光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统及其检测方法
【专利摘要】本发明涉及的一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于它包括单元一、单元二、单元三、单元五一、单元五二、单元六、单元七、单元八以及单元九；上述的各单元组成如下：单元一：绝缘采样电路；单元二：滤波运放电路；单元三：为单片机；单元五一：组串电流采样电路；单元五二：直流母线电压采集电路；单元六：分别提供单片机工作电源、继电器工作电源、通信电路工作电源、分合闸线圈工作电源；单元七：光伏组串正负汇集电路，单元八：为带分合闸线圈的直流断路器；单元九：分别提供单片机启动工作电源、继电器驱动备用电源、通信电路备用电源、分合闸线圈备用电源。本发明具有结构简单、便于施工、适应性强、安全性好的优点。
【专利说明】
光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统及其检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 光伏发电系统布线复杂、支路多、距离长，不可避免会有线缆自然老化，或外力等 因素导致线缆绝缘层的破坏，使直流电缆正极或负极对地的绝缘电阻降低至某一值，甚至 出现接地故障。
[0003] 在光伏发电系统中，通常直流侧正负极都是对地绝缘的，在发生一极接地时由于 没有构成接地电流通路而不会引起任何危害。但如此时发生异极性接地，则造成直流电源 短路，输出熔断丝熔断、开关烧毁、逆变器可能出现故障。对于金属屋面电站，直流短路严重 时发生短路电弧，烧穿屋面引起火灾。
[0004] 电缆绝缘下降，还会造成运营维护人员的人身安全。另外由于光伏系统直流输入/ 输出回路多，为安全运维，也有必要有效地监测和查找绝缘下降的具体支路，及时处理，使 系统安全稳定运行。
[0005] 目前光伏汇流箱技术：只有光伏组串电流检测、直流母线电压检测、附加的非电量 检测以及通讯功能。缺少关键的绝缘电阻检测功能，特别对各组串的绝缘情况无法检测，一 旦绝缘有问题，需要人工去排查，费时费力。上述技术主要缺点如下： 1、电缆绝缘下降，会造成运营维护人员的人身安全。
[0006] 2、电缆绝缘下降，当线路发漏电时，由于故障线路不能自动跳开，容易发生火灾、 设备损坏等事故。
[0007] 2、电缆绝缘下降，当线路发漏电时，由于母线侧总断路器不能自动跳开，容易形成 其余直流电源电流反灌，造成事态进一步扩大。
[0008] 3、只有母线绝缘电阻检测功能时只能反映众多组串总体的绝缘情况，对各组串的 绝缘情况无法检测，一旦组串绝缘有问题，需要人工去排查，费时费力。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种结构简单、便于施工、适应性强、安全 性好的光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统及其检测方法。
[0010] 本发明的目的是这样实现的： 一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于它包括单元一、单元二、单元 三、单元五一、单元五二、单元六、单元七、单元八以及单元九； 上述的各单元组成如下： 单元一:绝缘采样电路，包括开关一、开关二、电阻一、电阻二，开关一以及电阻一串接 形成第一支路位于直流正极母线与大地之间，开关二以及电阻二串接形成第二支路位于直 流正极母线与大地之间； 单元二:滤波运放电路，包括电阻三、电阻三一、电阻四、电容一以及运放，电阻三和运 放串联，电阻四的两端跨接于运放的反向输入端和输出端之间，电阻三和运放串联之间通 过并联的电阻三一和电容一接地，电阻三的一端和大地连接； 单元三:为单片机； 单元三连接运放的信号输出端； 单元三连接单元五一； 单元三连接单元五二； 单元三控制组串的继电器的通断以及控制分合闸线圈的通断； 