CN203396844U

CN203396844U - 用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统

Info

Publication number: CN203396844U
Application number: CN201320331926.XU
Authority: CN
Inventors: 周锟荫; 苏潮; 王建军; 于虹
Original assignee: Guangdong Mingyang Longyuan Power Electronics Co Ltd
Current assignee: Guangdong Mingyang Longyuan Power Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2023-06-08

Abstract

本实用新型公开了用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，包括：不平衡电桥，该不平衡电桥包括上臂桥、下壁桥以及设置在上臂桥或下壁桥上的切换电路；上臂桥的一端与光伏电池正母线PV+连接，下壁桥的一端与光伏电池负母线PV-连接，上臂桥和下壁桥的另一端相连且与地之间设有开关；电压采样电路，用于采集光伏电池正母线PV+对地电压和地对负母线PV-的电压信号；微处理器，与电压采样电路的输出端连接且处理电压采样电路的输出电压以获取所测电阻，并控制所述切换电路和开关的工作；本实用新型能对测试对象正负电阻比例情况作预分析，合理自动变换接入不同比例电桥电阻对，具有极高的测量可行性与测量精度。

Description

用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种对地绝缘电阻检测系统，尤其是用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统。

背景技术

在当今传统能源日益紧张与环境不断恶化的全球背景下，寻找新的替代能源变得尤为重要，而其中太阳能的利用尤为特出。太阳能以其可再生、资源丰富、安全性、清洁能源等特性一直为人们所关注。随着光伏发电技术的不断提高与应用成本的下降，光伏发电己在全球大面积铺开，而在各个国家政策的利好作用下，光伏发电当前也正处在快速增长的时候。

从光伏发电自身技术出发，虽然当前光伏发电技术己相对成熟，但随着产品现场应用的增多与时间累积，一些本是忽略的问题也相对凸显出来，并得到了行业的重视。而光伏现场太阳能电池组件方阵正负直流母线对地绝缘电阻问题也正是其中的一个。

在光伏现场电池组件使用时间的累积、日晒、水淋等环境影响下，电池组件及其连接电缆有可能老化、绝缘电阻下降等问题。而雷击、光伏现场场地施工等都有可能对电池组件、连接电缆等带来不确定性的损坏，其都将有可能导致绝缘电阻下降，如电缆破损暴露于泥土中，电池组件破损导至电池连接件与支架短路等情况。

就电力设施的电气安全考虑，绝缘电阻过小问题有可能导致直流系统对地放电、交流电网透过逆变器系统对直流端对地绝缘电阻过小处进行对地放电、直流系统正负母线对地电位失衡等问题，而问题严重的情况下有可能导致发电系统器件损坏、并网逆变器并网异常故障、网侧变压器故障、以至电网故障等情况。

鉴于以上情况，设计出一个有效的光伏现场太阳能电池组件方阵绝缘电阻检测方法十分重要。

目前己有的实现方案包括以下：

（1）部分逆变器采用固定电阻接入分压法，采样分压值，与固定预知状态比较，实现绝缘电阻分析，这种测量方法不灵活，在标准变化情况下，要更改硬件才能使用；

（2）部分逆变器采用固定电桥接入检测法，如图1所示，光伏电池正母线PV+、负母线PV-的对地电阻分别为RU、RD，电桥由Rx、Ry构成，Rx与Ry之间的结点与地之间设有开关K，其原理是：采样接入电桥前与接入电桥后电压情况，计量正负母线对地绝缘电阻，实现绝缘电阻分析，假设检测到接入电桥前正母线PV+对地电压为UU1、地对负母线PV-电压为UD1，就有关系方程（1）：RU/RD= UU1/UD1；假设检测到接入电桥后正母线PV+对地电压为UU2、地对负母线PV-电压为UD2，就有关系方程（2）：（RU//Rx）/（RD//Ry）= UU2/UD2；结合关系方程（1）与（2），就能求出RU、RD，但是这种检测方案在外部被测对地电阻比例（RU/RD）与接入电桥电阻比例（Rx/Ry）相近时，不能有效测量出绝缘电阻。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统。

本实用新型采用的技术方案是：用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，包括：

不平衡电桥，该不平衡电桥包括上臂桥、下壁桥以及设置在上臂桥或下壁桥上的切换电路，该切换电路用于改变上臂桥或下壁桥的阻值；所述上臂桥的一端与光伏电池正母线PV+连接，所述下壁桥的一端与光伏电池负母线PV-连接，所述上臂桥和下壁桥的另一端相连且与地之间设有开关；

