光伏直流絕緣監測方法、裝置及一種光伏系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種光伏直流絕緣監測方法。該方法將光伏系統的正直流母線依次通過第一降壓電阻、第一采樣電阻與參考地連接，將光伏系統的負直流母線依次通過第二降壓電阻、第二采樣電阻與參考地連接；向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直流脈沖電壓信號，并測量出每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓；最后分別計算出正、負直流母線的對地絕緣電阻。本發明還公開了一種光伏直流絕緣監測裝置以及一種光伏系統。本發明監測結果不受直流系統對地分布電容的制約且不會增加直流系統的紋波，監測結果更準確，電路實現更簡單。
【專利說明】
光伏直流絕緣監測方法、裝置及一種光伏系統
技術領域
[0001] 本發明涉及光伏系統，尤其涉及一種光伏直流絕緣監測方法、裝置。
【背景技術】
[0002] 目前，太陽能技術已經越來越廣泛地被應用到各行各業中，基于安全方面的考慮， 太陽能光伏電力系統中必須具有絕緣阻抗監測及報警指示功能。但是，現有技術的太陽能 光伏組件并沒有設置這種絕緣阻抗監測裝置。因此，在系統絕緣故障時，很容易發生安全事 故，從而造成人身、財產的危害。光伏直流絕緣監測模塊是專用于太陽能光伏系統的絕緣監 測模塊，實時在線監測光伏直流母線過電壓/欠電壓、對地絕緣下降等故障，出現故障時迅 速查找故障母線或支路，并發出預警或報警信號。
[0003] 現有絕緣阻抗檢測的方法主要有平衡電橋原理和低頻探測原理。根據平衡電橋原 理實現的絕緣阻抗檢測裝置被廣泛使用，但它不能檢測直流系統正、負極絕緣阻抗同等下 降時的絕緣阻抗值;絕緣阻抗檢測裝置即使報警，也不能直接得到系統對地的絕緣阻抗大 小。用低頻探測原理檢測接地故障是近幾年采用的一種新方法，該方法是向直流系統母線 注入低頻交流信號，并通過互感器檢測各支路的交流分量，然后計算得到接地阻抗。但它所 能檢測的接地阻抗受直流系統對地分布電容的制約，而且低頻交流信號容易受外界的干 擾，另外注入的低頻交流信號增大直流系統的電壓紋波系數。可見，電橋平衡原理和低頻探 測原理均存在若干難以克服的缺陷。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種光伏直流絕緣監測 方法、裝置，其監測結果不受直流系統對地分布電容的制約且不會增加直流系統的紋波，監 測結果更準確，電路實現更簡單。
[0005] 本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：
[0006] -種光伏直流絕緣監測方法，將光伏系統的正直流母線依次通過第一降壓電阻、 第一采樣電阻與參考地連接，將光伏系統的負直流母線依次通過第二降壓電阻、第二采樣 電阻與參考地連接；向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直流脈沖電 壓信號，并測量出每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電阻所連接 一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓;最后 根據以下公式分別計算出正、負直流母線的對地絕緣電阻：
[0009] 其中，R+、R-分別表示正、負直流母線的對地絕緣電阻，Us為所述直流脈沖電壓信 號的幅值，R、!^分別為第一降壓電阻、第二降壓電阻的阻值，Rs、!^分別為第一采樣電阻、第 二采樣電阻的阻值，UA1、UA2分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第 一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓，UB1、UB1分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況 下第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓。
[0010] 一種光伏直流絕緣監測裝置，包括：
[0011] 信號注入電路，可向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直流 脈沖電壓信號；
[0012] 響應電路，包括相互串聯的第一降壓電阻、第一采樣電阻以及相互串聯的第二降 壓電阻、第二采樣電阻，第一降壓電阻的另一端、第一采樣電阻的另一端分別連接光伏系統 的正直流母線、參考地，第二降壓電阻的另一端、第二采樣電阻的另一端分別連接光伏系統 的負直流母線、參考地；
[0013] 測量單元，用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓 電阻所連接一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地 的電壓；
[0014] 運算與控制單元，利用測量單元的測量結果，根據以下公式分別計算出正、負直流 母線的對地絕緣電阻：
