光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)絕緣阻抗檢測(cè)的研究

耿后來(lái)，程 林，王 凱，李 順，顧亦磊

（陽(yáng)光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

國(guó)內(nèi)外對(duì)直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)裝置采用的檢測(cè)方法主要有交流注入法和電橋平衡法[1-3]。交流注入法需要通過(guò)特定裝置向直流系統(tǒng)注入交流信號(hào)，特定裝置對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行提取分析，但此方法受光伏直流分布電容影響較大[4]，且成本高。本文設(shè)計(jì)了一種基于電橋平衡法改進(jìn)的絕緣監(jiān)測(cè)電路，并對(duì)其原理進(jìn)行了詳細(xì)推倒。結(jié)果顯示，此電路成本低，無(wú)需注入交流信號(hào)，能準(zhǔn)確檢測(cè)直流側(cè)對(duì)地絕緣阻抗。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)、檢測(cè)原理介紹

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)及檢測(cè)電路介紹

圖1為光伏發(fā)電系統(tǒng)圖，主要包括電池板、線路、匯流箱和并網(wǎng)逆變器。直流側(cè)的電池板、線路及匯流箱等對(duì)大地都會(huì)有阻抗，只有阻抗大于一定值，才能使流入大地的電流小于一定值，才認(rèn)為直流側(cè)的絕緣滿(mǎn)足要求，才能控制逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖

IEC62109-2要求用于未接地陣列的逆變器的陣列絕緣電阻檢測(cè)有明確的保護(hù)要求，如果直流對(duì)地絕緣阻抗低于R=直流側(cè)最大電壓/30 mA，則必須保持故障狀態(tài)，直至電池板對(duì)地阻抗恢復(fù)到R值以上，逆變器才能恢復(fù)運(yùn)行。

將光伏系統(tǒng)直流側(cè)對(duì)地絕緣等效電路和逆變器對(duì)地絕緣檢測(cè)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化等效，如圖2所示。它包括n路電池板的正端PVn+（n為大于等于1的整數(shù)）對(duì)大地分別接了阻抗，分別為一號(hào)等效電阻Rp1、二號(hào)等效電阻Rp2……n號(hào)等效電阻Rpn，電池板的負(fù)端PV-對(duì)大地的等效電阻為RB1、RB2、RB3；PV-對(duì)地電壓經(jīng)過(guò)電阻RB2、RB1分壓后得到電壓VISO，電壓VISO經(jīng)過(guò)運(yùn)放及調(diào)理電路處理，最終送入DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的AD轉(zhuǎn)換接口由DSP進(jìn)行計(jì)算判斷。由于絕緣檢測(cè)電路運(yùn)行時(shí)需要連接電池板正負(fù)對(duì)地之間，因此承受電壓較高，故其本身的漏電流必須非常低。通常Rpn、RB1、RB3是有多個(gè)電阻串并聯(lián)完成，且阻值必須非常高（通常都是兆歐姆級(jí)別）；RB2為分壓檢測(cè)電阻，阻值較低，通常為千歐姆級(jí)別。

RXp1、RXp2、…、RXpn為電池板PV1+、PV2+、…、PVn+分別對(duì)應(yīng)的對(duì)地等效阻抗，RXn1為電池板PV-對(duì)大地之間的等效阻抗。這些等效阻抗受環(huán)境、施工布線、老化等多重因素影響，阻值大小不一。它的阻值大小反映了電池板的對(duì)地絕緣情況。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)阻抗計(jì)算

如圖2所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)地阻抗計(jì)算過(guò)程通過(guò)開(kāi)關(guān)K1的斷開(kāi)與吸合分別得到不同的VISO電壓值，然后依據(jù)等效方程進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K1關(guān)斷時(shí)，此時(shí)檢測(cè)電路流過(guò)大地的電流和外部等效電阻流過(guò)大地的電流是相等的，見(jiàn)方程式（1）所示。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，此時(shí)檢測(cè)電路流過(guò)大地的電流和外部等效電阻流過(guò)大地的電流是相等的，方程式如式（2）所示。

圖2 光伏系統(tǒng)等效阻抗及檢測(cè)電路圖

方程（2）減去方程（1），可得方程（3）。

將方程（3）變形，可得方程（4）。

則由式（4）可得對(duì)地阻抗為如式（5）所示。

由于VOB1、VOB2可以通過(guò)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)到，而Rp1、Rp2、…、Rpn、RB1、RB2為已知阻值，故通過(guò)式（5）可以求出系統(tǒng)阻抗。

Rx為光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的所有的電池板對(duì)地絕緣電阻并聯(lián)值，其值大小能夠直接反映直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣狀況。

2 測(cè)試過(guò)程中的影響因素

2.1 高壓探頭的影響

高壓探頭本身有阻抗，通過(guò)理論分析及測(cè)試電路測(cè)試可知，其阻抗約為4 MΩ。如圖3所示，當(dāng)測(cè)試大地GND對(duì)PV-之間的電壓時(shí)，則會(huì)將高壓探頭本身阻抗并聯(lián)在電阻RXn兩端，故會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)有偏差。因此，測(cè)試時(shí)不能將高壓隔離探頭在PV+對(duì)地或者PV-對(duì)地之間并聯(lián)，否則當(dāng)PV+對(duì)地或者PV-對(duì)地之間阻抗較大時(shí)，將影響采樣精度。

