光伏直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)方法研究

楊青波，黃小有，柴衛(wèi)強(qiáng)，鄒復(fù)春，李文雅

（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）

光伏直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)方法研究

楊青波1，2，黃小有1，2，柴衛(wèi)強(qiáng)1，2，鄒復(fù)春1，2，李文雅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）

光伏直流系統(tǒng)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)行在線檢測(cè)是防止事故發(fā)生的有效途徑。對(duì)常用的直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)方法進(jìn)行研究分析，結(jié)合光伏電站直流系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種電橋檢測(cè)法與差流檢測(cè)法相結(jié)合的、適用于光伏直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)直流母線對(duì)地絕緣阻值的大小，并消除了電橋檢測(cè)法中存在的共模電壓波動(dòng)問(wèn)題，提高了直流系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

光伏電站；直流絕緣檢測(cè)；電橋檢測(cè)法；差流檢測(cè)法

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的重視和對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的支持，依靠太陽(yáng)能的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。光伏電站中從電池板至逆變器的直流母線線路多、分布廣，而且大部分在室外，受環(huán)境溫度、濕度的影響，以及自然老化等原因，易出現(xiàn)絕緣不良的問(wèn)題，從而危害系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，甚至?xí)?duì)電站運(yùn)維人員造成生命傷害。及時(shí)的檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)直流母線對(duì)地絕緣故障顯得尤為重要。

常用的直流母線對(duì)地絕緣檢測(cè)方法有注入低頻信號(hào)檢測(cè)法、電橋檢測(cè)法和差流檢測(cè)法。這些檢測(cè)方法在傳統(tǒng)的變電站直流系統(tǒng)中有成熟的應(yīng)用。但光伏電站的直流系統(tǒng)有自身特性，采用這些傳統(tǒng)的方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，往往因?yàn)楣夥娬局绷髂妇€電壓波動(dòng)以及逆變器電容、電感器件的影響導(dǎo)致檢測(cè)難度大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)故障的情況[1]。注入低頻信號(hào)檢測(cè)法和電橋檢測(cè)法本身也會(huì)對(duì)直流母線共模電壓造成波動(dòng)，影響直流系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 絕緣檢測(cè)方法分析

1.1 電橋檢測(cè)法

電橋檢測(cè)法根據(jù)不平衡電阻投切的方式不同有多種設(shè)計(jì)方案[2-4]，這些方案實(shí)現(xiàn)方式不同，但檢測(cè)原理都是基于改變上下橋臂對(duì)地阻值來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。本文采用雙橋臂不平衡電阻投切的方式，電路圖如圖1所示，圖中R2+和R2－使直流正、負(fù)母線與接地點(diǎn)相連，形成電橋，R1+和R1－為正、負(fù)橋臂不平衡電阻，Rx+和Rx－分別為待檢測(cè)的正、負(fù)母線對(duì)地阻抗。

在檢測(cè)過(guò)程中，首先閉合開(kāi)關(guān)K1、斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2，使R1+投入、R1-切除，獲取正母線、負(fù)母線對(duì)地電壓U1+和U1－；然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K1、閉合開(kāi)關(guān)K2，使R1+切除、R1－投入，獲取正母線、負(fù)母線對(duì)地電壓U2+和U2－。根據(jù)串聯(lián)電路等流原理，兩次投切開(kāi)關(guān)可以得到如下2個(gè)等式：

圖1 電橋檢測(cè)原理Fig.1 Schematic diagram of the bridge method

把公式（1）和公式（2）聯(lián)立為方程組并求解方程組可得直流母線對(duì)地阻抗Rx+和Rx-的值。為了保證接地點(diǎn)為正、負(fù)母線的中性點(diǎn)，使正、負(fù)母線對(duì)地電橋上的電阻值相同，橋臂電阻用R2表示，不平衡電阻用R1表示，即：