[0017] 其中，R+、R-分別表示正、負直流母線的對地絕緣電阻，Us為所述直流脈沖電壓信 號的幅值，R、I^分別為第一降壓電阻、第二降壓電阻的阻值，Rs、!^ s分別為第一米樣電阻、第 二采樣電阻的阻值，UA1、UA2分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第 一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓，UB1、UB1分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況 下第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓。
[0018] 優選地，所述信號注入電路包括:兩路注入信號驅動電路以及過壓保護二極管。
[0019] 更進一步地，所述直流電壓源同時作為光伏直流絕緣監測裝置中其它用電部件的 電源。
[0020 ] 優選地，所述測量單元包括結構相同的兩個測量電路，一個測量電路用于測量每 個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電阻所連接一端對參考地的電 壓，另一個測量電路用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第二采樣電阻與第二降壓 電阻所連接一端對參考地的電壓;每個測量電路包括電壓跟隨電路、有源二階低通濾波電 路和信號放大電路。
[0021 ]優選地，所述運算與控制單元為集成有多個2 - A A/D轉換器的微處理器。
[0022] 進一步地，所述光伏直流絕緣監測裝置還包括分別與所述運算與控制單元連接的 操作顯示電路、報警輸出電路、通信電路、測試/復位電路。
[0023] 根據相同的發明思路還可以得到一種光伏系統，包括如上任一技術方案所述光伏 直流絕緣監測裝置。
[0024] 相比現有技術，本發明技術方案具有以下有益效果：
[0025]本發明通過向光伏系統的PE注入兩個正負對稱的直流脈沖電壓信號，并根據兩個 信號注入情況下采樣電阻對參考地的電壓，通過簡單計算得到正負母線的絕緣阻抗，有效 消除了母線電壓對監測結果產生影響，且不會對直流系統產生紋波影響。
[0026] 本發明不需要繼電器投切采樣電阻，不會造成母線電壓波動。
[0027] 本發明電路結構簡單，實現成本低。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明光伏直流絕緣監測方法的原理等效示意圖；
[0029] 圖2為本發明光伏直流絕緣監測裝置中信號注入電路的一個優選實施例；
[0030] 圖3為本發明光伏直流絕緣監測裝置中測量電路的一個優選實施例；
[0031] 圖4為本發明光伏直流絕緣監測裝置中一個優選實施例的基本結構框圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
[0033] 針對現有技術不足，本發明的思路是向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方 向相反的兩個直流脈沖電壓信號，并根據與正、負直流母線連接的響應電路的響應信號，通 過簡單的計算得到正、負直流母線的對地絕緣阻抗。具體的，本發明光伏直流絕緣監測裝 置，包括：
[0034] 信號注入電路，可向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直流 脈沖電壓信號；
[0035]響應電路，包括相互串聯的第一降壓電阻、第一采樣電阻以及相互串聯的第二降 壓電阻、第二采樣電阻，第一降壓電阻的另一端、第一采樣電阻的另一端分別連接光伏系統 的正直流母線、參考地，第二降壓電阻的另一端、第二采樣電阻的另一端分別連接光伏系統 的負直流母線、參考地；
[0036]測量單元，用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓 電阻所連接一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地 的電壓；
[0037] 運算與控制單元，利用測量單元的測量結果，分別計算出正、負直流母線的對地絕 緣電阻。
[0038]圖1為本發明光伏直流絕緣監測方法的原理等效示意圖。如圖1所示，Us為信號注 入電路向PE線（即上述所述的保護線，也就是光伏系統的對地連接線，例如光伏系統的外殼 等)所注入的正負對稱的兩個脈沖直流信號，例如：± 24V，不僅限于± 24V，圖中的PV+為正 直流母線，PV-為負直流母線，R+為正母線對地絕緣電阻，R-為負母線對地絕緣電阻，R、R'分 別為正、負母線端降壓電阻，Rs、Rs'分別為正、負母線端采樣電阻。U+為正母線對參考地電 壓，U-為負母線對參考地電壓，（U+-U-)為母線電壓，Us為注入正負對稱的脈動直流電壓幅 值；
[0039] 根據電路原理，正母線支路上A點的電壓可以表示為：
[0040] 注入+Us時，+母線端采樣電阻Rs上采樣電壓
[0041 ] UAl=Us*Rs/(R++R+Rs)+U+*Rs/(R+Rs)+U-*Rs/(R++R-+R+Rs);
[0042] 注入-Us時，+母線端采樣電阻Rs上采樣電壓
[0043] UA2 = -Us*Rs/(R++R+Rs)+U+*Rs/(R+Rs)+U-*Rs/(R++R-+R+Rs);
[0044] 由上式可得1^1-說2 = 21]8*1^/(1?++1?+1^)，進而可得到：
[0045] R+ = 2Us*Rs/(UAl-UA2)-R_Rs，