单元五一:组串电流采样电路； 单元五二:直流母线电压采集电路； 单元六:分别提供单片机工作电源、继电器工作电源、通信电路工作电源、分合闸线圈 工作电源； 单元七:光伏组串正负汇集电路，包括直流正极母线和直流负极极母线，其中直流正极 母线由η条直流正极支线并联而成，直流负极母线由η条直流负极支线并联而成，η条直流正 极支线上分别串联有组串正极、光伏熔断器、继电器以及隔离二极管;η条直流负极支线上 分别串联有组串负极极、光伏熔断器以及继电器； 单元八:为带分合闸线圈的直流断路器，直流断路器接单元七的直流正极母线和直流 负极极母线； 单元九:分别提供单片机启动工作电源、继电器驱动备用电源、通信电路备用电源、分 合闸线圈备用电源。
[0011] -种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统还包括单元四，单元四为通信电路， 用于将汇流箱采集的电量、非电量参数上传到远方，单元四将信号传递给单元三。
[0012] 单元九电路输入取自于η条组串以外的一块光伏电池板。
[0013] -种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其检测方法如下： 白天来临时，光伏组串及光伏电池板得电，单元九优先工作，接通第一条直流正极支线 上的继电器和第一条直流负极支线上的继电器，第一条光伏组串上的电压加到直流正极母 线和直流负极极母线，单元六因得电开始工作，通过绝缘采样电路，单元三计算出对应第一 条组串的第一条直流正极支线和第一条直流负极支线对地等效绝缘电阻大小，分析该支路 对地绝缘电阻是否正常，并做好标记，并确定运行时第一条组串是否投入发电； 第一条组串的对地绝缘电阻采样结束后，断开第一条直流正极支线上的继电器和第一 条直流负极支线上的继电器，延时接通第二条直流正极支线上的继电器和第二条直流负极 支线上的继电器，第二条光伏组串上的电压加到直流正极母线和直流负极极母线，单元六 因得电开始工作，通过绝缘采样电路，单元三计算出对应第二条组串的第二条直流正极支 线和第二条直流负极支线对地等效绝缘电阻大小，分析该支路对地绝缘电阻是否正常，并 做好标记，并确定运行时第二条组串是否投入发电； 同理，延时接通下一路继电器，直至第η条直流正极支线上的继电器和第η条直流负极 支线上的继电器;将第η条组串的对地等效绝缘电阻采样结束后，根据组串绝缘健康标志 位，处于绝缘健康的组串可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串支路的继电器 吸合，对于处于绝缘不健康的组串则不可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串 支路的继电器断开。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1、分时控制，通过继电器的投切电路，能够每个光伏组串的绝缘状态作出检测和评价。 如能出现绝缘问题，能准确定位到具体的组串，能减少现场故障排除的工作量。
[0015] 2、根据绝缘健康状态，确定绝缘良好的组串投入运行，进行发电，把绝缘状态较差 的组串从发电系统中切出出来，既可及时检修排除故障，防止出现事故进一步扩大，提高了 系统可靠性。
[0016] 3、各组件串的开路电压均可测量，并加以存储，可以分析组件的电气性能变化情 况，特别是预测组件衰减情况。
[0017] 4、汇流箱电气参数与非电量参数均可通过通讯电路远传至监控中心，自动化程度 高。也可以通过监控后台接受电站指令将设备接入和退出发电系统。当监控后台需要总体 绝缘评估时，可以下发监控命令，汇流箱执行相应动作并实时上传。
[0018] 5、装置具有电源冗余技术，通过单元九AU9的优先启动，部件正常工作电源可取自 单元六AU6，单元六AU6和单元九AU9相互独立，可靠性高。在检测过程中即使有光伏组串出 现断路、短路，不影响装置对该串的绝缘性能检测和评估。因单元九AU9的电源输出电压比 单元六AU6的电源输出电压略高，故一旦单元九AU9电源满足供电条件，负载就用单元九AU9 输出的电源，单元六AU6电源处于热备份状态而不带负载运行。
