CN102751894A - 检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器及检测方法。本发明包括升压单元、逆变单元，升压单元与逆变单元串联，逆变单元末端与电网之间设置有两级继电器即L线上设置串联的继电器K1、继电器K3，N线上设置串联的继电器K2、继电器K4，继电器K1、继电器K3的中间和继电器K2、继电器K4的中间连接有继电器K5，继电器K5的公共点连接一个电阻R1，电阻R1的另一端直接连接到机壳。本发明简化了检测电路，通常要同时检测太阳能电池板及网侧绝缘电阻，最少需要两套类似电路，能够在不使用更复杂的外加电路的情况下，能同时检测太阳能电池板的正负极以及电网L、N线对大地之间的绝缘电阻值。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器及检测方法。
背景技术
在很多国家的光伏并网标准中都有对非隔离型光伏并网逆变器的绝缘阻抗的规定，要求连接逆变器的太阳能电池板的正负极对于大地之间的绝缘阻抗不小于规定值才能进行并网发电的动作，因此在非隔离的并网逆变器中加入绝缘阻抗的检测是非常必要的，目前对于绝缘电阻的检测大部分都是通过附加简单的电路然后采样相关的变量，然后通过数字处理器来计算出绝缘电阻的值。
目前大多数逆变器的做法是检测太阳能电池板正极（负极）对大地的绝缘电阻值，用检测值和标准要求值对比，当绝缘电阻小于标准要求就可实施保护，以达到保护设备及人员安全的目的，但是大多数逆变器只是检测了太阳能电池板的绝缘电阻，而没有检测电网的接地及绝缘电阻情况，这无疑对光伏逆变器及电网来说都存在一定的危险。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种简化了电路，可以同时检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器及检测方法。
为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：
一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器，其特殊之处在于：包括升压单元、逆变单元，升压单元与逆变单元串联，逆变单元末端与电网之间设置有两级继电器即L线上设置串联的继电器K1、继电器K3，N线上设置串联的继电器K2、继电器K4，继电器K1、继电器K3的中间和继电器K2、继电器K4的中间连接有继电器K5，继电器K5的公共点连接一个电阻R1，电阻R1的另一端直接连接到机壳。
一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器的检测方法，其特殊之处在于：通过组合升压单元和逆变单元的开关，第一步使继电器K1的一端和PV+连接，同时连接继电器K1和继电器K5，使电阻R1连接到PV+，最终可以构成第一等效电路：PV+和电阻R1连接，电阻R1和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压；第二步使继电器K2和PV-连接，同时连接继电器K2，使电阻R1连接到PV-，最终可以构成第二等效电路：PV-和电阻R1连接，电阻R1和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，同时用数字处理器检测采样电阻R1上电压，根据不同时刻采集到的电压进行计算，得到实时的太阳能电池板和电网侧接地电阻值。
一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的检测方法，其特殊之处在于：具体步骤如下：
当开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、继电器K1、继电器K2、继电器K3、继电器K4、继电器K5均处于断开状态，Vpv、Vg处于实时监测中，假设Rx1、Rx2等效为太阳能电池板正负极对地的绝缘电阻值，Rx3、Rx4等效为电网侧L、N极对地的绝缘电阻值；
（1）、闭合开关S5、继电器K2，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录为Ue1，此时构成第二等效电路：PV-直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（2）、闭合开关S2、继电器K2、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，此时采样电阻R1上电压，记录为Ue2，此时构成第一等效电路：PV+直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（3）、闭合继电器K4，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue3，此时构成第二等效电路：电网侧N线直接和电阻R1连接，电阻R1先和N线对机壳的等效电阻Rx4并联，再和L线对机壳的等效电阻Rx3串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