投入不平衡電阻R1的電橋的電阻用R表示，則有：

求解可得Rx+和Rx-的表達(dá)式如下：

1.2 差流檢測(cè)法

差流檢測(cè)法[5]也叫平衡電橋檢測(cè)法[6-7]。該方法主要用于直流系統(tǒng)支路檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖2所示。在直流系統(tǒng)的支路絕緣檢測(cè)中，我們只需要確定流入支路的電流I+和流出支路的電流I-是否相等即可判斷該支路是否存在絕緣隱患，即漏電流Ix計(jì)算公式如下：

圖2 差流檢測(cè)原理Fig.2 Schematic diagram of the differential current method

如果獲得的Ix的值為零，則支路不存在絕緣隱患，否則存在絕緣隱患。

關(guān)于目前的“新帖學(xué)”，實(shí)際上也沒(méi)“新”到哪里去。那問(wèn)題出在哪兒呢？因?yàn)椴粔颉吧睢?。深不下去，也就“新”得不夠。帖學(xué)還有很多寶藏尚待挖掘。這就像學(xué)術(shù)研究一樣，似乎找不到?jīng)]有研究過(guò)的課題，但是，當(dāng)你對(duì)文獻(xiàn)徹底清理之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多被研究過(guò)的課題還可以再研究。“新帖學(xué)”浮皮潦草的太多了，如“偽二王”就是普遍例子。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

電橋檢測(cè)法功能比較全面，可以計(jì)算出母線對(duì)地阻抗的大小。但在光伏電站的直流系統(tǒng)中，因?yàn)橛心孀兤鞯拇嬖冢沟弥绷髂妇€存在一定的電壓波動(dòng)[1]，先后兩次不平衡電阻投切，獲得的采樣值誤差也很難消除。另外，直流母線電壓等級(jí)相對(duì)較高，持續(xù)的投切電阻，一方面使得投切開(kāi)關(guān)容易損壞，出現(xiàn)安全事故，另一方面電阻的投切使直流母線對(duì)地共模電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)影響直流系統(tǒng)中其他設(shè)備的安全[2]。電橋檢測(cè)法引起的直流母線對(duì)地共模電壓波動(dòng)幅度如圖3所示。

圖3 電橋檢測(cè)法導(dǎo)致直流母線對(duì)地共模電壓波動(dòng)Fig.3 The common mode voltage fluctuation led by the bridge method

差流檢測(cè)法只有一次電壓采樣，且不需要投切不平衡電阻，有效的避免了電壓波動(dòng)造成的影響，安全性更高。但在正、負(fù)母線同時(shí)存在對(duì)地絕緣隱患時(shí)，該方法就無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出母線實(shí)際對(duì)地阻抗[3-7]。

2 檢測(cè)方法的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

2.1 檢測(cè)方法的改進(jìn)

一般的直流用電系統(tǒng)中，正負(fù)母線對(duì)地都存在電壓差，因此在采用差流檢測(cè)法時(shí)，不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的接地點(diǎn)。而在光伏直流系統(tǒng)中，直流母線從電池板直接接入逆變器，不存在接地點(diǎn)，因此在差流檢測(cè)電路中需要設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)，使直流母線能夠通過(guò)絕緣隱患點(diǎn)形成回路，產(chǎn)生漏電流Ix。改進(jìn)后的差流檢測(cè)電路如圖4所示。

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)差流檢測(cè)電路恰好是電橋檢測(cè)電路的一部分，這樣在電橋檢測(cè)電路上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電橋檢測(cè)法和差流檢測(cè)法。為了使檢測(cè)方法進(jìn)行統(tǒng)一，可以對(duì)差流檢測(cè)公式進(jìn)行等效變換，即：

其中R+和R-的阻值相等，用R表示。從公式（9）可以看出，在差流檢測(cè)法中，只要檢測(cè)到正、負(fù)母線對(duì)地電壓不相等，即可判斷存在絕緣隱患。

在檢測(cè)過(guò)程中，使圖1中的開(kāi)關(guān)K1、K2處于常開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)為差流檢測(cè)電路，循環(huán)對(duì)橋臂獲取橋臂采樣電壓U+、U-，如果|U+-U-|大于設(shè)定的限值，則控制開(kāi)關(guān)K1、K2投切不平衡電阻，進(jìn)行電橋法檢測(cè)，獲取更詳細(xì)的檢測(cè)結(jié)果。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 等效變換的差流檢測(cè)原理Fig.4 Equivalent schematic diagram of the differential current method

