改进的光伏阵列直流绝缘检测方法

■ 吴兆吉汪海宁孙琳琳耿爱玲

(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院；2. 北京京仪绿能电力系统工程有限公司)

改进的光伏阵列直流绝缘检测方法

■ 吴兆吉1*汪海宁1孙琳琳2耿爱玲2

(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院；2. 北京京仪绿能电力系统工程有限公司)

基于常见的直流绝缘检测方法设计出3种针对光伏阵列的直流绝缘检测的改进方法，分别为改进的平衡电桥法、改进的直流法和改进的低频探测法；详细分析了每种方法的原理，并给出直流绝缘检测电路图；通过实验验证了3种电路的有效性和实用性。

光伏阵列；直流绝缘检测；平衡电桥法；直流法；低频探测法

0　引言

随着光伏产业的发展，发电安全性和供电安全性越来越受到人们的重视。直流系统作为光伏电站中电气设备的保护、控制和数据传输装置的主要电源，对整个光伏系统的安全运行起着重要作用，因此直流供电系统的安全十分重要[1]。直流系统常见故障为一点或多点接地，可能会导致继电器或保护装置误动作，从而导致严重事故。

国内外的研究机构对直流系统绝缘检测做出了大量的研究，主要研究方向是平衡电桥法及低频探测法[2]。

对于平衡电桥法的改进，文献[3,4]通过分别改变桥臂电阻阻值，求得正、负母线对地绝缘电阻大小。平衡电桥法能够检测正负母线绝缘电阻同时下降的情况，但测量精度不高。文献[1]在变电桥法的基础上减少了开关个数，使用单开关进行操作，减少了因开关切换带来的电压不平衡波动。文献[5,6]综合了平衡电桥和变电桥的综合采样法，在正、负直流母线对地绝缘阻抗相同或相近的情况下仍能分别检测出正、负直流母线对地的绝缘阻抗值，但桥臂增多加大了阻抗配置的难度。

对于低频探测法的改进，文献[7]根据低频探测法的原理，重点研究了在强噪声情况下探测信号的检测方法，但是硬件电路设计复杂，难以实现。文献[2]提出了超低音频交流电压信号注入法，将单一频率的电压信号改进为由两个频率合成的电压信号，能够减小分布电容的影响，但是增加了直流系统的电压纹波。文献[8]采用了直流方法，直接测量直流系统的漏电流，设计了一个实时在线的绝缘检测系统，实现绝缘分级管理，系统环路诊断。

市场上常见的直流绝缘检测装置多基于在平衡电桥法上进行改进，能够检测正、负直流母线绝缘阻抗同时下降的情况，提高了检测精度。本文主要工作是基于平衡电桥法、直流法和低频探测法设计出适用于光伏阵列的直流绝缘检测的硬件电路，并通过设计的绝缘检测测试电路验证了绝缘检测电路的有效性。

1　光伏阵列直流绝缘检测方法原理和分析

1.1平衡电桥法检测原理和分析

平衡电桥法就是在直流支路正、负导线之间接入一个电阻桥路，使其与正、负直流母线对地绝缘电阻组成一个电桥；当直流母线出现接地点时，与其相连的电阻两端电压降低，另一桥臂两端电压升高；通过桥路电阻两端电压的升降可判断直流系统的绝缘情况。平衡电桥法拓扑原理图如图1所示。

图1　平衡电桥法原理图

设Vdc为直流导线电压，绝缘阻抗下降导致的负极漏电和正极漏电如图1b和图1c所示；无漏电时如图1a所示，i=0。当负极绝缘电阻下降时(见图1b)，流经N至GND的电流为同理，当正极绝缘电阻下降时(见图1c)，流经N至GND的电流为由于Vdc和R是已知的，通过测量i，可得漏电阻抗

1.2直流法检测原理和分析

由串联在正、负导线上的电流霍尔检测漏电流，以判断直流系统有无接地。当电流霍尔检测到漏电流时，表明直流系统出现接地点，需要及时处理故障；当电流霍尔未检测到漏电流时，表明直流系统绝缘情况良好。直流法检测适用于系统中只存在直流电源的情况下，原理如图2所示。