式中Ug1为和Ue3同时段内的电网电压采样平均值；
（4）、闭合继电器K3、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue4，此时构成第一等效电路：电网侧L线直接和电阻R1连接，电阻R1先和L线对机壳的等效电阻Rx3并联，再和N线对机壳的等效电阻Rx4串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
式中Ug为和Ue4同时段内的电网电压采样平均值；
（5）、将方程（1）（2）联立，解方程（1）、（2）即可求得太阳能电池板的正端PV+对机壳的绝缘电阻值Rx1、太阳能电池板的负端PV-对机壳的绝缘电阻值Rx2值，其中采样电阻R1为外加的辅助检测的电阻，且其阻值远小于电阻Rx1、电阻Rx2，其值大小可以根据标准规定的绝缘电阻临界值选取，根据电阻R1和电阻R2对测量精度的影响程度，选其值为标准规定的临界值的1/1000，这样在电阻R1或者电阻R2与被测的电阻Rx1与电阻Rx2并联之后，其并联值基本等于电阻R1或者电阻R2，从而使得公式（1）（2）成立，同理联立方程（3）、（4）可求得电网侧L线对机壳的绝缘电阻值Rx3、电网侧N线对机壳的绝缘电阻值Rx4，通常电网侧N线是和大地直接连接的，所以Rx3值应该很小。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）、本发明简化了检测电路，通常要同时检测太阳能电池板及网侧绝缘电阻，最少需要两套类似电路。
（2）、本发明中使用的检测方法能够在不使用更复杂的外加电路的情况下，能同时检测太阳能电池板的正负极以及电网L、N线对大地之间的绝缘电阻值。
（3）、电网侧N线通常和大地是直接连接的，所以本发明也可用作逆变器接地故障检测。
附图说明
图1为本发明的实施例1的电路原理图；
图2为本发明的是实例2的电路原理图。
图3为本发明的第一等效电路图；
图4为本发明的第二等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明包括升压单元、逆变单元，升压单元与逆变单元串联，逆变单元末端与电网之间设置有两级继电器即L线上设置串联的继电器K1、继电器K3，N线上设置串联的继电器K2、继电器K4，继电器K1、继电器K3的中间和继电器K2、继电器K4的中间连接有继电器K5，继电器K5的公共点连接一个电阻R1，电阻R1的另一端直接连接到机壳。电阻R1在继电器K5不给触发信号的状态下是和继电器K2、K4的中间永久连接的，在有触发信号时是和K1 、K3的中间连接的。
实施例1：参见图1，本发明包括升压单元、逆变单元，升压单元与逆变单元串联，升压单元包括L1、S1和D1， PV+先连接到电感L1一端，L1另一端连接D1一端，D1后接电容C1作为能量缓冲单元，在L1和D1中间连接有开关S1，S1另一端再连接到PV-，当S1开通时，通过电感L1储存能量，当S1关断时，电感L1能量通过D1向C1转移，达到能量传输目的。逆变单元包括C1、S2、S3、S4、S5、L2和L3，开关S2、开关S4和开关S3、开关S5串联接在电容两端，电感L2和L3分别接S2、S4和S3、S5的中点，通过S2、S3、S4、S5的高频开关把C1上得直流电压转换为交流电压，实现能量输出。
逆变单元末端与电网之间设置有两级继电器即L线上设置串联的继电器K1、继电器K3，N线上设置串联的继电器K2、继电器K4，继电器K1、继电器K3的中间和继电器K2、继电器K4的中间连接有继电器K5，继电器K5的公共点连接一个电阻R1，电阻R1的另一端直接连接到机壳。电阻R1在继电器K5不给触发信号的状态下是和继电器K1、K3的中间永久连接的，在有触发信号时是和K2 、K4的中间连接的。