[0019] 因此本发明光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统具有结构简单、便于施工、适 应性强、安全性好的优点。
【附图说明】
[0020] 图1为单元一、单元二、单元三、单元四、单元五一以及单元五二的示意图。
[0021] 图2为单元六的示意图。
[0022]图3为单元七和单元八的示意图。
[0023]图4为单元九的示意图。
【具体实施方式】
[0024]参见图1~图4,本发明涉及的一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，它包括 单元一AU1、单元二AU2、单元三AU3、单元四AU4、单元五一AU5-1、单元五二AU5-2、单元六 AU6、单元七AU7、单元八AU8以及单元九AU9。
[0025] 上述的各单元组成如下： 单元一 AU1:绝缘采样电路，包括开关一 S1、开关二S2、电阻一 R1、电阻二R2,其中开关一 S1、开关二S2为受单片机控制的电子隔离开关，电阻一R1、电阻二R2为直流取样电阻;开关 一S1以及电阻一R1串接形成第一支路位于直流正极母线与大地之间，开关二S2以及电阻二 R2串接形成第二支路位于直流正极母线与大地之间，在直流正极母线与大地之间还存在有 直流正极母线对地等效绝缘电阻Rx，在直流负极母线与大地之间还存在有直流负极母线对 地等效绝缘电阻Ry。
[0026] 单元二AU2:滤波运放电路，包括电阻三R3、电阻三一 R31、电阻四R4、电容一 C1以及 运放0ΑΜΡ(运算放大器），电阻三R3和运放0ΑΜΡ串联，电阻四R4的两端跨接于运放0ΑΜΡ的反 向输入端和输出端之间，电阻三R3和运放0ΑΜΡ串联之间通过并联的电阻三一R31和电容一 Cl接GND(接地）。电阻三R3的一端和大地连接。其中电阻三R3以及电阻三一 R31构成分压电 路，电容一C1起低通滤波作用；电阻三一R31、电阻四R4确定了运放OAMP的运放电路的电压 放大倍数。
[0027] 单元三AU3:为带A/D转换功能的单片机，具有众多的I/O接口；并具有通讯接口。
[0028] 单元三AU3的一个A/D接口连接运放0ΑΜΡ的信号输出端； 单元三AU3连接单元四AU4; 单元三AU3连接单元五一 AU5-1; 单元三AU3连接单元五二AU5-2; 单元三AU3的第1 -η个I /0接口分别控制组串的继电器的通断，第n+1个I /0接口控制分 合闸线圈的通断。
[0029]单元四AU4:通信电路，用于将汇流箱采集的电量、非电量参数上传到远方，可实现 监视测量自动化。单元四AU4将信号传递给单元三AU3。
[0030] 单元五一 AU5-1:组串电流采样电路。单元五一 AU5-1将信号传递给单元三AU3。 [0031] 单元五二AU5-2:直流母线电压采集电路。单元五二AU5-2将信号传递给单元三 AU3〇
[0032]单元六AU6:为一号DC/DC转换电路形成的隔离电源，分别提供单片机工作电源、继 电器工作电源、通信电路工作电源、分合闸线圈工作电源。
[0033] 单元七AU7:光伏组串正负汇集电路，包括直流正极母线和直流负极极母线，其中 直流正极母线由η条直流正极支线并联而成，直流负极母线由η条直流负极支线并联而成，η 条直流正极支线上分别串联有组串正极（PV1+~PVn+)、光伏熔断器(FU11~FUln)、继电器 (Dis-ΙΙ~Dis-ln)以及隔离二极管(VD11~VDln);n条直流负极支线上分别串联有组串负极 极(PV1-PVn-)、光伏熔断器(FU21~FU2n)以及继电器(Dis-21~Dis-2n);继电器开合受单 片机信号控制。
[0034] 单元八AU8:为带分合闸线圈的直流断路器，直流断路器接单元七AU7的直流正极 母线和直流负极极母线。