图2　直流法原理图

设Vdc为直流导线电压，有绝缘阻抗下降导致的负极漏电和正极漏电如图2b和图2c所示；无漏电时如图2a所示。K1或K2闭合时，霍尔上没有电流流过；当负极绝缘电阻下降时(见图2b)，开关K1闭合时，漏电流从正极经过大地到绝缘电阻r再返回负极；同理，当正极绝缘电阻下降时(见图2c)，开关K2闭合时，漏电流从正极到绝缘电阻r经过大地返回负极。由于Vdc和R是已知的，通过测量i，即可得到漏电阻抗

1.3低频探测法检测原理和分析

低频探测法是向正、负直流母线对地交替注入一个低频交流信号，若直流母线上有接地点，所加的低频电压信号就会通过对地电阻产生交流漏电流，通过检测到的漏电流大小可确定该支路的绝缘情况及绝缘电阻的大小。低频探测法原理图如图3所示。

图3　低频探测法原理图

设Vac为交流探测信号电压，有绝缘阻抗下降导致的负极漏电和正极漏电如图3b和图3c所示，无漏电时如图3a所示。当直流母线未出现接地故障时，直流母线上只有交流电压，没有交流电流；当负极绝缘电阻下降时(见图3b)，向负直流母线对地注入交流电压信号，连接在负直流母线上的电流霍尔可检测出交流漏电流；同理，当正极绝缘电阻下降时(见图3c)，向正直流母线对地注入交流电压信号，连接在正直流母线上的电流霍尔可检测出交流漏电流。由于Vac是已知的，通过测量i，即可得到漏电阻抗

2　改进的光伏阵列直流绝缘检测硬件电路和分析

2.1改进的平衡电桥法绝缘检测硬件电路和分析

改进的平衡电桥法硬件电路的设计如图4所示。通过将平衡电桥的固定电阻改成滑动变阻器，使其能够对平衡电桥进行微调校准，避免了因电阻精度导致的测量误差；并在平衡桥臂上增加一个继电器S，通过继电器的开通和关断，可以同时检测正负直流母线绝缘电阻同时下降的情况。

图4　改进的平衡电桥法电路图

将继电器闭合，调节RV1使得电桥平衡。将直流正、负母线电压DC+、DC-接入电路，测得RV1电压值为U1；断开继电器，测得RV1电压值为U2。将采样的电压值经过缓冲器和光耦隔离后输送到单片机的模数转换端口进行计算，得到正、负直流母线对地绝缘阻抗值，判断对地绝缘阻抗值是否处于正常范围。令R9=R1+R2+R8+Rx，由基尔霍夫电流定律可得：

由式(1)、式(2)可得正、负母线对地绝缘电阻Rx、Ry的值。单片机中绝缘阻抗软件设计流程图如图5所示。

图5　改进的平衡电桥法软件设计流程图

2.2改进的直流法绝缘检测电路和分析

改进的直流法的硬件电路图如图6所示。采用高耐压值的photoMOS管，能够直接检测高压直流系统的直流漏电流，电路简单，能够消除分布电容对测量结果的影响。其中，ZRG-S1、ZRG-S2为单片机输出的电平信号，EARTH接大地。

图6　改进的直流法电路图

将ZRG-S1、ZRG-S2置成高电平，控制K1、K2断开，电流霍尔采样正、负母线的直流电流值，判断电流霍尔零点漂移是否处于正常范围之内。若正常，表明直流系统不存在接地故障；若电流霍尔值超出正常范围，表明直流系统存在接地故障。将ZRG-S1置成低电平、ZRG-S2置成高电平，控制K1闭合和K2保持断开，使得电源正极与负直流母线接地点之间形成电流回路，由串联在负直流母线上的电流霍尔可通过采样得到直流漏电流Is-；将ZRG-S1置成高电平、ZRG-S2置成低电平，控制K1断开和K2闭合，使得电源负极与正直流母线接地点之间形成电流回路，由串联在负直流母线上的电流霍尔可通过采样得到直流漏电流Is+。将Is+、Is-通过直流电流采样电路输送到单片机的模数转换端口进行计算，得到正、负直流母线对地绝缘阻抗值。设正、负母线对地绝缘阻抗值分别为Rx、Ry，由欧姆定律可得：