[0046]顯然上述等式表明R+的計算僅與注入信號有關，因此從方法上消除了母線電壓的 影響；
[0047] 同理，負母線支路上B點的電壓UB1-UB2 = 2Us*Rs'/(R-+R' +Rs'），進而可得到：
[0048] R- = 2Us*Rs'/(UBl-UB2)-R'-Rs'。
[0049] 亦即，運算與控制單元根據以下公式分別計算出正、負直流母線的對地絕緣電阻：
[0052] 其中，R+、R_分別表示正、負直流母線的對地絕緣電阻，Us為所述直流脈沖電壓信 號的幅值，R、I^分別為第一降壓電阻、第二降壓電阻的阻值，Rs、!^ s分別為第一米樣電阻、第 二采樣電阻的阻值，UA1、UA2分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第 一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓，UB1、UB1分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況 下第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓。
[0053]本發明技術方案中的信號注入電路可采用現有的各種信號生成電路，但考慮到僅 需要向PE線注入正負對稱的兩個脈沖直流信號，因此，可以直接利用裝置中其它部件(例如 運算與控制單元）的直流電源作為信號源，通過可控開關進行控制從而產生所需的注入信 號。根據該思路可以得到本發明一個優選方案：
[0054]所述信號注入電路包括:兩路注入信號驅動電路以及過壓保護二極管。
[0055] 圖2顯示了上述信號注入電路的一種具體實現電路。如圖2所示，所述信號注入電 路包括：由電阻R13~R23、電感L1、三極管VI~V4組成的兩路注入信號驅動電路以由二極管 D1~D2組成的過壓保護二極管。其中每一路注入信號驅動電路包含一對互補驅動管，NPN和 PNP三極管或N型和P型M0S管，由運算與控制單元控制開通或關斷。當需要注入正脈沖直流 信號時運算與控制單元的I/O口發出高電平導通三極管V2,從而導通三極管VI，VS經三極管 VI，電阻R18、R13、電感L1注入PE線；當需要注入負脈沖直流信號時運算與控制單元的I/O口 發出高電平導通三極管V4,從而導通三極管V3，-VS經三極管V3,電阻R19、R13、電感L1注入 PE線;VS、-VS分別為運算與控制單元的直流電源的正、負輸出端，二極管D1~D2為線路過壓 保護用，但不僅限于二極管，也可為TVS管等。
[0056] 本發明技術方案中的測量單元同樣可采用現有的各種測量電路實現，為了簡化電 路，提高測量精度，本發明進一步提出了以下的測量單元實現方案：
[0057] 所述測量單元包括結構相同的兩個測量電路，一個測量電路用于測量每個直流脈 沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓，另一個 測量電路用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第二采樣電阻與第二降壓電阻所連 接一端對參考地的電壓;每個測量電路包括電壓跟隨電路、有源二階低通濾波電路和信號 放大電路。
[0058] 所述的電壓跟隨電路的輸入端與正直流母線（或負直流母線）的降壓電阻和采樣 電阻的連接端連接，用于降壓電阻電路與濾波采樣電路的隔離，消除降壓電阻電路對濾波 采樣電路的影響。所述的有源二階低通濾波電路與電壓跟隨電路連接，用于濾除采樣信號 中高頻干擾信號。所述的信號放大電路與有源二階低通濾波電路連接后再接入運算與控制 單元的S - A A/D轉換器，用于電壓測量信號范圍與運算與控制單元的5： - A A/D轉換器輸入 信號范圍匹配。
[0059] 圖3顯示了上述測量單元中測量電路的一種優選電路結構。如圖3所示，所述測量 電路包括：由運算放大器N2B電壓跟隨電路，由電阻R8、R9,電容C4、C5,運算放大器N1A組成 的有源二階低通濾波電路，由電阻R10~R12,電容C6、運算放大器N2A構成的信號放大電路。 其中電壓跟隨電路的運算放大器N2B的同相輸入端與正直流母線(或負直流母線）的降壓電 阻和采樣電阻的連接端連接，運算放大器N2B的反相輸入端與輸出端連接后與有源二階低 通濾波電路的電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端與電容C4、電阻R9的連接端連接，電容C4 的另一端同時連接運算放大器N1A的反相輸入端、輸出端，電阻R9的另一端同時連接運算放 大器N1A的同相輸入端、電容C5的一端，電容C5的另一端連接參考地，運算放大器N1A的輸出 端還與信號放大電路的電阻R10的一端連接，電阻R10的另一端同時與電容C 6的一端、電阻 Rl 1的一端、運算放大器N2A的反相輸入端連接，運算放大器N2A的同相輸入端接參考地，運 算放大器N2A的輸出端與電阻R12的一端連接，電容C6的另一端、電阻R11的另一端以及電阻 R12的另一端同時與運算與控制單元的2-八4/0轉換器連接。其中運算放大器附4、呢4、呢8 采用LF412。