[0035] 单元九AU9:为二号DC/DC转换电路，电路输入取自于组串（PV1~PVn)以外的一块光 伏电池板，开路电压为标称直流24V，功率不小于20W;该二号DC/DC转换电路分别提供单片 机启动工作电源、继电器驱动备用电源、通信电路备用电源、分合闸线圈备用电源。
[0036] 工作原理： 由于绝缘电阻可用恒定电场理论进行计算，和电介质的漏电率T有关，和导体半径及 绝缘层厚度相关，也和导体长度有关。具体计算则比较困难。用等效电阻法测绝缘电阻，不 失一般性假设:直流正极母线对地等效绝缘电阻为Rx，直流负极母线对地等效绝缘电阻为 Ry〇
[0037] Rx和Ry间没有绝对的关系。由于Rx、Ry不可视，直接测量比较困难。目前多用平衡 电桥法测试，缺点是当Rx和Ry均等下降时，不能发出直流系统一点接地信号。
[0038] 本发明克服了平衡电桥法测绝缘电阻的缺点，简述如下： 为计算方便，实际接入电阻一 R1、电阻二R2。
[0039] 开关二S2断开，开关一 S1合，测得直流正极母线DC+对地电压为U1; 开关一 S1断开，开关二S2合，测得直流正极母线DC+对地电压为U2; 测得:直流正极母线DC+、直流负极母线DC-间电压为Uz，则：
[0040] 工作过程： 1、休眠过程： 由于光伏系统是光伏发生原理，黑夜时，由于光伏组件串及光伏电池板无电压输出，单 元六AU6及单元九AU9均处于不工作状态，所有继电器处于断开状态。系统在等待启动过程 的到来。
[0041 ] 2、启动过程： 白天来临时，虽然光伏组件串及光伏电池板有电压输出，但此时由于继电器断开，单元 六AU6尚未处于工作状态。单元九AU9优先得到工作，单片机因获得启动工作电源进行初始 化，转入检测过程。
[0042] 3、检测过程： 夜间光伏发电系统停止发电，直流断路器处于分闸状态，即保证汇流箱的绝缘只与本 体所连接的光伏组串有关，而于其他线路无关。
[0043] 白天来临时，光伏组串及光伏电池板得电，单元九AU9优先工作。接通第一条直流 正极支线上的继电器Dis-ΙΙ和第一条直流负极支线上的继电器Dis-21，光伏组串PV1上的 电压加到直流正极母线和直流负极极母线，单元六AU6因得电开始工作，通过绝缘采样电 路，单元三AU3计算出对应组串PV1的第一条直流正极支线和第一条直流负极支线对地等效 绝缘电阻大小，分析该支路对地绝缘电阻是否正常，并做好标记，并确定运行时PV1是否投 入发电。
[0044] 组串PV1的对地绝缘电阻采样结束后，断开第一条直流正极支线上的继电器Dis-11和第一条直流负极支线上的继电器Dis-21，延时10S，接通第二条直流正极支线上的继电 器Dis-12和第二条直流负极支线上的继电器Dis-22,光伏组串PV2上的电压加到直流正极 母线和直流负极极母线，单元六AU6因得电开始工作，通过绝缘采样电路，单元三AU3计算出 对应组串PV2的第二条直流正极支线和第二条直流负极支线对地等效绝缘电阻大小，分析 该支路对地绝缘电阻是否正常，并做好标记，并确定运行时PV2是否投入发电。
[0045]同理，接通下一路继电器，直至第η条直流正极支线上的继电器Dis-nl和第η条直 流负极支线上的继电器Dis_2n;将组串PVn的对地等效绝缘电阻采样结束后，根据组串绝缘 健康标志位(低于组串绝缘健康标志位这说明该处的绝缘电阻不合格），处于绝缘健康的组 串可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串支路的继电器吸合，对于处于绝缘不 健康的组串则不可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串支路的继电器断开。
【主权项】
