基于直流漏電流檢測(cè)的光伏匯流箱系統(tǒng)

陳鳴 肖慧明

摘 要： 以C8051F020 型單片機(jī)為控制中心，采用一種通過(guò)檢測(cè)光伏直流系統(tǒng)對(duì)地漏電流來(lái)探測(cè)光伏回路正負(fù)極接地電阻和判斷光伏回路接地故障支路的新方法，研制出新的光伏直流接地探測(cè)系統(tǒng)。利用光伏匯流的電流檢測(cè)功能，尋找出光伏陣列電流數(shù)值不同的支路，結(jié)合探測(cè)光伏回路正負(fù)極接地電阻，從而發(fā)現(xiàn)光伏陣列回路的對(duì)地故障。該方法無(wú)須給光伏支路施加任何信號(hào)，對(duì)光伏系統(tǒng)無(wú)任何不良影響，檢測(cè)結(jié)果不受分布電容的影響，檢測(cè)電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞： 直流漏電流； 光伏匯流箱； 電流檢測(cè)； 故障支路選線

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0147?03

Photovoltaic combiner box system based on DC leakage current detection

CHEN Ming1， 2， XIAO Huiming3

（1. Institute for Solar Energy Systems， Sun Yat?sen University， Guangzhou 510006， China；

2. Guangdong Key Laboratory of Photovoltaic Technologies， Guangzhou 510006， China；

3. China Singyes Solar Technologies Holdings Ltd.， Zhuhai 519060， China）

Abstract： A novel method of detecting the ground leakage current by photovoltaic DC system to explore the positive and negative poles earth resistance of the photovoltaic circuit and judge the earth fault branch of the photovoltaic circuit is proposed， which takes C8051F020 as the control center. A novel photovoltaic DC grounding detection system was developed. The current detection function of photovoltaic confluence is used to search which branche in the photovoltaic array has different current value， and find out the earth fault of the photovoltaic array circuit in combination with the detected positive and negative poles earth resistance of the photovoltaic circuit. It is unnecessary to add any signals to the photovoltaic branches in this method. This method has no adverse effect on the photovoltaic system. The detection results are not affected by the distribution capacitance， and is relatively simple.

Keywords： DC leakage current； photovoltaic combiner box； current detection； line selection of fault branch

在傳統(tǒng)化石能源不斷減少的今天，同時(shí)人們認(rèn)識(shí)到火力發(fā)電排放大量的污染物對(duì)環(huán)境造成了十分嚴(yán)重的危害；為了降低污染物的排放，采用新能源發(fā)電是減小污染物排放的一個(gè)重要途徑。而光伏發(fā)電[1]作為一種高度清潔的能源技術(shù)，幾乎不產(chǎn)生污染物，越來(lái)越得到大家的重視。隨著光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大，根據(jù)太陽(yáng)電池的串并聯(lián)特性[2]，同時(shí)為了減少光伏陣列與后級(jí)的連接線，方便維護(hù)，提高可靠性，使光伏匯流箱得到廣泛應(yīng)用。特別是大型屋頂光伏電站，由于施工時(shí)不小心、雨水浸入、較惡劣工作環(huán)境、老鼠啃咬、老化等原因，造成導(dǎo)線的絕緣受到破壞出現(xiàn)接地，引起漏電產(chǎn)生電弧，伴隨著電弧，大量的電能轉(zhuǎn)換為熱能的形式，使電弧處的溫度極高；不用很高的電壓和很大的電流就能維持相當(dāng)長(zhǎng)的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅[3]，使屋面受損，極易引起火災(zāi)事故。

目前對(duì)光伏匯流箱[4?6]研究多是涉及到測(cè)量來(lái)自光伏電池陣列的電流、輸出電壓，監(jiān)測(cè)匯流箱內(nèi)部的防雷器等工作狀態(tài)。本文針對(duì)光伏直流系統(tǒng)的接地狀況，研發(fā)了具有直流漏電流檢測(cè)的光伏匯流箱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)RS 485總線傳送到中央控制電腦上。

