专利名称：光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光伏并网逆变器技术，尤其涉及一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统。
背景技术：
在光伏并网逆变器中，光伏电池的输出电压比较高，例如大功率的光伏并网逆变器，其光伏电池的输出电压可以高达600V以上。同时，由于光伏电池的光伏电池板为露天放置，所以灰尘、雨雪、大雾等天气因素都会影响光伏电池的正极、负极对地(以下所称“对地”，均是指“对于大地”，即Earth)绝缘的变化。作为一种高压系统，光伏并网逆变器安全的一项关键指标就是绝缘程度的好坏，绝缘电阻测量技术可以判断出当前系统的绝缘状态是否良好，以及绝缘状态的变化情况。目前，检测光伏并网逆变器的对地绝缘电阻，通常采用基于电桥平衡原理的检测方法。请参考图1，为基于电桥平衡原理的对地绝缘电阻检测电路原理图，图1中虚线部分的R+为光伏电池的正极(PV+)对地的绝缘电阻，虚线部分的R-为光伏电池的负极(PV-Wi 地的绝缘电阻，其中，光伏电池的正极与大地之间、光伏电池的负极与大地之间均接有给定电阻R，当通过检测电压Uj和Um，再结合给定电阻R，即可计算出R+和R-。但是，当R+和 R-同等下降时，这种基于电桥平衡原理的检测方法，并不能准确检测出光伏电池的正极实际对地的绝缘电阻大小和光伏电池的负极实际对地的绝缘电阻大小，即不能准确检测出光伏电池的正极、负极对地绝缘的变化。
发明内容本实用新型的目的在于针对现有技术的不足而提供一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，它可以在线实时准确地计算出光伏并网逆变器的光伏电池的正极对地的绝缘电阻和负极对地的绝缘电阻。本实用新型的目的通过以下技术措施实现一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，它包括有上桥臂、下桥臂、电阻开关电路、工频干扰抑制电路、电压跟随电路、隔离放大电路、微处理器、用于检测光伏电池输出电压的PV电压检测电路；所述上桥臂的一端与光伏电池的正极连接，所述上桥臂的另一端接大地，所述电阻开关电路的第一端与光伏电池的正极连接，所述电阻开关电路的第二端接大地，所述电阻开关电路的控制端与所述微处理器的第一 I/O (输入/输出)端口连接；所述下桥臂的第一端接大地，所述下桥臂的第二端与光伏电池的负极连接，所述下桥臂的分压输出端与所述工频干扰抑制电路的输入端连接，所述工频干扰抑制电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端连接，所述电压跟随电路的输出端与所述隔离放大电路的输入端连接，所述隔离放大电路的输出端与所述微处理器的第一 A/D (模拟转数字)输入端口连接；所述PV电压检测电路的第一检测端与光伏电池的正极连接，所述PV电压检测电路的第二检测端与光伏电池的负极连接，所述PV电压检测电路的输出端与所述微处理器的第二 A/D输入端口连接；其中，所述微处理器设置有检测结果输出端口。所述微处理器的检测结果输出端口包括有第二 I/O端口，所述第二 I/O端口连接有报警电路。所述微处理器的检测结果输出端口还包括有PWM信号端口，所述PWM信号端口与光伏并网逆变器的Boost (升压)电路及逆变电路连接。所述电压跟随电路和所述隔离放大电路的电源均是由光伏并网逆变器的辅助电源模块的PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制芯片的供电电源提供。所述工频干扰抑制电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端之间连接有滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述工频干扰抑制电路的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端连接。所述上桥臂由一个或多个电阻构成，所述下桥臂也是由一个或多个电阻构成。所述电阻开关电路由电阻和开关串联构成，其中，所述开关为继电器、开关管或光華禹。所述隔离放大电路采用由线性光耦或隔离运算放大器构成的隔离放大电路。所述PV电压检测电路采用差分放大电路或电压传感器隔离采样电路。所述微处理器为DSP (digital signal processor)微处理器。本实用新型有益效果在于本实用新型包括有上桥臂、下桥臂、电阻开关电路、工频干扰抑制电路、电压跟随电路、隔离放大电路、微处理器、用于检测光伏电池输出电压的 PV电压检测电路；微处理器设置有检测结果输出端口 ；本实用新型的微处理器可以通过PV 电压检测电路采样光伏电池的输出电压，同时，微处理器可以发出控制信号，使电阻开关电路可以从上桥臂中脱离或接入上桥臂中，工频干扰抑制电路对下桥臂的分压输出端电压信号中的工频干扰信号进行消除，再经过电压跟随电路和隔离放大电路送微处理器进行A/D 采样，这样就得到两组光伏电池的正极对地和光伏电池的负极对地的电压比方程，最后通过微处理器的运算即可在线实时准确地计算出光伏并网逆变器的光伏电池的正极对地的绝缘电阻和负极对地的绝缘电阻，并通过微处理器的检测结果输出端口输出给相关电路及设备，从而保证光伏并网逆变器安全可靠地工作。
