光伏发电系统直流侧绝缘阻抗检测的研究

耿后来，程 林，王 凯，李 顺，顾亦磊

（阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

国内外对直流系统绝缘检测装置采用的检测方法主要有交流注入法和电桥平衡法[1-3]。交流注入法需要通过特定装置向直流系统注入交流信号，特定装置对交流信号进行提取分析，但此方法受光伏直流分布电容影响较大[4]，且成本高。本文设计了一种基于电桥平衡法改进的绝缘监测电路，并对其原理进行了详细推倒。结果显示，此电路成本低，无需注入交流信号，能准确检测直流侧对地绝缘阻抗。

1 光伏发电系统、检测原理介绍

1.1 光伏发电系统及检测电路介绍

图1为光伏发电系统图，主要包括电池板、线路、汇流箱和并网逆变器。直流侧的电池板、线路及汇流箱等对大地都会有阻抗，只有阻抗大于一定值，才能使流入大地的电流小于一定值，才认为直流侧的绝缘满足要求，才能控制逆变器并网运行。

图1 光伏发电系统原理图

IEC62109-2要求用于未接地阵列的逆变器的阵列绝缘电阻检测有明确的保护要求，如果直流对地绝缘阻抗低于R=直流侧最大电压/30 mA，则必须保持故障状态，直至电池板对地阻抗恢复到R值以上，逆变器才能恢复运行。

将光伏系统直流侧对地绝缘等效电路和逆变器对地绝缘检测电路进行简化等效，如图2所示。它包括n路电池板的正端PVn+（n为大于等于1的整数）对大地分别接了阻抗，分别为一号等效电阻Rp1、二号等效电阻Rp2……n号等效电阻Rpn，电池板的负端PV-对大地的等效电阻为RB1、RB2、RB3；PV-对地电压经过电阻RB2、RB1分压后得到电压VISO，电压VISO经过运放及调理电路处理，最终送入DSP（数字信号处理器）的AD转换接口由DSP进行计算判断。由于绝缘检测电路运行时需要连接电池板正负对地之间，因此承受电压较高，故其本身的漏电流必须非常低。通常Rpn、RB1、RB3是有多个电阻串并联完成，且阻值必须非常高（通常都是兆欧姆级别）；RB2为分压检测电阻，阻值较低，通常为千欧姆级别。

RXp1、RXp2、…、RXpn为电池板PV1+、PV2+、…、PVn+分别对应的对地等效阻抗，RXn1为电池板PV-对大地之间的等效阻抗。这些等效阻抗受环境、施工布线、老化等多重因素影响，阻值大小不一。它的阻值大小反映了电池板的对地绝缘情况。

1.2 光伏发电系统直流侧阻抗计算

如图2所示，光伏发电系统对地阻抗计算过程通过开关K1的断开与吸合分别得到不同的VISO电压值，然后依据等效方程进行计算。

当开关K1关断时，此时检测电路流过大地的电流和外部等效电阻流过大地的电流是相等的，见方程式（1）所示。

当开关K1闭合时，此时检测电路流过大地的电流和外部等效电阻流过大地的电流是相等的，方程式如式（2）所示。

图2 光伏系统等效阻抗及检测电路图

方程（2）减去方程（1），可得方程（3）。

将方程（3）变形，可得方程（4）。

则由式（4）可得对地阻抗为如式（5）所示。

由于VOB1、VOB2可以通过检测信号检测到，而Rp1、Rp2、…、Rpn、RB1、RB2为已知阻值，故通过式（5）可以求出系统阻抗。

Rx为光伏发电系统直流侧的所有的电池板对地绝缘电阻并联值，其值大小能够直接反映直流系统的对地绝缘状况。

2 测试过程中的影响因素

2.1 高压探头的影响

高压探头本身有阻抗，通过理论分析及测试电路测试可知，其阻抗约为4 MΩ。如图3所示，当测试大地GND对PV-之间的电压时，则会将高压探头本身阻抗并联在电阻RXn两端，故会导致检测有偏差。因此，测试时不能将高压隔离探头在PV+对地或者PV-对地之间并联，否则当PV+对地或者PV-对地之间阻抗较大时，将影响采样精度。

