一種優(yōu)化的光伏電站直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

胡亮，，吉攀攀，，秦偉偉，，楊青波，，陳同浩，（.許繼電氣股份有限公司，河南許昌　46000；.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌　46000）

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一種優(yōu)化的光伏電站直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

胡亮1，2，吉攀攀1，2，秦偉偉1，2，楊青波1，2，陳同浩1，2
（1.許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000）

摘要：光伏電站直流母線對(duì)地絕緣故障將會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行和人員安全造成嚴(yán)重影響，對(duì)直流系統(tǒng)絕緣性能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，是防止事故發(fā)生和蔓延的有效途徑。比較了常用的幾種絕緣在線監(jiān)測(cè)原理，選擇了不平衡電橋和平衡電橋相結(jié)合的方法進(jìn)行原理設(shè)計(jì)，并從工程應(yīng)用的角度對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。有效防止了投切開(kāi)關(guān)故障擊穿時(shí)引起正負(fù)直流母線短路的問(wèn)題。對(duì)所設(shè)計(jì)的光伏電站直流母線對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量原理，以及硬件電路設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)流程等進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的測(cè)量精度和絕緣耐壓性能。

關(guān)鍵詞：絕緣監(jiān)測(cè)；光伏電站；不平衡電橋

Project SuPPorted bY Science and Techno1ogY Project of the China State Grid CorP（5292C0140148）.

KEY W0RDS：insu1ation monitoring；Photovo1taic Power station；unba1ance bridge

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是解決全球能源危機(jī)的重要途徑之一，已得到廣泛應(yīng)用。光伏板吸收太陽(yáng)輻射能量，感應(yīng)出直流電，由于單個(gè)光伏板轉(zhuǎn)變的直流電能較弱，工程應(yīng)用中將大量光伏陣列經(jīng)過(guò)串聯(lián)提高電壓等級(jí)，將多路陣列的輸出并經(jīng)匯流箱匯流后接入并網(wǎng)逆變器，再經(jīng)過(guò)逆變器輸出與電網(wǎng)同頻、同相的正弦交流電，將能量接入電網(wǎng)。構(gòu)成光伏電站系統(tǒng)的裝置復(fù)雜且數(shù)量龐大，環(huán)境溫度和濕度急劇變化以及自然老化等原因難免會(huì)使絕緣損壞，操作不當(dāng)?shù)热藶橐蛩匾矔?huì)造成絕緣接地故障的發(fā)生，從而危害系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成威脅。

文獻(xiàn)［1-2］提出了基于漏電流傳感器的測(cè)量方法，通過(guò)電磁感應(yīng)式電流傳感器來(lái)進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，由于電流傳感器價(jià)格較高，并且測(cè)量精度受環(huán)境影響較大，在工程應(yīng)用中一般不采用該方法。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于單向投切電阻的不平衡電橋法進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測(cè)，如圖1所示。該方法原理簡(jiǎn)單，工程上容易實(shí)現(xiàn)，并且成本較低，但是由于僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)投切，不平衡電阻只能單向投切于正母線對(duì)地，對(duì)于負(fù)母線對(duì)地的電壓變化影響較小，因此當(dāng)負(fù)母線對(duì)地發(fā)生絕緣故障時(shí)（絕緣低于30 kΩ），難以精確測(cè)量。文獻(xiàn)［6］提出了一種經(jīng)典的不平衡電橋與平衡電橋相結(jié)合的測(cè)量方法，設(shè)置2個(gè)不平衡電阻進(jìn)行雙向投切，通過(guò)測(cè)量不平衡電阻投切后的電壓變化來(lái)計(jì)算絕緣電阻。對(duì)于正負(fù)母線對(duì)地絕緣的變化情況均可達(dá)到較好的測(cè)量精度，并且可檢測(cè)正負(fù)母線同時(shí)對(duì)地絕緣故障的情況。

圖1　單向投切電阻的不平衡電橋法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the unbalanced bridge method with one-way switching resistance

本文在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的不平衡電橋電路進(jìn)行了改進(jìn)，可以有效防止在投切開(kāi)關(guān)擊穿故障時(shí)導(dǎo)致正負(fù)母線短路的情況，在平衡電阻與大地之間配置開(kāi)關(guān)K3，當(dāng)不投入平衡電阻時(shí)，斷開(kāi)K3，可使得絕大部分時(shí)間內(nèi)絕緣監(jiān)測(cè)裝置不影響光伏電站系統(tǒng)本身的絕緣和接地特性。介紹了基于該優(yōu)化方法的絕緣監(jiān)測(cè)裝置的硬件、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

