CN115656637B - 一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法，它含一个光伏板负极对大地的电压采样电路、两个继电器和三个平衡电阻。为平衡光伏板负极与大地之间的采样电阻，在光伏板正极与大地之间始终并联一个与其阻值相当的平衡电阻，实现在绝缘性能正常时光伏板负极与大地之间采样点电压不会出现极小的情况，降低了对采样精度的要求。在光伏板正负极与大地之间分别并联一个由继电器和与临界绝缘阻值相当的平衡电阻相串联的支路，当某一极阻抗下降时，将另一极继电器闭合，提高采样电压对电路阻抗变化的敏感度，从而准确计算出电路的实际阻抗值。本发明能够在低精度电压采样下得到准确的绝缘阻抗计算值，大大降低硬件成本并提高检测可靠性。

Description

一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法。

背景技术

由于光伏电池板为露天放置，受极端天气的影响以及器件老化等诸多因素的影响，光伏电池板正负极对地的绝缘阻抗值会发生变化，这不仅会影响到光伏发电系统的正常运行，还可能会威胁到人身安全。根据国标NB/T 32004-2018的要求，与不接地的光伏方阵连接的逆变器应在系统启动前测量组件方阵输入端与地之间的直流绝缘阻抗。如果阻抗小于U_max，pv/30mA (U_max，pv是光伏方阵最大输出电压)，逆变器应该指示故障，并限制其接入电网。

现有的单路光伏输入绝缘阻抗检测方法(俞雁飞，倪华等.光伏电池板对地绝缘阻抗检测电路：201610963955.6[P].2016-10-28)和双路光伏输入绝缘阻抗检测方法(叶海军，孙耀杰. 双路光伏输入的绝缘阻抗检测电路及检测方法：201210564984[P].2012 -12-24)所提出的绝缘阻抗电路方程都只是在理论上可解。在实际中，其必须要求电压采样精度达到小数点后4至5位才可能够较为准确的反推出绝缘阻抗值。这是因为在光伏组件对地绝缘阻抗正常的工况下，由于地线对光伏板负极的采样电阻R_zs1+R_zs2比光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X小很多，往往会导致地线对光伏板负极的采样电压U_GO非常小，很难准确采集到电压的真实值。此外，在光伏组件对地绝缘阻抗仅一个发生异常的工况下，光伏板正负极与地之间的阻抗大小将不在一个量级上，这会导致地线对光伏板负极的采样电压U_GO对线路上阻抗的变化不敏感，产生检测盲区。

此外，一种低成本的光伏绝缘阻抗检测方法(孙佳明，李世军等.一种光伏逆变器的对地绝缘阻抗检测电路：202021920587.5[P].2020.09.04)利用逆变桥上的开关管来代替了传统绝缘阻抗检测电路中的继电器，从而节约了检测系统的成本。但是该方法也只能在电压采样精度达到小数点后4至5位才可能够较为准确的反推出绝缘阻抗值。

发明内容

本发明针对现有的绝缘阻抗检测方案需要在采样精度很高的时才能够较为准确的反推出相应的阻抗值，本发明提供一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法，为平衡光伏板负极与大地之间的采样电阻，在光伏板正极与大地之间始终并联一个与其阻值相当的平衡电阻，实现在绝缘性能正常时光伏板负极与大地之间采样点电压不会出现极小的情况，降低了对采样精度的要求。在光伏板正负极与大地之间分别并联一个由继电器和与临界绝缘阻值相当的平衡电阻相串联的支路，当某一极阻抗下降时，将另一极继电器闭合，提高采样电压对电路阻抗变化的敏感度，从而准确计算出电路的实际阻抗值。本发明能够在低精度电压采样下得到准确的绝缘阻抗计算值，大大降低硬件成本并提高检测可靠性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路，所述检测电路包括一个电压采样电路，用来采集光伏板负极对大地的电压U_GO；两个继电器S₁、S₂；三个平衡电阻R₁、R₂、R₃，通过控制两个继电器的开通关断，并利用所述采样电路的采样电压和已知的光伏板电压反推出绝缘阻抗值，所述的第一继电器S₁和第一平衡电阻R₁串联之后，并联在第三平衡电阻R₃和光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X两端。第二继电器S₂和第二平衡电阻R₂串联之后，并联在光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y两端。