2.2 绝缘阻抗大时对采样的影响

当电池板负极对地绝缘较差时，此时对地阻抗值较低。根据上述式（5）计算得到的值为负值，不符合理论推导。最后通过分析计算，为采样误差所致。例如，当K1吸合后，理论上开关K1吸合前计算的对地电压一定大于开关K1吸合后的对地电压，而由于此时阻抗非常大，当电池板对地阻抗较低时，K1吸合后采集的电压VISO几乎没有变化。由于采样波动甚至出现开关吸合后电压略微高于吸合前的电压，因此计算时需要加判断算法，需要依据Ig1或者Ig2的情况进行区分判断，从而避免计算异常。

2.3 电池板寄生电容的影响

寄生电容随着PV阵列中的导电面积的增加而增加，随着电池串并联的增多，面积越来越大，寄生电容也越来越大。如果早晚或阴雨天电池板表面是潮湿的，电池板对地寄生电容将进一步增加。如图4所示，在PV-与GND之间等效并联了一个对地电容C1。

图3 含探头的光伏系统等效阻抗检测电路图

图4 含寄生电容的光伏系统等效阻抗检测电路图

当系统对地电容C1值较大不能忽略时，需考虑其带来的影响。由于电容两端的电压不能突变，使系统达到稳定需要一个过程，故采样电压VISO可能需要等待一段时间，否则会导致测量到的电压是系统还未完全稳定时的值，进而导致无法检测到正确的值而导致逆变器出现误报故障等风险。理论上，电容容值越大，等效阻抗越大，需要等待时间越长。

对图4进行仿真，当n=1、Rp1=3 MΩ、RXn=3 MΩ，并联RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ，当开关K1在5 s吸合后，仿真结果如图5所示。采集的电压需要等到8 s左右才能基本稳定。因此，在进行电池板对地绝缘监测时，等开关K1吸合后要等待一段时间再进行对地绝缘电压采用和计算。

图5 电容对检测电压影响仿真图

3 实验验证

依据前文所述的原理、电路及计算公式，将此检测电路预制于逆变器中。检测电路将检测到的电压VISO送入到DSP中，DSP则依据检测公式计算电池板的对地阻抗。该电路及计算方法经各种工况的试验验证，可实现直流侧对地绝缘的精确测量。当输入直流电压 600 V、n=1、RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ时，PV+对地加各种阻值的电阻的实验结果如表1所示。可见，本文设计的检测电路及计算公式可精确测试电池板接地阻抗值，测量相对误差±4%以内。

当输入直流电压为600 V时，PV-对地加各种阻值的电阻，实验结果如表2所示。

表1 绝缘检测部分测试结果1

表2 绝缘检测部分测试结果2

从表2的测试结果可知，本文设计的检测电路及计算公式可精确测试电池板接地阻抗值，除掉50 kΩ点，测量相对误差在±5%以内。PV-对地检测精度比PV+对地监测精度偏低，主要原因是PV-对地加小电阻后开关吸合并联RB1后电压VISO变化不大，由采样误差偏大所致。

逆变器在国内外的各种工况的光伏电站运行，每一天都要进行绝缘阻抗检测。从运行结果来看，该电路及原理可准确实现对光伏电站的直流侧对地绝缘的检测。

4 结 论

本文对光伏发电系统直流侧阻抗检测进行介绍，并对其原理进行详细的公式推导。对实际测试过程中的问题进行详细分析，最后进行测试验证。结果表明，该检测电路及检测方法能准确检测电池对地阻抗，相对误差在5%以内，成本低，具有较高的工程应用价值。