图1是现有的基于电桥平衡原理的对地绝缘电阻检测电路原理图。图2是本实用新型一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统的结构方框图。图3是本实用新型一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统的PV电压检测电路的电路实现原理图。图4是本实用新型一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统的上桥臂、 下桥臂、电阻开关电路、工频干扰抑制电路、滤波电路、电压跟随电路和隔离放大电路的电路实现原理图。在图2、图3和图4中包括有1——上桥臂2——电阻开关电路[0025]3——PV电压检测电路5——微处理器7——工频干扰抑制电路9——电压跟随电路
4——报警电路 6——下桥臂 8——滤波电路 10——隔离放大电路11——Boost电路及逆变电路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。本实用新型的一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，如图2 4所示，其包括有上桥臂1、下桥臂6、电阻开关电路2、工频干扰抑制电路7、电压跟随电路9、隔离放大电路10、微处理器5、用于检测光伏电池的输出电压(Vpv)的PV (即光伏电池)电压检测电路3 ；其中，上桥臂1的一端与光伏电池的正极(PV+)连接，上桥臂1的另一端接大地 (Earth),电阻开关电路2的第一端与光伏电池的正极连接，电阻开关电路2的第二端接大地，电阻开关电路2的控制端与微处理器5的第一 I/O端口(1/0_1)连接，使微处理器5可以发出控制信号而控制电阻开关电路2从上桥臂1中脱离或接入上桥臂1中；下桥臂6的第一端接大地，下桥臂6的第二端与光伏电池的负极(PV-)连接，下桥臂6的分压输出端与工频干扰抑制电路7的输入端连接，工频干扰抑制电路7的输出端与电压跟随电路9的输入端连接，电压跟随电路9的输出端与隔离放大电路10的输入端连接，隔离放大电路10的输出端与微处理器5的第一 A/D输入端口(A/D_l)连接，使微处理器5可以通过工频干扰抑制电路7对下桥臂6的分压输出端的电压进行采样。其中，图2和图4中虚线部分的R+ 为光伏电池的正极对地的绝缘电阻，虚线部分的R-为光伏电池的负极对地的绝缘电阻。PV电压检测电路3的第一检测端与光伏电池的正极连接，PV电压检测电路3的第二检测端与光伏电池的负极连接，PV电压检测电路3的输出端与微处理器5的第二 A/D 输入端口(A/D_2)连接，使微处理器5可以通过PV电压检测电路3采样光伏电池的输出电压；其中，微处理器5设置有检测结果输出端口，检测结果输出端口用于将检测结果输出给相关电路及设备，使用户可以直观地观看到检测结果或者直接驱动相关设备。微处理器5的检测结果输出端口包括有第二 I/O端口( 1/0_2)，第二 I/O端口连接有报警电路4，使微处理器5可以驱动报警电路4发出报警信号。微处理器5的检测结果输出端口还包括有PWM信号端口，PWM信号端口与光伏并网逆变器的Boost电路及逆变电路11连接，使微处理器5可以通过PWM信号端口(PWM)禁止光伏并网逆变器的Boost电路及逆变电路11启动工作。电压跟随电路9和隔离放大电路10的电源均是由光伏并网逆变器的辅助电源模块的PWM控制芯片的供电电源(+VCCP)提供，因为电压跟随电路9、隔离放大电路10等电路需要供电，而在光伏并网逆变器的辅助电源模块里面没有这样的供电电源绕组，所以，一般需要光伏并网逆变器的辅助电源模块的变压器中再增加一组独立绕组和相应的稳压电路， 产生一组电源，为电压跟随电路9、隔离放大电路10等电路供电，但这样就增加了光伏并网逆变器的辅助电源模块的复杂度，本实用新型的巧妙之处是利用光伏并网逆变器的辅助电源模块的的PWM控制芯片的供电电源(就是PWM控制芯片的VCC端)为电压跟随电路9、隔离放大电路10等电路供电，从而不需要改动光伏并网逆变器的辅助电源模块的变压器。[0036]工频干扰抑制电路7的输出端与电压跟随电路9的输入端之间连接有滤波电路8， 滤波电路8的输入端与工频干扰抑制电路7的输出端连接，滤波电路8的输出端与电压跟随电路9的输入端连接。在本实施例中，所述滤波电路8采用RC滤波电路，该RC滤波电路包括电阻R6、电容C2，电阻R6的一端与工频干扰抑制电路7的输出端连接，电阻R6的另一端与电压跟随电路9的输入端、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与光伏电池的负极连接。