一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路的检测方法，所述低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路中第一继电器S₁和第二继电器S₂均处于关断状态，采集地线对光伏板负极的电压为U_{GO_1}，并结合光伏板的采样电压U_{PV_1}，计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}，B＝0.5U_{PV_1}，通过A的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断系统绝缘阻抗处于何种状态；

当A＞0且nA＞B，其中n＞3，此时判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X过低；

当A＜0且-nA＞B其中n＞3，此时判断光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y过低；

当以上两种情况均不满足时，判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y均过低或均处于正常状态。

当判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X过低时，会将第二继电器S₂闭合，第一继电器S₁关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_2}，并结合判断系统绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程解出光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X；

当判断光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y过低时，会将第一继电器S₁闭合，第二继电器 S₂关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_3}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_3}，并结合判断系统绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程解出光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y；

当判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y均过低或均处于正常状态时，会将第二继电器S₂闭合，第一继电器S₁关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_2}，并结合判断系统绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程求解出光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和R_Y；

将计算出的R_X和R_Y，按照标准与光伏最大电压U_max，pv除以30mA得到的值进行比较，当计算出来的阻值时，绝缘阻抗通过，当计算出来的阻值时，绝缘阻抗未通过。

本发明所设计的检测方法是一种成本低并且准确度高的检测方法。“成本低”的优势主要体现在，该检测方法要求的电压采样精度为小数点后一位即可。“准确度高”的优势主要体现在，即使电压采样精度只取到小数点后一位，在各种工况下，计算的绝缘阻抗与实际的绝缘阻抗值之间的最大误差百分比也仅有2.62％。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1)该技术方案在电压采样精度较低的条件下依旧能够准确的反推出绝缘阻抗值；2)该方案的检测盲区更小；3)该方案的抗干扰能力更强。

附图说明

图1是本发明的主电路图；

图2是本发明第一继电器S₁和第二继电器S₂均处于关断状态的电流通路图；

图3是本发明第二继电器S₂闭合，第一继电器S₁关断的电流通路图；

图4是本发明第一继电器S₁闭合，第二继电器S₂关断的电流通路图；

图5是本发明实施方式的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法，通过控制两个继电器的开通关断，使采样电压对电路阻抗变化非常敏感，实现了在低精度电压采样下准确的计算出绝缘阻抗值。大大降低了硬件成本，并且提高了检测系统的可靠性。

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明：

实例案例：参见图1，是光伏绝缘阻抗检测电路的主电路，包括两个电压采样电路，分别用于检测光伏板正极对光伏板负极的电压U_PV和地线对光伏板负极的电压U_GO；两个继电器S₁、S₂；三个平衡电阻R₁、R₂、R₃。为了验证提供的光伏绝缘阻抗检测电路和检测方法的可行性，我们将光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和光伏板负极对地的待测绝缘阻抗 R_Y分为了四种不同的工况进行了仿真验证，具体的实施流程图见附图5。仿真电路中采样电阻和平衡电阻的阻值如表1所示，四种工况下R_X和R_Y的阻值如表2所示，光伏模拟器的开路电压设为200V：

表1、采样电阻和平衡电阻的阻值(Ω)

R1	R2	R3	Rsz1	Rsz2
					30K	30K	10M	9.96M	51K

表2、不同工况下R_X和R_Y的阻值(Ω)

工况1：

首先控制器控制继电器S₁和S₂均处于关断状态，此时的电流通路图参见图2。光伏板正极对光伏板负极的采样电压为U_{PV_1}＝199.9V，地线对光伏板负极的采样电压为 U_{GO_1}＝94.1V。计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}＝-5.85，B＝0.5U_{PV_1}＝99.95。根据A的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断系统绝缘阻抗当前处于状态3。

此时，控制器将继电器S₂闭合，继电器S₁关断，此时的电流通路图参见图3，光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}＝199.9V，地线对光伏板负极的电压采样为 U_{GO_2}＝1.2V。将两次的采样值代入状态3对应的求解公式

可以得到R_X＝9.738MQ，R_Y＝7.822MΩ。

工况2：

首先控制器控制继电器S₁和S₂均处于关断状态，此时的电流通路图参见图2。光伏板正极对光伏板负极的采样电压为U_{PV_1}＝199.9V，地线对光伏板负极的采样电压为 U_{GO_1}＝6.1V。计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}＝-93.85，B＝0.5U_{PV_1}＝99.95。根据A的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断系统绝缘阻抗当前处于状态2。