实施例2，参见图2，升压单元，逆变单元还可以有另外的形式，升压单元由S1、D1、L1组成，PV+直接和开关S1，连接S1的另一端串联电感L1，S1和L1中间接二极管D1，D1另一端直接连接PV-和C1的负端，电感L1接电容C1的正端。逆变单元由S2、S3、S4、S5、S6组成，S6串接在C1和S2、S3、S4、S5组成的桥臂之间，开关S2、开关S4和开关S3、开关S5串联后和电容C1并联接在两端，电感L2和L3分别接S2、S4和S3、S5的中点，通过S2、S3、S4、S5的高频开关把C1上得直流电压转换为交流电压，实现能量输出。当S1、S2、S6、K1、接通，K5有触发信号时，电路可以等效为第一等效电路，当S5、K2接通时，电路可以等效为第二等效电路，对比两种电路虽然升压和逆变单元组合形式不太一样，但关键检测元件组合形式一致，都能通过组合开关的开通和关断将电路等效为第一等效电路和第二等效电路，再通过本发明应用的方法达到检测太阳能电池板和电网侧绝缘电阻的目的。
任意采用实施例1或实施例2的电路，本发明的检测方法通过组合升压单元和逆变单元的开关，第一步使继电器K1的一端和PV+连接，同时连接继电器K1和继电器K5，使电阻R1连接到PV+，最终可以第一等效电路（参见图3）：PV+和电阻R1连接，电阻R1和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压；第二步使继电器K2和PV-连接，同时连接继电器K2，使电阻R1连接到PV-，最终可以第二等效电路（参见图4）：PV-和电阻R1连接，电阻R1和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，同时用数字处理器检测采样电阻R1上电压，根据不同时刻采集到的电压进行计算，得到实时的太阳能电池板和电网侧接地电阻值。
任意采用实施例1或实施例2的电路，本发明的检测方法，具体步骤如下：
当开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、继电器K1、继电器K2、继电器K3、继电器K4、继电器K5均处于断开状态，Vpv、Vg处于实时监测中，假设Rx1、Rx2等效为太阳能电池板正负极对地的绝缘电阻值，Rx3、Rx4等效为电网侧L、N极对地的绝缘电阻值；
（1）、闭合开关S5、继电器K2，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录为Ue1，参见图4，此时构成第二等效电路：PV-直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（2）、闭合开关S2、继电器K2、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，此时采样电阻R1上电压，记录为Ue2，参见图3，此时构成第一等效电路：PV+直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（3）、闭合继电器K4，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue3，参见图4，此时构成第二等效电路：电网侧N线直接和电阻R1连接，电阻R1先和N线对机壳的等效电阻Rx4并联，再和L线对机壳的等效电阻Rx3串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
式中Ug1为和Ue3同时段内的电网电压采样平均值；
（4）、闭合继电器K3、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue4，参见图3，此时构成第一等效电路：电网侧L线直接和电阻R1连接，电阻R1先和L线对机壳的等效电阻Rx3并联，再和N线对机壳的等效电阻Rx4串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
式中Ug为和Ue4同时段内的电网电压采样平均值；
（5）、将方程（1）（2）联立，解方程（1）、（2）即可求得太阳能电池板的正端PV+对机壳的绝缘电阻值Rx1、太阳能电池板的负端PV-对机壳的绝缘电阻值Rx2值，其中采样电阻R1为外加的辅助检测的电阻，且其阻值远小于电阻Rx1、电阻Rx2，其值大小可以根据标准规定的绝缘电阻临界值选取，根据电阻R1和电阻R2对测量精度的影响程度，选其值为标准规定的临界值的1/1000，这样在电阻R1或者电阻R2与被测的电阻Rx1与电阻Rx2并联之后，其并联值基本等于电阻R1或者电阻R2，从而使得公式（1）（2）成立，同理联立方程（3）、（4）可求得电网侧L线对机壳的绝缘电阻值Rx3、电网侧N线对机壳的绝缘电阻值Rx4，通常电网侧N线是和大地直接连接的，所以Rx3值应该很小。
Claims (3)