圖5 硬件電路設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the hardware circuit

為了滿(mǎn)足采樣電路電壓要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，把橋臂電阻R2用兩個(gè)電阻R21和R22替代。其中R21為分壓電阻，阻值相對(duì)較小，用來(lái)電壓采樣，R21和R22阻值滿(mǎn)足：

絕緣檢測(cè)裝置選用單片機(jī)ADUC824來(lái)進(jìn)行電路控制、電壓采樣和算法實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)接入兩路電壓采樣信號(hào)，分別對(duì)正、負(fù)橋臂電壓進(jìn)行采樣。接入3路開(kāi)出信號(hào)，兩路控制不平衡橋臂開(kāi)關(guān)K1、K2，一路控制告警信號(hào)。接入一路開(kāi)入信號(hào)，控制絕緣檢測(cè)裝置使能。另外提供一路RS485接口，可以輸出采樣電壓和計(jì)算的絕緣阻值。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

絕緣檢測(cè)算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖執(zhí)行流出如圖6所示。在差流檢測(cè)時(shí)，因?yàn)椴蓸诱`差的存在，U+=U－的情況幾乎不存在，需要設(shè)定一個(gè)限值ε作為差流檢測(cè)判斷依據(jù)。

控制程序使投切電阻開(kāi)關(guān)K1、K2初始化為斷開(kāi)狀態(tài)，然后開(kāi)始執(zhí)行差流檢測(cè)算法。如果程序檢測(cè)的結(jié)果|U+-U-|小于ε，則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行差流檢測(cè)算法；如果程序檢測(cè)結(jié)果|U+-U-|大于ε，則通過(guò)斷開(kāi)或閉合K1、K2來(lái)投切正負(fù)橋臂電阻獲取對(duì)地電壓U1+、U1-和U2+、U2-，把這4個(gè)電壓值代入公式（6）和公式（7）計(jì)算出正負(fù)橋臂對(duì)地絕緣阻抗Rx+和Rx-。如果Rx+和Rx-至少有一個(gè)小于告警限值，則通過(guò)控制單片機(jī)開(kāi)出端口發(fā)出告警信號(hào)，否則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行差流檢測(cè)算法。

圖6 軟件流程設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the software flow

3 參數(shù)整定及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 參數(shù)整定

按照光伏電站的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，絕緣檢測(cè)裝置應(yīng)能承受DC 3000 V耐壓試驗(yàn)，與逆變器一起漏電流不超過(guò)6 m A，因此選取橋臂電阻R2阻值為1 MΩ。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的理論推導(dǎo)，不平衡電阻R1相對(duì)于橋臂電阻R2越小，測(cè)量誤差就越小，但R1阻值過(guò)小，又會(huì)影響采樣精度，本文選取R1阻值選為100 kΩ。光伏直流母線對(duì)地絕緣阻抗要求大于30 kΩ，正負(fù)母線間電壓范圍為400～700 V，本文設(shè)定直流母線電壓為500 V進(jìn)行測(cè)試。

在差流檢測(cè)時(shí)，開(kāi)關(guān)K1、K2斷開(kāi)，根據(jù)電路的串并聯(lián)原理可以得到

其中U為正負(fù)母線之間電壓，R+和R-分別為正負(fù)母線對(duì)地阻抗。根據(jù)并聯(lián)公式可得R+和R-分表達(dá)式分別為

其中R為正負(fù)母線對(duì)地橋臂電阻，Rx+和Rx-為正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻抗。把公式（12）、（13）代入公式（11）并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可得

從公式（14）可以看出|U+-U-|的值與阻抗Rx+、Rx－以及二者的差值|Rx+－Rx－|有關(guān)，|Rx+－Rx－|越大，|U+－U－|越大，如果|Rx+－Rx－|不變，Rx+、Rx－越小，|U+－U－|越大。