此时，控制器将继电器S₁闭合，继电器S₂关断，此时的电流通路图参见图4。光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_3}＝199.9V，地线对光伏板负极的电压采样为 U_{GO_3}＝69.3V。将两次的采样值代入状态2对应的求解公式：

可以得到R_Y＝14997Ω。

工况3：

首先控制器控制继电器S₁和S₂均处于关断状态，此时的电流通路图参见图2。光伏板正极对光伏板负极的采样电压为U_{PV_1}＝199.9V，地线对光伏板负极的采样电压为 U_{GO_1}＝195.5V。计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}＝-95.55，B＝0.5U_{PV_1}＝99.95。根据A 的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断系统绝缘阻抗当前处于状态1。

此时，控制器将继电器S₂闭合，继电器S₁关断，此时的电流通路图参见图3。光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}＝199.9V，地线对光伏板负极的电压采样为 U_{GO_2}＝125.9V。将两次的采样值代入状态1对应的求解公式：

可以得到R_X＝16986Ω。

工况4：

首先控制器控制继电器S₁和S₂均处于关断状态，此时的电流通路图参见图2。光伏板正极对光伏板负极的采样电压为U_{PV_1}＝199.9V，地线对光伏板负极的采样电压为 U_{GO_1}＝96.5V。计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}＝-3.45，B＝0.5U_{PV_1}＝99.95。根据A的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断系统绝缘阻抗当前处于状态3。

此时，控制器将继电器S₂闭合，继电器S₁关断，此时的电流通路图参见图3。光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}＝199.9V，地线对光伏板负极的电压采样为 U_{GO_2}＝77.8V。将两次的采样值代入状态3对应的求解公式

可以得到R_X＝14959Ω，R_Y＝13959Ω。

综上所述，四种绝缘阻抗工况下，利用本发明提供的低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路及检测方法得到的结果如表3所示。从表中的结果可以看出，在采样仅精确到小数点后一位的限制下，最大的估计误差为2.62％，检测准确度高，这是现有的绝缘阻抗检测方法很难做到的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路的检测方法，所述低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路，所述检测电路包括一个电压采样电路，用来采集光伏板负极对大地的电压U_GO；两个继电器S₁、S₂；三个平衡电阻R₁、R₂、R₃，通过控制两个继电器的开通关断，并利用所述采样电路的采样电压和已知的光伏板电压反推出绝缘阻抗值，第一继电器S₁和第一平衡电阻R₁串联之后，并联在第三平衡电阻R₃和光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X两端，第二继电器S₂和第二平衡电阻R₂串联之后，并联在光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y两端，其特征在于：所述低成本光伏板对地绝缘阻抗检测电路中第一继电器S₁和第二继电器S₂均处于关断状态，采集地线对光伏板负极的电压为U_{GO_1}，并结合光伏板的采样电压U_{PV_1}，计算A＝U_{GO_1}-0.5U_{PV_1}，B＝0.5U_{PV_1}，通过A的正负性，以及A与B之间的数量关系，来判断光伏板绝缘阻抗处于何种状态；

当A＞0且nA＞B，其中n＞3，此时判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X过低；

当A<0且-nA＞B其中n＞3，此时判断光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y过低；

当以上两种情况均不满足时，判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y均过低或均处于正常状态；

当判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X过低时，会将第二继电器S₂闭合，第一继电器S₁关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_2}，并结合判断光伏板绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程解出光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X；

R_zs1+R_zs2为光伏板负极对地的采样电阻；

当判断光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y过低时，会将第一继电器S₁闭合，第二继电器S₂关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_3}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_3}，并结合判断光伏板绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程解出光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y；

当判断光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和光伏板负极对地的待测绝缘阻抗R_Y均过低或均处于正常状态时，会将第二继电器S₂闭合，第一继电器S₁关断，此时光伏板正极对光伏板负极的电压采样为U_{PV_2}，地线对光伏板负极的电压采样为U_{GO_2}，并结合判断光伏板绝缘阻抗处于何种状态中的电压采样值，列出两个二元一次方程求解出光伏板正极对地的待测绝缘阻抗R_X和R_Y；

将计算出的R_X和R_Y，按照标准与光伏最大电压U_max，pv除以30mA得到的值进行比较，当计算出来的阻值时，绝缘阻抗通过，当计算出来的阻值时，绝缘阻抗未通过。