[0060] 本發明光伏直流絕緣監測裝置中還可以進一步增設與所述運算與控制單元連接 的操作顯示電路、報警輸出電路、通信電路、測試/復位電路。通過操作顯示電路可實現監測 結果的顯示以及監測參數的輸入，通過通信電路可將監測結果傳輸至上位機或移動終端， 當監測到絕緣故障時可通過報警輸出電路進行聲光報警。圖4即顯示了采用上述進一步改 進方案的光伏直流絕緣監測裝置結構框圖，其中的運算與控制單元采用集成有多個帶PGA 運放單元的S - A A/D轉換器的微處理器，測量電路可直接使用這些集成的2 - A A/D轉換 器，從而進一步簡化了電路結構。
【主權項】
1. 一種光伏直流絕緣監測方法，其特征在于，將光伏系統的正直流母線依次通過第一 降壓電阻、第一采樣電阻與參考地連接，將光伏系統的負直流母線依次通過第二降壓電阻、 第二采樣電阻與參考地連接；向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直 流脈沖電壓信號，并測量出每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電 阻所連接一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的 電壓;最后根據以下公式分別計算出正、負直流母線的對地絕緣電阻：其中，R+、R-分別表示正、負直流母線的對地絕緣電阻，Us為所述直流脈沖電壓信號的幅 值，R、!^分別為第一降壓電阻、第二降壓電阻的阻值，Rs、!^ s分別為第一米樣電阻、第二米樣 電阻的阻值，UA1、UA2分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓 電阻所連接一端對參考地的電壓，UB1、UB1分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第二 采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓。2. -種光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，包括： 信號注入電路，可向光伏系統的保護線先后注入幅值相等、方向相反的兩個直流脈沖 電壓信號； 響應電路，包括相互串聯的第一降壓電阻、第一采樣電阻以及相互串聯的第二降壓電 阻、第二采樣電阻，第一降壓電阻的另一端、第一采樣電阻的另一端分別連接光伏系統的正 直流母線、參考地，第二降壓電阻的另一端、第二采樣電阻的另一端分別連接光伏系統的負 直流母線、參考地； 測量單元，用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓電阻 所連接一端對參考地的電壓以及第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電 壓； 運算與控制單元，利用測量單元的測量結果，根據以下公式分別計算出正、負直流母線 的對地絕緣電阻：其中，R+、R-分別表示正、負直流母線的對地絕緣電阻，Us為所述直流脈沖電壓信號的幅 值，R、!^分別為第一降壓電阻、第二降壓電阻的阻值，Rs、!^ s分別為第一米樣電阻、第二米樣 電阻的阻值，UA1、UA2分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻與第一降壓 電阻所連接一端對參考地的電壓，UB1、UB1分別為兩個直流脈沖電壓信號注入情況下第二 采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓。3. 如權利要求2所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，所述信號注入電路包括:兩 路注入信號驅動電路以及過壓保護二極管。4. 如權利要求3所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，每一路注入信號驅動電路包 含一對互補驅動管，由運算與控制單元控制開通或關斷。5. 如權利要求3所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，所述直流電壓源同時作為光 伏直流絕緣監測裝置中其它用電部件的電源。6. 如權利要求2所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，所述測量單元包括結構相同 的兩個測量電路，一個測量電路用于測量每個直流脈沖電壓信號注入情況下第一采樣電阻 與第一降壓電阻所連接一端對參考地的電壓，另一個測量電路用于測量每個直流脈沖電壓 信號注入情況下第二采樣電阻與第二降壓電阻所連接一端對參考地的電壓;每個測量電路 包括電壓跟隨電路、有源二階低通濾波電路和信號放大電路。7. 如權利要求6所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，所述運算與控制單元為集成 有多個5： - A A/D轉換器的微處理器。8. 如權利要求2~7任一項所述光伏直流絕緣監測裝置，其特征在于，該裝置還包括分 別與所述運算與控制單元連接的操作顯示電路、報警輸出電路、通信電路、測試/復位電路。9. 一種光伏系統，包括如權利要求2~8任一項所述光伏直流絕緣監測裝置。
【文檔編號】G01R27/14GK106053946SQ201610329726
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】殷建強, 管瑞良, 孫芝雨
【申請人】常熟開關制造有限公司(原常熟開關廠）