為滿(mǎn)足|Rx+－Rx－|＞1 kΩ時(shí)保證能夠準(zhǔn)確檢測(cè)，設(shè)定Rx+=30 kΩ，Rx-=29 kΩ，則可以計(jì)算出|U+－U－|不會(huì)小于8.23，考慮誤差因素，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定ε=6。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，選取不同阻值的Rx+、Rx－組合進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)絕緣母線對(duì)地絕緣良好，即不接絕緣電阻時(shí)，差流檢測(cè)法的計(jì)算結(jié)果|U+－U－|接近于0，遠(yuǎn)小于設(shè)定限值，此時(shí)不會(huì)執(zhí)行橋臂檢測(cè)算法，因此也不會(huì)產(chǎn)生共模電壓波動(dòng)，此時(shí)示波器監(jiān)測(cè)直流母線對(duì)地共模電壓如圖7所示。當(dāng)接入直流母線對(duì)地電阻時(shí)，正負(fù)母線對(duì)地阻抗差值|Rx+－Rx－|較大時(shí)，差流檢測(cè)結(jié)果值較大，但此時(shí)橋臂檢測(cè)法能進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)，確定絕緣阻抗是否低于限值。當(dāng)Rx+、Rx－的值低于限值時(shí)，即使|Rx+－Rx-|=1 kΩ，差流檢測(cè)法也能準(zhǔn)確判斷出|U+－U－|大于設(shè)定值，從而進(jìn)行橋臂檢測(cè)法的進(jìn)一步判斷。從誤差統(tǒng)計(jì)看，增加差流檢測(cè)之后，電橋檢測(cè)法的檢測(cè)精度并未受到影響，誤差仍能保證在7%以?xún)?nèi)。

圖7 新檢測(cè)法運(yùn)行時(shí)的直流母線對(duì)地共模電壓Fig.7 The common mode voltage in the new method

表1 絕緣檢測(cè)測(cè)試結(jié)果（部分）Tab.1 Insulation monitoring test results（part）

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電橋檢測(cè)法和差流檢測(cè)法進(jìn)行研究和分析，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的改進(jìn)檢測(cè)方法。根據(jù)光伏電站的特點(diǎn)，完成了該方法的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)的方法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在不存在絕緣隱患時(shí)完全消除直流母線對(duì)地共模電壓波動(dòng)，提高了直流系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，先差流檢測(cè)，后電橋檢測(cè)，降低了電橋檢測(cè)法因直流母線電壓波動(dòng)導(dǎo)致誤判的可能性。

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Research on DC System to Ground Insulation Detection Method for Photovoltaic Power Stations

YANG Qingbo，HUANG Xiaowei1，2，CHAI Weiqiang1，2，ZOU Fuchun1，2，LI Wenya1，2
（1.XJ Electric Ltd，Xuchang 461000，Henan，China；2.XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

The DC system to ground insulation fault of the photovoltaic power station may cause serious impacts on the safe operation of equipment and personnel safety.The online monitoring of the DC system insulation is an effective way to prevent accidents.This paper studies the common detection methods used for the DC system to ground insulation，and based on the characteristics of the DC system of the photovoltaic power station，the paper proposes a new insulation detection method which combines the bridge method and differential current method and is suitable to the DC system to ground insulation detection for photovoltaic power stations.The experimental results shows that the method can accurately delect the insulation resistance of the DC bus，and eliminate the common mode voltage fluctuation produced by the bridge method，and improve the security and stability of the DC system.

Photovoltaic power station；DC insulation detection；bridge method；differential current method

1674-3814（2017）07-0129-05

TM93

A

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050104）；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5292C0140099）。

Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2015AA050104）；Science and Technology Program of the State Grid Corporation of China（5292C0140099）.

2016-08-25。

楊青波（1982—），男，碩士，工程師，主要研究新能源并網(wǎng)、柔性直流輸電、STATCOM等；

黃小有（1983—），男，碩士，工程師，主要研究新能源并網(wǎng)、光伏逆變器控制系統(tǒng)；

柴衛(wèi)強(qiáng)（1985—），男，本科，工程師，主要研究新能源并網(wǎng)、光伏逆變器控制系統(tǒng)。

（編輯 李沈）