电压采样电路，用于采集光伏电池正母线PV+对地电压和地对负母线PV-的电压信号；

微处理器，与电压采样电路的输出端连接且处理电压采样电路的输出电压以获取光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻，并控制所述切换电路和开关的工作；

电源模块，用于为不平衡电桥、电压采样电路及微处理器供电。

所述上臂桥为串联的电阻R1、R2，所述切换电路并联在电阻R1两端。

所述切换电路为第五继电器控制单元，包括继电器K5、与继电器K5线圈并联的二极管D2、集电极与二极管D2正极相连的三极管Q2，所述三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R4与微处理器的控制端口相连，所述二极管D2负极连接电源模块的输出端。

所述开关为第四继电器控制单元。

所述不平衡电桥的两端及其上臂桥和下壁桥连接点分别与光伏电池正母线PV+、光伏电池负母线PV-、地之间分别设有第一、第三、第二继电器控制单元，所述第一、第三、第二继电器控制单元受控于微处理器。

所述电压采样电路为两路运放与若干降压电阻、调理电阻组成的两组差分采样电路。

所述电压采样电路设有信号钳位电路，所述信号钳位电路由两个钳位二极管组成。

所述微处理器连接有信号输入电路、信号输出电路、UART通信串行口。

所述微处理器由PIC单片机与若干系统电阻、电容配件组成。

所述电源模块包括电源防反接电路、与电源防反接电路输出端连接的DC/DC隔离供电电源电路，所述电源防反接电路与外部直流电源连接。

本实用新型的有益效果：

（1）在保护标准合理变动范围内，无需变更电路器件，只需对微处理器中程序写入的适用保护标准进行更改，则可使用于不同的保护要求下；

（2）测量应用电路可就适用环境进行部分电路器件合理变更，无需更改电路原理与电路PCB板件，方可适用于不同的应用标准要求下，并有利于提高测量的精度；

（3）在光伏发电系统内，采用己有直流系统电压，加外部接入电桥方式对串接两电阻对象进行测量，实现容易、稳定；

（4）就光伏发电系统电池组件方阵正负直流母线对地绝缘电阻在正常情况下多为近似的情况，系统接入电桥为不平衡电桥电阻对，可适用于大部分应用现场情况，无需不平衡电桥变换电路启动；

（5）能对测试对象正负电阻比例情况作预分析，合理自动变换接入不同比例电桥电阻对，具有极高的测量可行性与测量精度；

（6）采用继电器控制单元接入主电路，让继电器控制单元在未收到检测命令时脱开与主电路的连接，实现物理隔离，保证继电器控制单元的工作受控与电气安全。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的说明。

图1是传统对地绝缘电阻与接入的电桥检测模型图；

图2是本实用新型对地绝缘电阻检测系统的原理框图；

图3是不平衡电桥的电路图；

图4是电压采样电路的电路图；

图5是微处理器的电路图；

图6是信号输入电路的电路图；

图7是信号输出电路的电路图；

图8是UART通信串行口示意图；

图9是电源模块的电路图；

图10本实用新型对地绝缘电阻检测流程图。

具体实施方式

参考图2、图3所示，用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，包括：

不平衡电桥1，该不平衡电桥1包括上臂桥11、下壁桥12以及设置在上臂桥11或下壁桥12上的切换电路13，该切换电路13用于改变上臂桥11或下壁桥12的阻值；上臂桥11的一端与光伏电池正母线PV+连接，下壁桥12的一端与光伏电池负母线PV-连接，上臂桥11和下壁桥12的另一端相连且与地之间设有开关K；

电压采样电路2，用于采集光伏电池正母线PV+对地电压和地对负母线PV-的电压信号；

微处理器MCU，与电压采样电路2的输出端连接且处理电压采样电路2的输出电压以获取光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻，并控制所述切换电路13和开关K的工作；微处理器MCU连接有信号输入电路5、信号输出电路6、UART通信串行口7；

电源模块3，用于为不平衡电桥1、电压采样电路2、微处理器MCU、信号输入电路5、信号输出电路6及UART通信串行口7供电。

如图3，上臂桥11为串联的电阻R1、R2，切换电路13并联在电阻R1两端。切换电路13为第五继电器控制单元，包括与R13并联的继电器K5、与继电器K5线圈并联的二极管D2、集电极与二极管D2正极相连的三极管Q2，所述三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R4与微处理器MCU的控制端口相连，二极管D2负极连接电源模块3的输出端；开关K为受控于微处理器MCU的第四继电器控制单元。

