基于直流漏電流檢測的光伏匯流箱系統(tǒng)

陳鳴 肖慧明

摘 要： 以C8051F020 型單片機為控制中心，采用一種通過檢測光伏直流系統(tǒng)對地漏電流來探測光伏回路正負極接地電阻和判斷光伏回路接地故障支路的新方法，研制出新的光伏直流接地探測系統(tǒng)。利用光伏匯流的電流檢測功能，尋找出光伏陣列電流數(shù)值不同的支路，結合探測光伏回路正負極接地電阻，從而發(fā)現(xiàn)光伏陣列回路的對地故障。該方法無須給光伏支路施加任何信號，對光伏系統(tǒng)無任何不良影響，檢測結果不受分布電容的影響，檢測電路相對簡單。

關鍵詞： 直流漏電流； 光伏匯流箱； 電流檢測； 故障支路選線

中圖分類號： TN710?34； TP274.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0147?03

Photovoltaic combiner box system based on DC leakage current detection

CHEN Ming1， 2， XIAO Huiming3

（1. Institute for Solar Energy Systems， Sun Yat?sen University， Guangzhou 510006， China；

2. Guangdong Key Laboratory of Photovoltaic Technologies， Guangzhou 510006， China；

3. China Singyes Solar Technologies Holdings Ltd.， Zhuhai 519060， China）

Abstract： A novel method of detecting the ground leakage current by photovoltaic DC system to explore the positive and negative poles earth resistance of the photovoltaic circuit and judge the earth fault branch of the photovoltaic circuit is proposed， which takes C8051F020 as the control center. A novel photovoltaic DC grounding detection system was developed. The current detection function of photovoltaic confluence is used to search which branche in the photovoltaic array has different current value， and find out the earth fault of the photovoltaic array circuit in combination with the detected positive and negative poles earth resistance of the photovoltaic circuit. It is unnecessary to add any signals to the photovoltaic branches in this method. This method has no adverse effect on the photovoltaic system. The detection results are not affected by the distribution capacitance， and is relatively simple.

Keywords： DC leakage current； photovoltaic combiner box； current detection； line selection of fault branch

在傳統(tǒng)化石能源不斷減少的今天，同時人們認識到火力發(fā)電排放大量的污染物對環(huán)境造成了十分嚴重的危害；為了降低污染物的排放，采用新能源發(fā)電是減小污染物排放的一個重要途徑。而光伏發(fā)電[1]作為一種高度清潔的能源技術，幾乎不產(chǎn)生污染物，越來越得到大家的重視。隨著光伏電站規(guī)模的擴大，根據(jù)太陽電池的串并聯(lián)特性[2]，同時為了減少光伏陣列與后級的連接線，方便維護，提高可靠性，使光伏匯流箱得到廣泛應用。特別是大型屋頂光伏電站，由于施工時不小心、雨水浸入、較惡劣工作環(huán)境、老鼠啃咬、老化等原因，造成導線的絕緣受到破壞出現(xiàn)接地，引起漏電產(chǎn)生電弧，伴隨著電弧，大量的電能轉換為熱能的形式，使電弧處的溫度極高；不用很高的電壓和很大的電流就能維持相當長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅[3]，使屋面受損，極易引起火災事故。

目前對光伏匯流箱[4?6]研究多是涉及到測量來自光伏電池陣列的電流、輸出電壓，監(jiān)測匯流箱內(nèi)部的防雷器等工作狀態(tài)。本文針對光伏直流系統(tǒng)的接地狀況，研發(fā)了具有直流漏電流檢測的光伏匯流箱系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)實時監(jiān)控，把模擬信號變換為數(shù)字信號后通過RS 485總線傳送到中央控制電腦上。

1 漏電流檢測法的原理

正常情況下，由晶硅太陽電池組成的光伏陣列形成的直流電源的正、負極對地是絕緣的；當陣列中某一回路發(fā)生一點接地時，在一般情況下并不影響整個直流系統(tǒng)的運行。光伏電源的正、負極，由于電氣材料的物理特性、 環(huán)境因素（如濕度、鹽度等）的影響，對地都存在一定的等效電阻，系統(tǒng)不同，等效電阻的數(shù)值也不同，這樣等效電阻稱為系統(tǒng)的固有電阻RI，同時光伏陣列到匯流箱的導線長度一般不會大于500 m，所以在研究光伏陣列輸電回路時沒有必要考慮電線對地的分布電容影響，如圖1所示。

正常情況下，接地點相對于負端電壓為光伏端電壓的一半，由光伏陣列電壓而引起的漏電流為光伏陣列電壓與2倍的固有電RI的比值。即：

[IL=U2RI] （1）

當陣列光伏回路的正極或負極的某一點出現(xiàn)接地故障時，此處假設正極接地，接地電阻為RS，則通過RS也會產(chǎn)生一個接地漏電流ILS，并且引起地電位的變化，此時對地電壓和流經(jīng)電阻RS的漏電流分別為：