当然，所述滤波电路8也可以采用其它类型的滤波电路，不仅限于本实施例采用的RC 滤波电路。上桥臂1由一个或多个电阻构成，下桥臂6也是由一个或多个电阻构成。在本实施例中，上桥臂1包括电阻Rl、R2，电阻Rl的一端与光伏电池的正极连接，电阻Rl的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接大地；下桥臂6包括电阻R3、R4，电阻R3的一端为下桥臂6的第一端，电阻R3的另一端为下桥臂6的分压输出端，电阻R4的一端与下桥臂6的分压输出端连接，电阻R4的另一端为下桥臂6的第二端。当然，所述上桥臂1和下桥臂6也可以为其它方式构成，例如由多个电阻并联构成，不仅限于本实施例选用的由两个电阻串联构成。电阻开关电路2由电阻和开关串联构成，其中，开关为继电器、开关管或光耦。在本实施例中，所述电阻开关电路2包括电阻R5、开关Si，电阻R5的一端与光伏电池的正极连接，电阻R5的另一端与开关Sl的第一端(即开关Sl的管脚1)连接，开关Sl的第二端(即开关Sl的管脚2)接大地，开关Sl的控制端(即开关Sl的管脚3)为电阻开关电路2的控制端，其中，开关Sl为固态继电器。在工作时，微处理器5可以通过开关Sl的控制端而控制开关Sl断开或闭合，从而对应控制电阻R5从上桥臂1中脱离或接入上桥臂1中。当然， 所述电阻开关电路2也可以为其它方式构成，不仅限于本实施例选用的由电阻和开关串联构成。为了减少干扰，本实用新型微处理器5的控制部分与光伏并网逆变器的功率驱动部分采用不共地的电路结构拓扑，光伏电池的负极与微处理器5的公共地是隔离的，因此， 本实用新型的工频干扰抑制电路7与微处理器5之间设置了隔离放大电路10。隔离放大电路10可以采用线性光耦构成的隔离放大电路，即采用线性光耦进行隔离，线性光耦构成的隔离放大电路结构简单、信号隔离放大的线性度好、不受电磁干扰的影响。当然，所述隔离放大电路10也可以为其它类型的隔离放大电路，例如由隔离运算放大器构成的隔离放大电路，不仅限于本实施例选用的由线性光耦构成的隔离放大电路。具体地说，在本实施例中，隔离放大电路10包括电阻R7、R8、R9、R10，电容C3、C4、 C5、C6，运算放大器U1B、运算放大器U2A、线性光耦U3 ；电阻R7的一端(即隔离放大电路10 的输入端)与电压跟随电路9的输出端连接，电阻R7的另一端与电容C3的一端、运算放大器 UlB的反相输入端(即运算放大器UlB的管脚6)、电容C4的一端、线性光耦U3的3脚连接， 电容C3的另一端、运算放大器UlB的同相输入端(即运算放大器UlB的管脚5)、线性光耦 U3的4脚均与光伏电池的负极连接，电容C4的另一端与运算放大器UlB的输出端(即运算放大器UlB的管脚7)、电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与线性光偶U3的1脚连接，线性光耦U3的管脚2与光伏并网逆变器的辅助电源模块的PWM控制芯片的供电电源(+VCCP) 连接，线性光耦U3的管脚6与运算放大器U2A的反相输入端(即运算放大器U2A的管脚2)、 电容C5的一端、电阻R9的一端连接，电容C5的另一端、电阻R9的另一端、电阻RlO的一端均与运算放大器U2A的输出端(即运算放大器U2A的管脚1)连接，电阻RlO的另一端为隔离放大电路10的输出端，电容C6的一端与隔离放大电路10的输出端连接，线性光耦U3的管脚5、运算放大器U2A的同相输入端(即运算放大器U2A的管脚3)、电容C6的另一端均接模拟地(AGND)，运算放大器U2A的供电电源正极(即运算放大器U2A的管脚8)与光伏并网逆变器的电源+VCCA连接，运算放大器U2A的供电电源负极(即运算放大器U2A的管脚4) 与光伏并网逆变器的电源-VCCA连接。PV电压检测电路3可以采用差分放大电路，通过差分放大电路可以对光伏电池的输出电压进行精确的隔离采样。当然，所述PV电压检测电路3也可以为其它类型的采样电路，例如电压传感器隔离采样电路，不仅限于本实施例选用的差分放大电路。具体地说，在本实施例中，PV电压检测电路3包括电阻Rll、R12、R13、R14、R15、 R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25,电容 C7、C8、C9，运算放大器 U4A ；电阻 RlU R12、R13、R14、R15、R16依次串联后，一端与光伏电池的负极连接，另一端与运算放大器U4A的反相输入端(即运算放大器U4A的管脚2)连接，即电阻Rll的一端为PV电压检测电路3的第二检测端，电阻Rll的另一端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端与电阻 R13的一端连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R15 