1.一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器，其特征在于：包括升压单元、逆变单元，升压单元与逆变单元串联，逆变单元末端与电网之间设置有两级继电器即L线上设置串联的继电器K1、继电器K3，N线上设置串联的继电器K2、继电器K4，继电器K1、继电器K3的中间和继电器K2、继电器K4的中间连接有继电器K5，继电器K5的公共点连接一个电阻R1，电阻R1的另一端直接连接到机壳。
2.一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的逆变器的检测方法，其特征在于：通过组合升压单元和逆变单元的开关，第一步使继电器K1的一端和PV+连接，同时连接继电器K1和继电器K5，使电阻R1连接到PV+，最终可以构成第一等效电路：PV+和电阻R1连接，电阻R1和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压；第二步使继电器K2和PV-连接，同时连接继电器K2，使电阻R1连接到PV-，最终可以构成第二等效电路：PV-和电阻R1连接，电阻R1和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，同时用数字处理器检测采样电阻R1上电压，根据不同时刻采集到的电压进行计算，得到实时的太阳能电池板和电网侧接地电阻值。
3.根据权利要求2所述的一种检测太阳能电池板及电网侧绝缘电阻的检测方法，其特征在于：具体步骤如下：
当开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、继电器K1、继电器K2、继电器K3、继电器K4、继电器K5均处于断开状态，Vpv、Vg处于实时监测中，假设Rx1、Rx2等效为太阳能电池板正负极对地的绝缘电阻值，Rx3、Rx4等效为电网侧L、N极对地的绝缘电阻值；
（1）、闭合开关S5、继电器K2，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录为Ue1，此时构成第二等效电路：PV-直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV-对机壳的等效电阻Rx2并联，再和PV+对机壳的等效电阻Rx1串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（2）、闭合开关S2、继电器K2、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，此时采样电阻R1上电压，记录为Ue2，此时构成第一等效电路：PV+直接和电阻R1连接，电阻R1先和PV+对机壳的等效电阻Rx1并联，再和PV-对机壳的等效电阻Rx2串联形成电阻分压，由于PV+对PV-的电压已知，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（3）、闭合继电器K4，继电器K5没有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue3，此时构成第二等效电路：电网侧N线直接和电阻R1连接，电阻R1先和N线对机壳的等效电阻Rx4并联，再和L线对机壳的等效电阻Rx3串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
（3）；
式中Ug1为和Ue3同时段内的电网电压采样平均值；
（4）、闭合继电器K3、继电器K5有触发信号，其它开关处于断开状态，采样电阻R1上电压，记录一个电网电压周期内的平均值并命名为Ue4，此时构成第一等效电路：电网侧L线直接和电阻R1连接，电阻R1先和L线对机壳的等效电阻Rx3并联，再和N线对机壳的等效电阻Rx4串联形成电阻分压，由于电网L线对N线的电压在一个电网周期内的平均值可以检测出，R1上电压也可以检测到，根据电阻分压公式可得到方程：
式中Ug为和Ue4同时段内的电网电压采样平均值；
（5）、将方程（1）（2）联立，解方程（1）、（2）即可求得太阳能电池板的正端PV+对机壳的绝缘电阻值Rx1、太阳能电池板的负端PV-对机壳的绝缘电阻值Rx2值，其中采样电阻R1为外加的辅助检测的电阻，且其阻值远小于电阻Rx1、电阻Rx2，其值大小可以根据标准规定的绝缘电阻临界值选取，根据电阻R1和电阻R2对测量精度的影响程度，选其值为标准规定的临界值的1/1000，这样在电阻R1或者电阻R2与被测的电阻Rx1与电阻Rx2并联之后，其并联值基本等于电阻R1或者电阻R2，从而使得公式（1）（2）成立，同理联立方程（3）、（4）可求得电网侧L线对机壳的绝缘电阻值Rx3、电网侧N线对机壳的绝缘电阻值Rx4，通常电网侧N线是和大地直接连接的，所以Rx3值应该很小。
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