1 漏電流檢測(cè)法的原理

正常情況下，由晶硅太陽(yáng)電池組成的光伏陣列形成的直流電源的正、負(fù)極對(duì)地是絕緣的；當(dāng)陣列中某一回路發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，在一般情況下并不影響整個(gè)直流系統(tǒng)的運(yùn)行。光伏電源的正、負(fù)極，由于電氣材料的物理特性、 環(huán)境因素（如濕度、鹽度等）的影響，對(duì)地都存在一定的等效電阻，系統(tǒng)不同，等效電阻的數(shù)值也不同，這樣等效電阻稱為系統(tǒng)的固有電阻RI，同時(shí)光伏陣列到匯流箱的導(dǎo)線長(zhǎng)度一般不會(huì)大于500 m，所以在研究光伏陣列輸電回路時(shí)沒(méi)有必要考慮電線對(duì)地的分布電容影響，如圖1所示。

正常情況下，接地點(diǎn)相對(duì)于負(fù)端電壓為光伏端電壓的一半，由光伏陣列電壓而引起的漏電流為光伏陣列電壓與2倍的固有電RI的比值。即：

[IL=U2RI] （1）

當(dāng)陣列光伏回路的正極或負(fù)極的某一點(diǎn)出現(xiàn)接地故障時(shí)，此處假設(shè)正極接地，接地電阻為RS，則通過(guò)RS也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接地漏電流ILS，并且引起地電位的變化，此時(shí)對(duì)地電壓和流經(jīng)電阻RS的漏電流分別為：

[Up=URSRI+2RS] （2）

[ILS=URI+2RS] （3）

從式（3）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏回路的固有電阻RI較大時(shí)，即使出現(xiàn)嚴(yán)重的接地故障（電阻RS數(shù)值很小），漏電流主要由RI決定，這會(huì)造成漏電流數(shù)值太小，使測(cè)量不夠準(zhǔn)確，出現(xiàn)誤判，若能夠減小RI的數(shù)值，則在同樣的RS下，漏電流的數(shù)值會(huì)有所增加，從而擴(kuò)大RS 的變動(dòng)范圍和提高的檢測(cè)精度。

2 基于漏電流檢測(cè)的接地電阻檢測(cè)系統(tǒng)的硬件

設(shè)計(jì)

2.1 漏電流的檢測(cè)

本文采用直流回路的線對(duì)地絕緣電阻的檢測(cè)方法，不需要電流傳感器，具有功率電路與檢測(cè)電路輸出隔離等特點(diǎn)，具體電路如圖2所示。圖2中直流回路的對(duì)地絕緣電阻是R1，系統(tǒng)正常時(shí)，正負(fù)支路的對(duì)地電阻很大，通過(guò)對(duì)地電阻的泄漏電流可忽略，R1是待測(cè)參數(shù)，由于光伏逆變器的輸入電壓多是在800 V左右，光電藕合器的選擇需要注意耐壓。G1，G2為監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的電平信號(hào)，當(dāng)G1為高電平，G2為低電平時(shí)，光耦U1，U2導(dǎo)通，光伏陣列正極+SP通過(guò)已知電阻R4和對(duì)地絕緣電阻R1，到光伏陣列負(fù)極-SP，因?yàn)閷?duì)地絕緣電阻很大，而R4是已知的，所以流過(guò)光耦U2的電流很小，在電阻R8的電壓降幾乎可以不計(jì)；如果這時(shí)負(fù)極對(duì)地出現(xiàn)絕緣損壞，引起絕緣電阻R1值下降，這樣在電阻R8上電壓數(shù)值就反應(yīng)了負(fù)極對(duì)地的漏電流的大小，即：

