改進的光伏陣列直流絕緣檢測方法

■ 吳兆吉汪海寧孫琳琳耿愛玲

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院；2. 北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司)

改進的光伏陣列直流絕緣檢測方法

■ 吳兆吉1*汪海寧1孫琳琳2耿愛玲2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院；2. 北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司)

基于常見的直流絕緣檢測方法設(shè)計出3種針對光伏陣列的直流絕緣檢測的改進方法，分別為改進的平衡電橋法、改進的直流法和改進的低頻探測法；詳細(xì)分析了每種方法的原理，并給出直流絕緣檢測電路圖；通過實驗驗證了3種電路的有效性和實用性。

光伏陣列；直流絕緣檢測；平衡電橋法；直流法；低頻探測法

0　引言

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)電安全性和供電安全性越來越受到人們的重視。直流系統(tǒng)作為光伏電站中電氣設(shè)備的保護、控制和數(shù)據(jù)傳輸裝置的主要電源，對整個光伏系統(tǒng)的安全運行起著重要作用，因此直流供電系統(tǒng)的安全十分重要[1]。直流系統(tǒng)常見故障為一點或多點接地，可能會導(dǎo)致繼電器或保護裝置誤動作，從而導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

國內(nèi)外的研究機構(gòu)對直流系統(tǒng)絕緣檢測做出了大量的研究，主要研究方向是平衡電橋法及低頻探測法[2]。

對于平衡電橋法的改進，文獻(xiàn)[3,4]通過分別改變橋臂電阻阻值，求得正、負(fù)母線對地絕緣電阻大小。平衡電橋法能夠檢測正負(fù)母線絕緣電阻同時下降的情況，但測量精度不高。文獻(xiàn)[1]在變電橋法的基礎(chǔ)上減少了開關(guān)個數(shù)，使用單開關(guān)進行操作，減少了因開關(guān)切換帶來的電壓不平衡波動。文獻(xiàn)[5,6]綜合了平衡電橋和變電橋的綜合采樣法，在正、負(fù)直流母線對地絕緣阻抗相同或相近的情況下仍能分別檢測出正、負(fù)直流母線對地的絕緣阻抗值，但橋臂增多加大了阻抗配置的難度。

對于低頻探測法的改進，文獻(xiàn)[7]根據(jù)低頻探測法的原理，重點研究了在強噪聲情況下探測信號的檢測方法，但是硬件電路設(shè)計復(fù)雜，難以實現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出了超低音頻交流電壓信號注入法，將單一頻率的電壓信號改進為由兩個頻率合成的電壓信號，能夠減小分布電容的影響，但是增加了直流系統(tǒng)的電壓紋波。文獻(xiàn)[8]采用了直流方法，直接測量直流系統(tǒng)的漏電流，設(shè)計了一個實時在線的絕緣檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)絕緣分級管理，系統(tǒng)環(huán)路診斷。

市場上常見的直流絕緣檢測裝置多基于在平衡電橋法上進行改進，能夠檢測正、負(fù)直流母線絕緣阻抗同時下降的情況，提高了檢測精度。本文主要工作是基于平衡電橋法、直流法和低頻探測法設(shè)計出適用于光伏陣列的直流絕緣檢測的硬件電路，并通過設(shè)計的絕緣檢測測試電路驗證了絕緣檢測電路的有效性。

1　光伏陣列直流絕緣檢測方法原理和分析

1.1平衡電橋法檢測原理和分析

平衡電橋法就是在直流支路正、負(fù)導(dǎo)線之間接入一個電阻橋路，使其與正、負(fù)直流母線對地絕緣電阻組成一個電橋；當(dāng)直流母線出現(xiàn)接地點時，與其相連的電阻兩端電壓降低，另一橋臂兩端電壓升高；通過橋路電阻兩端電壓的升降可判斷直流系統(tǒng)的絕緣情況。平衡電橋法拓?fù)湓韴D如圖1所示。

圖1　平衡電橋法原理圖

設(shè)Vdc為直流導(dǎo)線電壓，絕緣阻抗下降導(dǎo)致的負(fù)極漏電和正極漏電如圖1b和圖1c所示；無漏電時如圖1a所示，i=0。當(dāng)負(fù)極絕緣電阻下降時(見圖1b)，流經(jīng)N至GND的電流為同理，當(dāng)正極絕緣電阻下降時(見圖1c)，流經(jīng)N至GND的電流為由于Vdc和R是已知的，通過測量i，可得漏電阻抗

1.2直流法檢測原理和分析

由串聯(lián)在正、負(fù)導(dǎo)線上的電流霍爾檢測漏電流，以判斷直流系統(tǒng)有無接地。當(dāng)電流霍爾檢測到漏電流時，表明直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地點，需要及時處理故障；當(dāng)電流霍爾未檢測到漏電流時，表明直流系統(tǒng)絕緣情況良好。直流法檢測適用于系統(tǒng)中只存在直流電源的情況下，原理如圖2所示。