[Up=URSRI+2RS] （2）

[ILS=URI+2RS] （3）

從式（3）可以發(fā)現(xiàn)，當光伏回路的固有電阻RI較大時，即使出現(xiàn)嚴重的接地故障（電阻RS數(shù)值很小），漏電流主要由RI決定，這會造成漏電流數(shù)值太小，使測量不夠準確，出現(xiàn)誤判，若能夠減小RI的數(shù)值，則在同樣的RS下，漏電流的數(shù)值會有所增加，從而擴大RS 的變動范圍和提高的檢測精度。

2 基于漏電流檢測的接地電阻檢測系統(tǒng)的硬件

設計

2.1 漏電流的檢測

本文采用直流回路的線對地絕緣電阻的檢測方法，不需要電流傳感器，具有功率電路與檢測電路輸出隔離等特點，具體電路如圖2所示。圖2中直流回路的對地絕緣電阻是R1，系統(tǒng)正常時，正負支路的對地電阻很大，通過對地電阻的泄漏電流可忽略，R1是待測參數(shù)，由于光伏逆變器的輸入電壓多是在800 V左右，光電藕合器的選擇需要注意耐壓。G1，G2為監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的電平信號，當G1為高電平，G2為低電平時，光耦U1，U2導通，光伏陣列正極+SP通過已知電阻R4和對地絕緣電阻R1，到光伏陣列負極-SP，因為對地絕緣電阻很大，而R4是已知的，所以流過光耦U2的電流很小，在電阻R8的電壓降幾乎可以不計；如果這時負極對地出現(xiàn)絕緣損壞，引起絕緣電阻R1值下降，這樣在電阻R8上電壓數(shù)值就反應了負極對地的漏電流的大小，即：

[IL=UR1+R4] （4）

如果選擇光耦的電流傳輸比為1，則R8的電壓為

[V8=R8IL=UR8R1+R4] （5）

即電壓V8正比于漏電流IL，并通過濾波環(huán)節(jié)送到單片機的端口；同樣當G1為低電平，G2為高電平時，可在電阻R9上得到電壓V9，它反應了正極對地的漏電流的大小，V8，V9的電壓就反應出光伏陣列回路的負、正極對地的漏電流情況。為了使電路正常工作，G1，G2應該是互補的。產(chǎn)生互補信號的電路如圖3所示。D1是有單片機產(chǎn)生的控制數(shù)字信號，同時通過與非門增加了控制信號的驅動能力。

2.2 單片機外圍電路

用于匯流箱的監(jiān)控系統(tǒng)以C8051F020單片機為核心，將它的16個ADC口，分別接受8個光伏陣列回路的正負對地漏電流16個信號，將它的另外8個ADC口作為8個光伏陣列回路的電流檢測信號接收端，同時利用16個I/O口分別作為8個控制數(shù)字信號和8個光伏陣列回路的正負極對地漏電流的故障報警信號，同時測量光伏陣列的電壓、電流和溫度值，因而基于直流漏電流檢測的光伏匯流箱系統(tǒng)構成結構如圖4所示。

3 直流漏電流檢測的光伏匯流箱系統(tǒng)的軟件設計

基于直流漏電流檢測的光伏匯流箱系統(tǒng)是同時具有檢測光伏陣列的工作電流和光伏陣列正負極對地的漏電流。由于光伏陣列線纜隨著環(huán)境變化其固定電阻的數(shù)值也不同，而根據(jù)式（3）可知，光伏陣列正負極對地的漏電流大小主要由固定電阻的數(shù)值來確定，造成故障支路判斷不精確，采用查找每一光伏陣列的電流差值，再結合光伏陣列正負極對地電阻的大小，可以較為準確地判斷故障支路。

這樣軟件的功能包括：逐個讀入各光伏陣列支路的霍爾傳感器的輸出數(shù)值和陣列正、 負極對地電壓，由此計算光伏陣列各支路對地等效電阻，并判斷故障支路；讀入支路電流方向；進行接地極性指示、故障支路號顯示和故障電阻數(shù)值的顯示，并通過串行口送出遠程報警信號和輸出本地聲音報警信號。檢測裝置的軟件框圖如圖6所示。

4 結 語

由于大、中型光伏電站在運行三、四年后都會出現(xiàn)故障，故障類型多為光伏陣列支路對地短路，引起漏電產(chǎn)生電弧。本文采用通過檢測光伏直流系統(tǒng)對地漏電流來探測光伏回路正負極接地電阻，利用光伏匯流箱的電流檢測功能，尋找光伏匯流支路電流數(shù)值不同的支路；結合探測光伏回路正負極接地電阻，可以確定光伏陣列中對地故障的支路。同時無須給光伏支路施加任何信號，對光伏系統(tǒng)無任何不良影響，檢測結果不受分布電容的影響。檢測電路相對簡單，因而具有良好的應用前景和較大的實用價值。

參考文獻

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