此外，不平衡电桥1的两端及其上臂桥11和下壁桥12连接点分别与光伏电池正母线PV+、光伏电池负母线PV-、地之间分别设有第一K1、第三K3、第二K2继电器控制单元，所述第一K1、第三K3、第二K2继电器控制单元受控于微处理器MCU。

如图4，电压采样电路2为两路运放U1A、U1B与若干降压电阻、调理电阻组成的两组差分采样电路。其中，第一组降压电阻第一路电阻串R11连接K1、R1连接点，第一组降压电阻第二路电阻串R12连接K2、K4连接点，第一组降压电阻第一路电阻串另一端R27与运放U1A正输入连接，第一组降压电阻第二路电阻串另一端R28与运放U1A负输入连接，运放U1A正输入经电阻R7与电源地连接，运放U1A负输入经电阻R32与U1A输出连接，U1A输出经一电阻R34与微处理器MCU一路采样AD接口IO连接；第二组降压电阻第二路电阻串R14连接K3、R3连接点，第二组降压电阻第一路电阻串R13连接K2、K4连接点，第二组降压电阻第一路电阻串另一端R29与运放U1B正输入连接，第二组降压电阻第二路电阻串另一端R30与运放U1B负输入连接，运放U1B正输入经电阻R31与电源地连接，运放U1B负输入经电阻R33与U1B输出连接，U1B输出经一电阻R35与微处理器MCU另一路采样AD接口IO连接；

另外，电压采样电路2设有信号钳位电路4，所述信号钳位电路4由两个钳位二极管D9、D10组成。在信号钳位电路4中，在微处理器MCU采样AD前端接钳位二极管D9、D10，D9上管接5V电源正，D9下管接地，D9中点接采样信号输入电阻R34与微处理器MCU的AD连接端；D10上管接5V电源正，D10下管接地，D10中点接采样信号输入电阻R35与微处理器MCU的AD连接端；运放U1A输入正负端接TVS管D7，运放U1B输入正负端接TVS管D8。

如图5所示，微处理器MCU由PIC单片机与若干系统电阻、电容配件组成。微处理器MCU由5V电源供电，其输出5路IO分别连接继电器K1、K2、K3、K4、K5驱动电阻R9、R5、R6、R8、R4的另一端；微处理器MCU输出2路IO分别连接光耦U3输出正、光耦U5输入负，微处理器MCU输出1路IO连接LED1，LED1另一端口经电阻R38连接到5V电源正。

如图6，为信号输入电路5的电路图，检测输入信号端J5一端口经一电阻R37出光耦U3正输入连接，检测输入信号端J5另一端口与光耦U3负输入连接，光耦U3输出正与电阻R39连接，R39别一端与+5V连接，光耦U3输出负与电源地连接，光耦U3输出正与微处理器MCU的IO信号端口连接。

如图7，为信号输出电路6的电路图，状态输出信号微处理器MCU的IO与光耦U5输入负连接，光耦U5输入正经一个电阻与5V电源正连接；光耦U5输出正经一个电阻与检测输出端一端口连接；光耦U5输出负与检测输出端另一端口连接。

图8是UART通信串行口示意图，其信号端第一端口与5V电源正连接，第二端口接电源地，第三端口485CTL、第四端口485TX、第五端口485RX均与微处理器MCU端口连接。

图9是电源模块3的电路图，包括电源防反接电路31、与电源防反接电路31输出端连接的DC/DC隔离供电电源电路32，所述电源防反接电路31与外部24V直流电源连接，本技术方案中5V电源正均由DC/DC隔离供电电源电路32引出。此外，在DC/DC隔离供电电源电路32中设有与5V电源正连接LED2阳极，LED2阴极经一电阻R10与5V电源地连接，此LED2用于电源工作指示。

参考图10，为本实用新型对地绝缘电阻检测流程图，其中光伏电池正母线PV+、负母线PV-的对地电阻分别为RU、RD，包括以下步骤：

（1）开始绝缘检测：接通电源，输入开始检测指令；

（2）不带电桥第一次采样：微处理器MCU控制继电器K1、K2、K3闭合，电压采样电路2采集光伏电池正母线PV+对地电压UU1和地对负母线PV-的电压UD1，得到方程式：RU/RD= UU1/UD1；