圖2　直流法原理圖

設(shè)Vdc為直流導(dǎo)線電壓，有絕緣阻抗下降導(dǎo)致的負(fù)極漏電和正極漏電如圖2b和圖2c所示；無漏電時如圖2a所示。K1或K2閉合時，霍爾上沒有電流流過；當(dāng)負(fù)極絕緣電阻下降時(見圖2b)，開關(guān)K1閉合時，漏電流從正極經(jīng)過大地到絕緣電阻r再返回負(fù)極；同理，當(dāng)正極絕緣電阻下降時(見圖2c)，開關(guān)K2閉合時，漏電流從正極到絕緣電阻r經(jīng)過大地返回負(fù)極。由于Vdc和R是已知的，通過測量i，即可得到漏電阻抗

1.3低頻探測法檢測原理和分析

低頻探測法是向正、負(fù)直流母線對地交替注入一個低頻交流信號，若直流母線上有接地點，所加的低頻電壓信號就會通過對地電阻產(chǎn)生交流漏電流，通過檢測到的漏電流大小可確定該支路的絕緣情況及絕緣電阻的大小。低頻探測法原理圖如圖3所示。

圖3　低頻探測法原理圖

設(shè)Vac為交流探測信號電壓，有絕緣阻抗下降導(dǎo)致的負(fù)極漏電和正極漏電如圖3b和圖3c所示，無漏電時如圖3a所示。當(dāng)直流母線未出現(xiàn)接地故障時，直流母線上只有交流電壓，沒有交流電流；當(dāng)負(fù)極絕緣電阻下降時(見圖3b)，向負(fù)直流母線對地注入交流電壓信號，連接在負(fù)直流母線上的電流霍爾可檢測出交流漏電流；同理，當(dāng)正極絕緣電阻下降時(見圖3c)，向正直流母線對地注入交流電壓信號，連接在正直流母線上的電流霍爾可檢測出交流漏電流。由于Vac是已知的，通過測量i，即可得到漏電阻抗

2　改進的光伏陣列直流絕緣檢測硬件電路和分析

2.1改進的平衡電橋法絕緣檢測硬件電路和分析

改進的平衡電橋法硬件電路的設(shè)計如圖4所示。通過將平衡電橋的固定電阻改成滑動變阻器，使其能夠?qū)ζ胶怆姌蜻M行微調(diào)校準(zhǔn)，避免了因電阻精度導(dǎo)致的測量誤差；并在平衡橋臂上增加一個繼電器S，通過繼電器的開通和關(guān)斷，可以同時檢測正負(fù)直流母線絕緣電阻同時下降的情況。

圖4　改進的平衡電橋法電路圖

將繼電器閉合，調(diào)節(jié)RV1使得電橋平衡。將直流正、負(fù)母線電壓DC+、DC-接入電路，測得RV1電壓值為U1；斷開繼電器，測得RV1電壓值為U2。將采樣的電壓值經(jīng)過緩沖器和光耦隔離后輸送到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口進行計算，得到正、負(fù)直流母線對地絕緣阻抗值，判斷對地絕緣阻抗值是否處于正常范圍。令R9=R1+R2+R8+Rx，由基爾霍夫電流定律可得：

由式(1)、式(2)可得正、負(fù)母線對地絕緣電阻Rx、Ry的值。單片機中絕緣阻抗軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5　改進的平衡電橋法軟件設(shè)計流程圖

2.2改進的直流法絕緣檢測電路和分析

改進的直流法的硬件電路圖如圖6所示。采用高耐壓值的photoMOS管，能夠直接檢測高壓直流系統(tǒng)的直流漏電流，電路簡單，能夠消除分布電容對測量結(jié)果的影響。其中，ZRG-S1、ZRG-S2為單片機輸出的電平信號，EARTH接大地。

圖6　改進的直流法電路圖

將ZRG-S1、ZRG-S2置成高電平，控制K1、K2斷開，電流霍爾采樣正、負(fù)母線的直流電流值，判斷電流霍爾零點漂移是否處于正常范圍之內(nèi)。若正常，表明直流系統(tǒng)不存在接地故障；若電流霍爾值超出正常范圍，表明直流系統(tǒng)存在接地故障。將ZRG-S1置成低電平、ZRG-S2置成高電平，控制K1閉合和K2保持?jǐn)嚅_，使得電源正極與負(fù)直流母線接地點之間形成電流回路，由串聯(lián)在負(fù)直流母線上的電流霍爾可通過采樣得到直流漏電流Is-；將ZRG-S1置成高電平、ZRG-S2置成低電平，控制K1斷開和K2閉合，使得電源負(fù)極與正直流母線接地點之間形成電流回路，由串聯(lián)在負(fù)直流母線上的電流霍爾可通過采樣得到直流漏電流Is+。將Is+、Is-通過直流電流采樣電路輸送到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口進行計算，得到正、負(fù)直流母線對地絕緣阻抗值。設(shè)正、負(fù)母線對地絕緣阻抗值分別為Rx、Ry，由歐姆定律可得：