2.2 絕緣阻抗大時(shí)對(duì)采樣的影響

當(dāng)電池板負(fù)極對(duì)地絕緣較差時(shí)，此時(shí)對(duì)地阻抗值較低。根據(jù)上述式（5）計(jì)算得到的值為負(fù)值，不符合理論推導(dǎo)。最后通過(guò)分析計(jì)算，為采樣誤差所致。例如，當(dāng)K1吸合后，理論上開(kāi)關(guān)K1吸合前計(jì)算的對(duì)地電壓一定大于開(kāi)關(guān)K1吸合后的對(duì)地電壓，而由于此時(shí)阻抗非常大，當(dāng)電池板對(duì)地阻抗較低時(shí)，K1吸合后采集的電壓VISO幾乎沒(méi)有變化。由于采樣波動(dòng)甚至出現(xiàn)開(kāi)關(guān)吸合后電壓略微高于吸合前的電壓，因此計(jì)算時(shí)需要加判斷算法，需要依據(jù)Ig1或者Ig2的情況進(jìn)行區(qū)分判斷，從而避免計(jì)算異常。

2.3 電池板寄生電容的影響

寄生電容隨著PV陣列中的導(dǎo)電面積的增加而增加，隨著電池串并聯(lián)的增多，面積越來(lái)越大，寄生電容也越來(lái)越大。如果早晚或陰雨天電池板表面是潮濕的，電池板對(duì)地寄生電容將進(jìn)一步增加。如圖4所示，在PV-與GND之間等效并聯(lián)了一個(gè)對(duì)地電容C1。

圖3 含探頭的光伏系統(tǒng)等效阻抗檢測(cè)電路圖

圖4 含寄生電容的光伏系統(tǒng)等效阻抗檢測(cè)電路圖

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容C1值較大不能忽略時(shí)，需考慮其帶來(lái)的影響。由于電容兩端的電壓不能突變，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定需要一個(gè)過(guò)程，故采樣電壓VISO可能需要等待一段時(shí)間，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量到的電壓是系統(tǒng)還未完全穩(wěn)定時(shí)的值，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)到正確的值而導(dǎo)致逆變器出現(xiàn)誤報(bào)故障等風(fēng)險(xiǎn)。理論上，電容容值越大，等效阻抗越大，需要等待時(shí)間越長(zhǎng)。

對(duì)圖4進(jìn)行仿真，當(dāng)n=1、Rp1=3 MΩ、RXn=3 MΩ，并聯(lián)RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1在5 s吸合后，仿真結(jié)果如圖5所示。采集的電壓需要等到8 s左右才能基本穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行電池板對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)時(shí)，等開(kāi)關(guān)K1吸合后要等待一段時(shí)間再進(jìn)行對(duì)地絕緣電壓采用和計(jì)算。

圖5 電容對(duì)檢測(cè)電壓影響仿真圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)前文所述的原理、電路及計(jì)算公式，將此檢測(cè)電路預(yù)制于逆變器中。檢測(cè)電路將檢測(cè)到的電壓VISO送入到DSP中，DSP則依據(jù)檢測(cè)公式計(jì)算電池板的對(duì)地阻抗。該電路及計(jì)算方法經(jīng)各種工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)對(duì)地絕緣的精確測(cè)量。當(dāng)輸入直流電壓 600 V、n=1、RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ時(shí)，PV+對(duì)地加各種阻值的電阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路及計(jì)算公式可精確測(cè)試電池板接地阻抗值，測(cè)量相對(duì)誤差±4%以?xún)?nèi)。

當(dāng)輸入直流電壓為600 V時(shí)，PV-對(duì)地加各種阻值的電阻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 絕緣檢測(cè)部分測(cè)試結(jié)果1

表2 絕緣檢測(cè)部分測(cè)試結(jié)果2

從表2的測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路及計(jì)算公式可精確測(cè)試電池板接地阻抗值，除掉50 kΩ點(diǎn)，測(cè)量相對(duì)誤差在±5%以?xún)?nèi)。PV-對(duì)地檢測(cè)精度比PV+對(duì)地監(jiān)測(cè)精度偏低，主要原因是PV-對(duì)地加小電阻后開(kāi)關(guān)吸合并聯(lián)RB1后電壓VISO變化不大，由采樣誤差偏大所致。

逆變器在國(guó)內(nèi)外的各種工況的光伏電站運(yùn)行，每一天都要進(jìn)行絕緣阻抗檢測(cè)。從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，該電路及原理可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的直流側(cè)對(duì)地絕緣的檢測(cè)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)阻抗檢測(cè)進(jìn)行介紹，并對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)的公式推導(dǎo)。對(duì)實(shí)際測(cè)試過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，最后進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，該檢測(cè)電路及檢測(cè)方法能準(zhǔn)確檢測(cè)電池對(duì)地阻抗，相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，成本低，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。