的一端连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与运算放大器 U4A的反相输入端连接；电阻R18、R19、R20、R21、R22、R23依次串联后，一端与光伏电池的正极连接，另一端与运算放大器U4A的同相输入端(即运算放大器U4A的管脚3)连接，即电阻R18的一端为PV电压检测电路3的第一检测端，电阻R18的另一端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端与电阻R21的一端连接， 电阻R21的另一端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端与电阻R23的一端连接，电阻 R23的另一端与运算放大器U4A的同相输入端连接；电阻R17与电容C7并联后，一端与运算放大器U4A的反相输入端连接，另一端与运算放大器U4A的输出端(即运算放大器U4A的管脚1)连接；电阻RM与电容C8并联后，一端与运算放大器U4A的同相输入端连接，另一端接模拟地(AGND);电阻R25的一端与运算放大器U4A的输出端连接，电阻R25的另一端为 PV电压检测电路3的输出端；电容C9的一端与PV电压检测电路3的输出端连接，电容C9 的另一端接模拟地；运算放大器U4A的供电电源正极(即运算放大器U4A的管脚8)与光伏并网逆变器的电源+VCCA连接，运算放大器U4A的供电电源负极(即运算放大器U4A的管脚 4)与光伏并网逆变器的电源-VCCA连接。其中，电路参数满足如下关系Rl1+R12+R13+R14+R15+R16= R18+R19+R20+R21+R22+R23 ；R17=R24。微处理器5采用FIR (有限长冲击响应)数字滤波算法，微处理器5通过HR数字滤波算法对A/D采样信号作进一步的数字滤波处理，有效地消除电网工频信号对本实用新型的影响，且HR数字滤波算法的计算过程简洁、计算精度高；该微处理器5为DSP微处理器，DSP微处理器具有强大数据处理能力和高运行速度等优点。在本实施例中，工频干扰抑制电路7由旁路滤波电容Cl构成，旁路滤波电容Cl 的一端与下桥臂6的分压输出端连接，旁路滤波电容Cl的另一端与光伏电池的负极连接。 由于光伏并网逆变器和电网连接，且光伏并网逆变器存在的分布电容、分布电感的影响，地线引入了工频交流干扰信号，实际测试表明，工频交流干扰信号的幅值很大，它的峰峰值可以达到光伏电池输出电压的20%以上，因此，在信号处理电路中，必须滤除工频交流干扰信号，而旁路滤波电容Cl就是用于滤除工频干扰信号。当然，所述工频干扰抑制电路7也可以为其它滤波方式的电路，例如LC、CLC等滤波方式，不仅限于本实施例选用的旁路滤波方式。在本实施例中，所述电压跟随电路9由运算放大器UlA构成，运算放大器UlA的同相输入端(即运算放大器UlA的管脚3)为电压跟随电路9的输入端，运算放大器UlA的反相输入端(即运算放大器UlA的管脚2)与运算放大器UlA的输出端(即运算放大器UlA的管脚1)连接，运算放大器UlA的供电电源正极(即运算放大器UlA的管脚8)与光伏并网逆变器的辅助电源模块的PWM控制芯片的供电电源(+VCCP)连接，运算放大器UlA的供电电源负极(即运算放大器UlA的管脚4)与光伏电池的负极连接。上述运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U2A、运算放大器U4A的型号均为LM258，线性光耦U3的型号为HCNR200。当然，上述电子元器件的型号及参数值仅供参考， 在具体实施本技术方案时，可根据实际环境进行修改。本实用新型的工作过程，包括以下步骤A 本实用新型的微处理器5通过PV电压检测电路3采样光伏电池的输出电压(即 Vpv);B 微处理器5发出控制信号，使电阻开关电路2中的开关Sl处于断开状态，使电阻R5从上桥臂1中脱离，则下桥臂6的分压输出端的电压信号(即Vol)经过工频干扰抑制电路7、滤波电路8、电压跟随电路9和隔离放大电路10的处理后，送到微处理器5，由微处理器5采用HR数字滤波算法对采样信号作进一步的HR数字滤波处理；其中，下桥臂6的电阻R3、R4分压输出的电压信号Vol经过工频干扰抑制电路7、 滤波电路8、电压跟随电路9和隔离放大电路10的处理后，得到输出信号Vadl，Vadl与Vol 的关系为
, R9Vadl = — ν(Λ(ι)
Rl根据上桥臂1的电阻Rl、R2和下桥臂6的电阻R3、R4分压的关系，可以得到下面的式子
R^ //(i l -!■■■ R 2) f,pT, — I -I- λ 3 / iv4) ■ Vol--—:-—— = ---t n ρ ^---(2)