（3）采样电压异常判定：若UU1>0&&UD1>1，则进入下一步；否则结束检测，标记异常，储存并反馈给控制系统；

（4）判定电阻对等度后带切换模式第二次电压采样，若0.9<（UU1/UD1）/（（R1+R2）/R3）<1.1，则闭合K4、K5，电压采样电路2采集光伏电池正母线PV+对地电压UU2和地对负母线PV-的电压UD2，得到方程：（RU//R2）/（RD//R3）= UU2/UD2；否则闭合K4，电压采样电路2采集光伏电池正母线PV+对地电压UU2和地对负母线PV-的电压UD2，得到方程（RU//（R1+R2））/（RD//R3）= UU2/UD2；

（5）绝缘电阻计量和储存：结合步骤（2）和步骤（4）中的两方程，计算出RU、RD，并储存UU1、UD1、UU2、UD2、RU、RD。

本实用新型直流母线对地绝缘电阻检测系统在保护标准合理变动范围内，无需变更电路器件，只需对微处理器中程序写入的适用保护标准进行更改，则可使用于不同的保护要求下；测量应用电路可就适用环境进行部分电路器件合理变更，无需更改电路原理与电路PCB板件，方可适用于不同的应用标准要求下，并有利于提高测量的精度；在光伏发电系统内，采用己有直流系统电压，加外部接入电桥方式对串接两电阻对象进行测量，实现容易、稳定；就光伏发电系统电池组件方阵正负直流母线对地绝缘电阻在正常情况下多为近似的情况，系统接入电桥为不平衡电桥电阻对，可适用于大部分应用现场情况，无需不平衡电桥变换电路启动；能对测试对象正负电阻比例情况作预分析，合理自动变换接入不同比例电桥电阻对，具有极高的测量可行性与测量精度；采用继电器控制单元接入主电路，让继电器控制单元在未收到检测命令时脱开与主电路的连接，实现物理隔离，保证继电器控制单元的工作受控与电气安全。

以上所述仅为本实用新型的优先实施方式，本实用新型并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本实用新型目的的技术方案都属于本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于包括：

不平衡电桥（1），该不平衡电桥（1）包括上臂桥（11）、下壁桥（12）以及设置在上臂桥（11）或下壁桥（12）上的切换电路（13），该切换电路（13）用于改变上臂桥（11）或下壁桥（12）的阻值；所述上臂桥（11）的一端与光伏电池正母线PV+连接，所述下壁桥（12）的一端与光伏电池负母线PV-连接，所述上臂桥（11）和下壁桥（12）的另一端相连且与地之间设有开关（K）；

电压采样电路（2），用于采集光伏电池正母线PV+对地电压和地对负母线PV-的电压信号；

微处理器，与电压采样电路（2）的输出端连接且处理电压采样电路（2）的输出电压以获取光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻，并控制所述切换电路（13）和开关（K）的工作；

电源模块（3），用于为不平衡电桥（1）、电压采样电路（2）及微处理器供电。

2.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述上臂桥（11）为串联的电阻R1、R2，所述切换电路（13）并联在电阻R1两端。

3.根据权利要求2所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述切换电路（13）为第五继电器控制单元，包括继电器K5、与继电器K5线圈并联的二极管D2、集电极与二极管D2正极相连的三极管Q2，所述三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R4与微处理器的控制端口相连，所述二极管D2负极连接电源模块（3）的输出端。

4.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述开关（K）为第四继电器控制单元。

5.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述不平衡电桥（1）的两端及其上臂桥（11）和下壁桥（12）连接点分别与光伏电池正母线PV+、光伏电池负母线PV-、地之间分别设有第一、第三、第二继电器控制单元，所述第一、第三、第二继电器控制单元受控于微处理器。

6.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述电压采样电路（2）为两路运放与若干降压电阻、调理电阻组成的两组差分采样电路。

7.根据权利要求6所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述电压采样电路（2）设有信号钳位电路（4），所述信号钳位电路（4）由两个钳位二极管组成。

8.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述微处理器连接有信号输入电路（5）、信号输出电路（6）、UART通信串行口（7）。

9.根据权利要求8所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述微处理器由PIC单片机与若干系统电阻、电容配件组成。

10.根据权利要求1所述的用于光伏发电系统的直流母线对地绝缘电阻检测系统，其特征在于：所述电源模块（3）包括电源防反接电路（31）、与电源防反接电路（31）输出端连接的DC/DC隔离供电电源电路（32），所述电源防反接电路（31）与外部直流电源连接。