1. 一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于它包括单元一、单元二、单 元三、单元五一、单元五二、单元六、单元七、单元八以及单元九； 上述的各单元组成如下： 单元一:绝缘采样电路，包括开关一、开关二、电阻一、电阻二，开关一以及电阻一串接 形成第一支路位于直流正极母线与大地之间，开关二以及电阻二串接形成第二支路位于直 流正极母线与大地之间； 单元二:滤波运放电路，包括电阻三、电阻三一、电阻四、电容一以及运放，电阻三和运 放串联，电阻四的两端跨接于运放的反向输入端和输出端之间，电阻三和运放串联之间通 过并联的电阻三一和电容一接地，电阻三的一端和大地连接； 单元三:为单片机； 单元三连接运放的信号输出端； 单元三连接单元五一； 单元三连接单元五二； 单元三控制组串的继电器的通断以及控制分合闸线圈的通断； 单元五一:组串电流采样电路； 单元五二:直流母线电压采集电路； 单元六:分别提供单片机工作电源、继电器工作电源、通信电路工作电源、分合闸线圈 工作电源； 单元七:光伏组串正负汇集电路，包括直流正极母线和直流负极极母线，其中直流正极 母线由η条直流正极支线并联而成，直流负极母线由η条直流负极支线并联而成，η条直流正 极支线上分别串联有组串正极、光伏熔断器、继电器以及隔离二极管;η条直流负极支线上 分别串联有组串负极极、光伏熔断器以及继电器； 单元八：为带分合闸线圈的直流断路器，直流断路器接单元七的直流正极母线和直流 负极极母线； 单元九：分别提供单片机启动工作电源、继电器驱动备用电源、通信电路备用电源、分 合闸线圈备用电源。2. 根据权利要求1所述的一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于它 还包括单元四，单元四为通信电路，用于将汇流箱采集的电量、非电量参数上传到远方，单 元四将信号传递给单元三。3. 根据权利要求1所述的一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于单 元九电路输入取自于η条组串以外的一块光伏电池板。4. 根据权利要求1所述的一种光伏汇流箱直流系统绝缘电阻检测系统，其特征在于其 检测方法如下： 白天来临时，光伏组串及光伏电池板得电，单元九优先工作，接通第一条直流正极支线 上的继电器和第一条直流负极支线上的继电器，第一条光伏组串上的电压加到直流正极母 线和直流负极极母线，单元六因得电开始工作，通过绝缘采样电路，单元三计算出对应第一 条组串的第一条直流正极支线和第一条直流负极支线对地等效绝缘电阻大小，分析该支路 对地绝缘电阻是否正常，并做好标记，并确定运行时第一条组串是否投入发电； 第一条组串的对地绝缘电阻采样结束后，断开第一条直流正极支线上的继电器和第一 条直流负极支线上的继电器，延时接通第二条直流正极支线上的继电器和第二条直流负极 支线上的继电器，第二条光伏组串上的电压加到直流正极母线和直流负极极母线，单元六 因得电开始工作，通过绝缘采样电路，单元三计算出对应第二条组串的第二条直流正极支 线和第二条直流负极支线对地等效绝缘电阻大小，分析该支路对地绝缘电阻是否正常，并 做好标记，并确定运行时第二条组串是否投入发电； 同理，延时接通下一路继电器，直至第η条直流正极支线上的继电器和第η条直流负极 支线上的继电器;将第η条组串的对地等效绝缘电阻采样结束后，根据组串绝缘健康标志 位，处于绝缘健康的组串可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串支路的继电器 吸合，对于处于绝缘不健康的组串则不可以投入系统发电，单片机发控制命令，把相应组串 支路的继电器断开。
【文档编号】G01R27/18GK106093586SQ201610679295
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月17日 公开号201610679295.9, CN 106093586 A, CN 106093586A, CN 201610679295, CN-A-106093586, CN106093586 A, CN106093586A, CN201610679295, CN201610679295.9
【发明人】何朝阳, 潘志刚, 姚汉卿, 陈信宇
【申请人】苏州爱康能源工程技术股份有限公司