R_ mm 4- R4) (1 + J 3/R4). VolC 微处理器5发出控制信号，使电阻开关电路2中的开关Sl处于闭合状态，使电阻R5接入上桥臂1电路中，则下桥臂6的分压输出端的电压信号(即Vo2)经过工频干扰抑制电路7、滤波电路8、电压跟随电路9和隔离放大电路10的处理后，送到微处理器5，由微处理器5采用HR数字滤波算法对采样信号作进一步的HR数字滤波处理；其中，下桥臂6的电阻R3、R4分压输出的电压信号Vo2经过工频干扰抑制电路7、 滤波电路8、电压跟随电路9和隔离放大电路10的处理后，得到输出信号Vad2，Vad2与Vo2 的关系为
8[0058]
权利要求1.一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于它包括有上桥臂、下桥臂、电阻开关电路、工频干扰抑制电路、电压跟随电路、隔离放大电路、微处理器、用于检测光伏电池输出电压的PV电压检测电路；所述上桥臂的一端与光伏电池的正极连接，所述上桥臂的另一端接大地，所述电阻开关电路的第一端与光伏电池的正极连接，所述电阻开关电路的第二端接大地，所述电阻开关电路的控制端与所述微处理器的第一 I/O端口连接；所述下桥臂的第一端接大地，所述下桥臂的第二端与光伏电池的负极连接，所述下桥臂的分压输出端与所述工频干扰抑制电路的输入端连接，所述工频干扰抑制电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端连接，所述电压跟随电路的输出端与所述隔离放大电路的输入端连接，所述隔离放大电路的输出端与所述微处理器的第一 A/D输入端口连接；所述PV电压检测电路的第一检测端与光伏电池的正极连接，所述PV电压检测电路的第二检测端与光伏电池的负极连接，所述PV电压检测电路的输出端与所述微处理器的第二 A/D输入端口连接；其中，所述微处理器设置有检测结果输出端口。
2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述微处理器的检测结果输出端口包括有第二 I/O端口，所述第二 I/O端口连接有报警电路。
3.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述微处理器的检测结果输出端口还包括有PWM信号端口，所述PWM信号端口与光伏并网逆变器的Boost电路及逆变电路连接。
4.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述电压跟随电路和所述隔离放大电路的电源均是由光伏并网逆变器的辅助电源模块的PWM控制芯片的供电电源提供。
5.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述工频干扰抑制电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端之间连接有滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述工频干扰抑制电路的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端连接。
6.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述上桥臂由一个或多个电阻构成，所述下桥臂也是由一个或多个电阻构成。
7.根据权利要求6所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述电阻开关电路由电阻和开关串联构成，其中，所述开关为继电器、开关管或光耦。
8.根据权利要求6所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述隔离放大电路采用由线性光耦或隔离运算放大器构成的隔离放大电路。
9.根据权利要求6所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述PV电压检测电路采用差分放大电路或电压传感器隔离采样电路。
10.根据权利要求6所述的光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其特征在于所述微处理器为DSP微处理器。
专利摘要本实用新型涉及光伏并网逆变器技术，尤其涉及一种光伏并网逆变器的对地绝缘电阻在线检测系统，其包括有上桥臂、下桥臂、电阻开关电路、工频干扰抑制电路、电压跟随电路、隔离放大电路、微处理器、用于检测光伏电池输出电压的PV电压检测电路；微处理器设置有检测结果输出端口；本实用新型在线实时准确地计算出光伏并网逆变器的光伏电池的正极对地的绝缘电阻和负极对地的绝缘电阻，并通过微处理器的检测结果输出端口输出给相关电路及设备，从而保证光伏并网逆变器安全可靠地工作。
文档编号G01R27/20GK202110220SQ20112021547
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者张源, 徐海波, 郑照红, 韩军良 申请人:广东易事特电源股份有限公司