由式(3)、式(4)可得正、负母线对地绝缘电阻Rx、Ry的值。单片机中绝缘阻抗软件设计流程图如图7所示。

图7　改进的直流法软件设计流程图

2.3改进的低频探测法绝缘检测电路和分析

低频信号探测法的硬件电路图如图8所示。交流漏电流调理部分采用单片机数字处理，避免了因集成电路较多带来的干扰。其中，UA1是双极性的正弦交流信号，PWM1、PWM2是互补的脉冲信号。

图8　改进的低频探测法信号发生电路图

由单片机产生的单极性的正弦交流信号，通过加法器成为双极性的正弦交流信号，经过放大隔离之后通过三极管交替注入正、负直流母线上。为减少电压纹波对直流系统的影响，放大后交流信号的幅值应小于直流电压幅值的1%。若直流系统产生接地故障，则电流霍尔可以检测到交流漏电流is+、is-，并通过交流电流采样电路输送到单片机模数转换端口。但电流霍尔检测到的交流漏电流是非常微弱的，还伴随着很多噪声，因此必须对检测到的交流漏电流进行信号放大、滤除噪声和相敏检测。若相敏检测能得到一组直流分量，则表明存在交流漏电流，直流系统存在接地故障；若相敏检测不能得到一组直流分量，则表明检测到的电流信号中不存在交流漏电流，直流系统绝缘情况良好。设正、负母线对地绝缘阻抗值分别为Rx、Ry，u1和u2分别为注入正、负直流母线的交流电压，由欧姆定律可得：

由式(5)、式(6)可得正负母线对地绝缘电阻Rx、Ry的值。单片机中绝缘阻抗软件设计流程图如图9所示。

图9　改进的低频探测法软件设计流程图

2.4绝缘检测测试硬件电路

图10为绝缘检测测试电路。通过整流电路得到一定幅值的直流电压，通过SW-SPST开关控制直流系统对地绝缘阻值的大小，从而模拟出直流母线绝缘下降情况。

图10　绝缘检测测试电路

3　实验结果及分析

实验仪器：电脑、万用表、220 V交流电源、测试电路板。

配置测试电路板；将DC1与DC+1相连，DC2与DC-1相连；保持开关S+、S-断开，闭合开关S3和S9、S4和S10、S5和S11、S6和S12、S7和S13，以及同时闭合开关S4、S5和S10、S11。

在实际测量结果中，由于传感器的测量误差及电阻的阻值误差，对测量结果会造成一定的影响。测量结果如表1所示。

表1　光伏阵列绝缘测试数据

数据显示，在50 kΩ测试范围内，误差可以控制在5%以内；并且绝缘阻抗越小，测量结果误差越小。

4　结束语

通过绝缘测试实验证明，文中提到的3种检测电路的方法能够及时有效地检测到直流系统的接地故障，并能较为准确地计算出绝缘阻抗值。但将这些电路应用到实际产品一段时间后，发现一些不足之处有待改进：

1)平衡电桥法的测量结果在实际应用中取得的效果比较理想，但不能够对直流系统绝缘阻抗进行连续测量；

2)直流法能够连续测量直流母线的绝缘阻抗值，但由于直流漏电流非常小，需要测量精度高的电流霍尔来检测直流漏电流；

3)低频探测法电路在直流系统存在较大的分布电容时，检测到的绝缘阻值误差较大，并且测量电路较复杂。日后，将针对以上问题做进一步研究，以期得到改善。

[1] 成林俞, 戴瑜兴, 刘红, 等. 光伏阵列在线绝缘监测系统的研究[J]. 电测与仪表, 2015, (1): 81－85.

[2] 李悦. 直流绝缘监测系统的研究[D]. 南京: 南京师范大学, 2012.

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2016-04-28

新能源先进技术与研发应用(Z14110300330000)

吴兆吉(1991—)，男，硕士，主要从事光伏逆变器相关方面的研究。m15255142275@163.com