1　監(jiān)測(cè)原理

圖1所示為單向投切的不平衡電橋法監(jiān)測(cè)原理示意圖。圖中Rx、RY分別為直流系統(tǒng)正、負(fù)母線對(duì)地的絕緣阻抗，R1、R2為不平衡電阻，V1、V3分別是開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)、閉合時(shí)Rx上的電壓降，V2、V4分別是S斷開(kāi)、閉合時(shí)RY上的電壓降。

當(dāng)投切開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電流方程：

當(dāng)投切開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，節(jié)點(diǎn)電流方程：

求解（1）和（2）組成的方程組，可得到直流正、負(fù)母線對(duì)地絕緣值Rx、RY分別為：

圖2所示為雙向投切的不平衡電橋法監(jiān)測(cè)原理示意圖。有2個(gè)投切開(kāi)關(guān)K1和K2，可分別控制將不平衡電阻R1投入正母線對(duì)地或負(fù)母線對(duì)地。

圖2　傳統(tǒng)的雙向投切不平衡電橋法示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the traditional two-way unbalanced bridge method

K1閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，R+兩端電壓為U1+，R-兩端電壓為U1-。K1斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，R+兩端電壓為U2+，R-兩端電壓為U2-，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系得到如下等式：

求解式（5）和式（6）組成的方程組，可得到直流正、負(fù)母線對(duì)地絕緣值R+、R-分別為

在工程應(yīng)用中，由于系統(tǒng)過(guò)電壓或老化等因素，會(huì)發(fā)生投切開(kāi)關(guān)故障后短路的情況。圖2中，假設(shè)K1故障短路，此時(shí)K2一旦閉合，將會(huì)發(fā)生直流正負(fù)母線之間短路，對(duì)設(shè)備運(yùn)行和人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，本文在圖2所示基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，將投切電阻R1分為3部分：R11、R12和R13，并保持R11=R12=R13=R1/2，此時(shí)式（7）、（8）對(duì)圖3所示的測(cè)量電路仍然適用。當(dāng)發(fā)生K1或K2故障短路時(shí)，能夠保證正負(fù)母線之間串接有R12和R13，有效防止正負(fù)母線短路。另外，在測(cè)量電橋的中性點(diǎn)與大地之間配置開(kāi)關(guān)K3，僅在投入不平衡電阻時(shí)才閉合K3，其余情況下K3均斷開(kāi)?？梢栽诓恍枰^緣監(jiān)測(cè)裝置或絕緣監(jiān)測(cè)裝置故障時(shí)，將測(cè)量電橋與直流系統(tǒng)隔離，不影響直流系統(tǒng)的接地特性和絕緣性能。

圖3　優(yōu)化的雙向投切不平衡電橋法示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the optimized two-way unbalanced bridge method

2　硬件軟件設(shè)計(jì)

2.1測(cè)量電橋的構(gòu)建電路

不平衡電阻的投切要求快速，無(wú)振蕩，同時(shí)盡量降低投切動(dòng)作引起的電流波動(dòng)，因此本文選用高壓的光繼電器，具有無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，低動(dòng)作電流，高速切換，低泄漏電流等優(yōu)點(diǎn)。選用松下公司的AQV258，耐受電壓達(dá)到1 500 V，可滿足光伏電站工程應(yīng)用。K1和K2分別為光繼電器U13和U10的控制信號(hào)，當(dāng)K1（K2）為低電平時(shí)，繼電器內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而繼電器U13（U10）的4腳和6腳之間導(dǎo)通，反之，當(dāng)K1（K2）為高電平時(shí)，繼電器U13（U10）關(guān)斷。

圖4　測(cè)量電橋的電路原理圖Fig. 4 Circuit principle diagram of the measuring bridge

圖5　信號(hào)測(cè)量電路原理圖Fig. 5 Signal measurement circuit schematic

根據(jù)公式，不平衡電阻R1越小，絕緣測(cè)量精度越高，但是測(cè)試時(shí)引起的操作漏電流將越大，降低直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣水平。綜合考慮，本文選擇不平衡電阻R11=R12=R13=500 kΩ。按正負(fù)母線電壓1 000 V，當(dāng)正負(fù)線對(duì)地短路，電阻R12和R13應(yīng)能夠承受的最大功率為10 W。

2.2電壓檢測(cè)電路

圖5所示電路用于檢測(cè)不平衡電阻投切前后的直流母線對(duì)地電壓。直流母線對(duì)地電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后，接入集成電路進(jìn)行信號(hào)跟隨和放大處理，最終接入處理器的AD轉(zhuǎn)換接口。其中可調(diào)電位器W1 和W2用來(lái)調(diào)整分壓系數(shù)，可調(diào)電位器W6和W7用來(lái)調(diào)整運(yùn)算放大器的零漂。光繼電器U14是測(cè)量電橋中性點(diǎn)與大地之間的連接開(kāi)關(guān)，K4是光繼電器U14的控制信號(hào)。