由式(3)、式(4)可得正、負(fù)母線對地絕緣電阻Rx、Ry的值。單片機中絕緣阻抗軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7　改進的直流法軟件設(shè)計流程圖

2.3改進的低頻探測法絕緣檢測電路和分析

低頻信號探測法的硬件電路圖如圖8所示。交流漏電流調(diào)理部分采用單片機數(shù)字處理，避免了因集成電路較多帶來的干擾。其中，UA1是雙極性的正弦交流信號，PWM1、PWM2是互補的脈沖信號。

圖8　改進的低頻探測法信號發(fā)生電路圖

由單片機產(chǎn)生的單極性的正弦交流信號，通過加法器成為雙極性的正弦交流信號，經(jīng)過放大隔離之后通過三極管交替注入正、負(fù)直流母線上。為減少電壓紋波對直流系統(tǒng)的影響，放大后交流信號的幅值應(yīng)小于直流電壓幅值的1%。若直流系統(tǒng)產(chǎn)生接地故障，則電流霍爾可以檢測到交流漏電流is+、is-，并通過交流電流采樣電路輸送到單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換端口。但電流霍爾檢測到的交流漏電流是非常微弱的，還伴隨著很多噪聲，因此必須對檢測到的交流漏電流進行信號放大、濾除噪聲和相敏檢測。若相敏檢測能得到一組直流分量，則表明存在交流漏電流，直流系統(tǒng)存在接地故障；若相敏檢測不能得到一組直流分量，則表明檢測到的電流信號中不存在交流漏電流，直流系統(tǒng)絕緣情況良好。設(shè)正、負(fù)母線對地絕緣阻抗值分別為Rx、Ry，u1和u2分別為注入正、負(fù)直流母線的交流電壓，由歐姆定律可得：

由式(5)、式(6)可得正負(fù)母線對地絕緣電阻Rx、Ry的值。單片機中絕緣阻抗軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。

圖9　改進的低頻探測法軟件設(shè)計流程圖

2.4絕緣檢測測試硬件電路

圖10為絕緣檢測測試電路。通過整流電路得到一定幅值的直流電壓，通過SW-SPST開關(guān)控制直流系統(tǒng)對地絕緣阻值的大小，從而模擬出直流母線絕緣下降情況。

圖10　絕緣檢測測試電路

3　實驗結(jié)果及分析

實驗儀器：電腦、萬用表、220 V交流電源、測試電路板。

配置測試電路板；將DC1與DC+1相連，DC2與DC-1相連；保持開關(guān)S+、S-斷開，閉合開關(guān)S3和S9、S4和S10、S5和S11、S6和S12、S7和S13，以及同時閉合開關(guān)S4、S5和S10、S11。

在實際測量結(jié)果中，由于傳感器的測量誤差及電阻的阻值誤差，對測量結(jié)果會造成一定的影響。測量結(jié)果如表1所示。

表1　光伏陣列絕緣測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示，在50 kΩ測試范圍內(nèi)，誤差可以控制在5%以內(nèi)；并且絕緣阻抗越小，測量結(jié)果誤差越小。

4　結(jié)束語

通過絕緣測試實驗證明，文中提到的3種檢測電路的方法能夠及時有效地檢測到直流系統(tǒng)的接地故障，并能較為準(zhǔn)確地計算出絕緣阻抗值。但將這些電路應(yīng)用到實際產(chǎn)品一段時間后，發(fā)現(xiàn)一些不足之處有待改進：

1)平衡電橋法的測量結(jié)果在實際應(yīng)用中取得的效果比較理想，但不能夠?qū)χ绷飨到y(tǒng)絕緣阻抗進行連續(xù)測量；

2)直流法能夠連續(xù)測量直流母線的絕緣阻抗值，但由于直流漏電流非常小，需要測量精度高的電流霍爾來檢測直流漏電流；

3)低頻探測法電路在直流系統(tǒng)存在較大的分布電容時，檢測到的絕緣阻值誤差較大，并且測量電路較復(fù)雜。日后，將針對以上問題做進一步研究，以期得到改善。

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2016-04-28

新能源先進技術(shù)與研發(fā)應(yīng)用(Z14110300330000)

吳兆吉(1991—)，男，碩士，主要從事光伏逆變器相關(guān)方面的研究。m15255142275@163.com