[IL=UR1+R4] （4）

如果選擇光耦的電流傳輸比為1，則R8的電壓為

[V8=R8IL=UR8R1+R4] （5）

即電壓V8正比于漏電流IL，并通過(guò)濾波環(huán)節(jié)送到單片機(jī)的端口；同樣當(dāng)G1為低電平，G2為高電平時(shí)，可在電阻R9上得到電壓V9，它反應(yīng)了正極對(duì)地的漏電流的大小，V8，V9的電壓就反應(yīng)出光伏陣列回路的負(fù)、正極對(duì)地的漏電流情況。為了使電路正常工作，G1，G2應(yīng)該是互補(bǔ)的。產(chǎn)生互補(bǔ)信號(hào)的電路如圖3所示。D1是有單片機(jī)產(chǎn)生的控制數(shù)字信號(hào)，同時(shí)通過(guò)與非門增加了控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

2.2 單片機(jī)外圍電路

用于匯流箱的監(jiān)控系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為核心，將它的16個(gè)ADC口，分別接受8個(gè)光伏陣列回路的正負(fù)對(duì)地漏電流16個(gè)信號(hào)，將它的另外8個(gè)ADC口作為8個(gè)光伏陣列回路的電流檢測(cè)信號(hào)接收端，同時(shí)利用16個(gè)I/O口分別作為8個(gè)控制數(shù)字信號(hào)和8個(gè)光伏陣列回路的正負(fù)極對(duì)地漏電流的故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)測(cè)量光伏陣列的電壓、電流和溫度值，因而基于直流漏電流檢測(cè)的光伏匯流箱系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 直流漏電流檢測(cè)的光伏匯流箱系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于直流漏電流檢測(cè)的光伏匯流箱系統(tǒng)是同時(shí)具有檢測(cè)光伏陣列的工作電流和光伏陣列正負(fù)極對(duì)地的漏電流。由于光伏陣列線纜隨著環(huán)境變化其固定電阻的數(shù)值也不同，而根據(jù)式（3）可知，光伏陣列正負(fù)極對(duì)地的漏電流大小主要由固定電阻的數(shù)值來(lái)確定，造成故障支路判斷不精確，采用查找每一光伏陣列的電流差值，再結(jié)合光伏陣列正負(fù)極對(duì)地電阻的大小，可以較為準(zhǔn)確地判斷故障支路。

這樣軟件的功能包括：逐個(gè)讀入各光伏陣列支路的霍爾傳感器的輸出數(shù)值和陣列正、 負(fù)極對(duì)地電壓，由此計(jì)算光伏陣列各支路對(duì)地等效電阻，并判斷故障支路；讀入支路電流方向；進(jìn)行接地極性指示、故障支路號(hào)顯示和故障電阻數(shù)值的顯示，并通過(guò)串行口送出遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)和輸出本地聲音報(bào)警信號(hào)。檢測(cè)裝置的軟件框圖如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于大、中型光伏電站在運(yùn)行三、四年后都會(huì)出現(xiàn)故障，故障類型多為光伏陣列支路對(duì)地短路，引起漏電產(chǎn)生電弧。本文采用通過(guò)檢測(cè)光伏直流系統(tǒng)對(duì)地漏電流來(lái)探測(cè)光伏回路正負(fù)極接地電阻，利用光伏匯流箱的電流檢測(cè)功能，尋找光伏匯流支路電流數(shù)值不同的支路；結(jié)合探測(cè)光伏回路正負(fù)極接地電阻，可以確定光伏陣列中對(duì)地故障的支路。同時(shí)無(wú)須給光伏支路施加任何信號(hào)，對(duì)光伏系統(tǒng)無(wú)任何不良影響，檢測(cè)結(jié)果不受分布電容的影響。檢測(cè)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因而具有良好的應(yīng)用前景和較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 劉祝鴻，陳鳴.太陽(yáng)電池組件中電池的失配現(xiàn)象研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33（12）：2074?2079.

[3] 夏天偉.電器學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 沙濤，彭柱椋.太陽(yáng)能光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2013，26（3）：69?71.

[5] 海濤，鄧力涌，韋皓，等.一種基于LabVIEW的光伏匯流箱監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2014（5）：58?60.

[6] 史朝暉，劉曉茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2011（3）：76?79.