延时，将第二开关K3的驱动信号置高，此时第二开关K3闭合，其他三个开关均断开，此时，记录该状态时所述电压采样装置获取的采样电压Vpe2；
S4、等待T3延时，根据公式
Figure BDA0002668413340000066
最终计算并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso；
S5、判断条件：当Xiso小于软件预设阈值Xset，机器进入下一状态功能检测；当Xiso大于或等于软件预设阈值Xset，逆变器报对地绝缘阻抗错误，逆变器重新自检。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测电路，包括正直流母线、负直流母线、电性连接于所述正直流母线和所述负直流母线之间的母线电容及逆变桥，所述逆变桥至少包括距所述母线电容最近的第一桥臂，所述第一桥臂包括相互串联的第一开关和第二开关，所述第一开关的一端电性连接于所述正直流母线，所述第二开关的一端电性连接于所述负直流母线，其特征在于：所述对地绝缘阻抗检测电路还包括扰动电阻及电压采样装置，所述扰动电阻的第一端接地，所述扰动电阻的第二端电性连接于所述第一开关和所述第二开关的中间点，所述电压采样装置电性连接于所述扰动电阻和所述负直流母线之间；所述对地绝缘阻抗检测电路还包括控制器，所述控制器用于在第一状态时驱动所述逆变桥的全部开关断开及在第二状态时驱动所述第二开关闭合而其他开关保持断开。
2.根据权利要求1所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述控制器用于根据下式计算得到所述并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso
Figure FDA0004132898140000011
其中，R为所述扰动电阻的电阻值，Vpe1和Vpe2分别为所述第一状态和所述第二状态时的采样电压。
3.根据权利要求1或2所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述控制器用于实时或定时接收所述电压采样装置获取的采样电压。
4.根据权利要求1所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述逆变桥还包括第二桥臂，所述第二桥臂与所述第一桥臂相互并联，所述第二桥臂包括相互串联的第三开关及第四开关，所述第三开关的一端电性连接于所述正直流母线，所述第四开关的一端电性连接于所述负直流母线，所述第一开关、所述第三开关及所述第四开关在所述第一状态及所述第二状态时均保持断开。
5.根据权利要求4所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述第一桥臂的输出通过一设置有第一电感的连接线电性连接至交流输出端正极，所述第二桥臂的输出通过一设置有第二电感的连接线电性连接至交流输出端负极。
6.根据权利要求1所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述控制器和所述电压采样装置电性连接。
7.根据权利要求1所述的对地绝缘阻抗检测电路，其特征在于：所述控制器和所述逆变桥的各开关电性连接。
8.一种并网逆变器的对地绝缘阻抗检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的对地绝缘阻抗检测电路，所述对地绝缘阻抗检测方法包括如下步骤：
A、驱动所述逆变桥的全部开关断开，记录该状态时所述电压采样装置获取的采样电压Vpe1；
B、驱动所述第二开关闭合，保持其他开关断开，记录该状态时所述电压采样装置获取的采样电压Vpe2；
C、根据下式计算得到所述并网逆变器的对地绝缘阻抗Xiso
Figure FDA0004132898140000021
其中，R为所述扰动电阻的电阻值。
9.根据权利要求8所述的对地绝缘阻抗检测方法，其特征在于，所述对地绝缘阻抗检测方法还包括如下步骤：将所述电压采样装置获取的采样电压送入所述控制器，所述控制器定时更新一次所述采样电压。
10.根据权利要求8所述的对地绝缘阻抗检测方法，其特征在于，所述对地绝缘阻抗检测方法还包括如下步骤：当所述对地绝缘阻抗Xiso小于设定阈值时，所述并网逆变器进入下一状态检测；当所述对地绝缘阻抗Xiso大于或等于设定阈值时，所述并网逆变器重新自检。
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