2.3信號(hào)處理電路

本文采用單片機(jī)作為信號(hào)處理單元，對(duì)電壓測(cè)量信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并讀取，根據(jù)式（7）、（8）計(jì)算絕緣監(jiān)測(cè)值。通過(guò)RS485總線與人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測(cè)結(jié)果并顯示。單片機(jī)對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，如果正負(fù)直流母線對(duì)地絕緣值任意一個(gè)小于設(shè)定的保護(hù)值，就向逆變器保護(hù)單元發(fā)出報(bào)警信號(hào)。光伏并網(wǎng)逆變器通過(guò)一路控制信號(hào)可控制絕緣監(jiān)測(cè)裝置的使能或退出。

圖6　信號(hào)處理電路原理圖Fig. 6 Signal processing circuit schematic

2.4軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)前文所述的原理介紹，研制出了FJY201型光伏電站絕緣監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)了一套已經(jīng)成功應(yīng)用在許繼集團(tuán)承建的多個(gè)光伏電站現(xiàn)場(chǎng)。該裝置可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的直流母線對(duì)地絕緣的在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)絕緣故障時(shí)能夠正確發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

經(jīng)多次試驗(yàn)，F(xiàn)JY201可實(shí)現(xiàn)正負(fù)直流母線對(duì)地絕緣的精確測(cè)量，如表1所示。

試驗(yàn)一主要驗(yàn)證在報(bào)警設(shè)定值（30 kΩ）附近時(shí)的測(cè)量精度；試驗(yàn)二測(cè)試在正母線對(duì)地絕緣正常，負(fù)母線對(duì)地絕緣故障時(shí)的測(cè)量精度；試驗(yàn)三測(cè)試在正母線對(duì)地絕緣故障，負(fù)母線絕緣正常時(shí)的測(cè)量精度；試驗(yàn)四測(cè)試在正、負(fù)母線同時(shí)對(duì)地絕緣故障時(shí)的測(cè)量精度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的FJY201裝置可對(duì)正負(fù)母線單極性接地故障或同接地故障均可精確測(cè)試，測(cè)量誤差±5%以內(nèi)。

圖7　軟件流程圖Fig. 7 Software flow chart

表1　FJY201絕緣監(jiān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果（部分）Tab. 1 FJY201 insulation monitoring accuracy test results（part）

由于絕緣檢測(cè)裝置運(yùn)行時(shí)需要連接在正負(fù)母線上，其本身的絕緣耐壓性能也需要嚴(yán)格測(cè)試。對(duì)FJY201裝置施加交流和直流測(cè)試電壓得到的漏電流結(jié)果如表2所示。

表2　FJY201絕緣耐壓測(cè)試結(jié)果Tab. 2 FJY201 insulation withstand test results

4　結(jié)語(yǔ)

本文采樣不平衡電橋與平衡電橋相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了一種光伏電站直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置，并從工程應(yīng)用的角度對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，有效防止了投切開(kāi)關(guān)故障擊穿時(shí)引起正負(fù)直流母線短路的問(wèn)題。對(duì)所設(shè)計(jì)的光伏電站直流母線對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)裝置的原理以及軟硬件方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的測(cè)量精度和絕緣耐壓性能。

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Design of an 0ptimized 0n-Line Insulation Monitoring Device for Photovoltaic Power Station DC System

HU Liang1，2，JI PanPan1，2，QIN Weiwei1，2，YANG Qingbo1，2，CHEN Tonghao1，2
（1. XJ E1ectric Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China；2. XJ GrouP CorPoration，Xuchang 461000，Henan，China）

ABSTRACT：The insu1ation fau1t of the Photovo1taic Power station DC-bus to ground causes serious inf1uence on the equi-Pment oPeration and Personne1 securitY. The on1ine monitoring of the DC sYstem insu1ation is an effective waY to Prevent accidents from occurring and sPreading. This PaPer comPares the common1Y used severa1 kinds of insu1ation on1ine monitoring PrinciP1e，and uses the unba1anced bridge and ba1anced bridge combined method for the PrinciP1e design and oPtimizes the traditiona1 monitoring method from the view of engineering aPP1ication，effective1Y Prevent the short-circuit of the Positive and negative DC bus which is caused when the switch fai1s. The PaPer a1so introduces the measuring PrinciP1e，hardware design and software rea1ization Process in detai1. Test resu1ts show that the accuracY of measurement devices and high vo1tage Performance meet the design requirements.

文章編號(hào)：1674-3814（2016）04-0130-05中圖分類(lèi)號(hào)：TM93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5292C0140148）。

收稿日期：2015-07-28。

作者簡(jiǎn)介：

胡亮（1980—），男，工程師，主要研究新能源并網(wǎng)、柔性直流輸電、STATCOM等；

吉攀攀（1984—），男，工程師，主要研究新能源并網(wǎng)、柔性直流輸電、STATCOM等。

（編輯李沈）