光伏發電系統直流側絕緣阻抗檢測的研究

耿后來，程 林，王 凱，李 順，顧亦磊

（陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

國內外對直流系統絕緣檢測裝置采用的檢測方法主要有交流注入法和電橋平衡法[1-3]。交流注入法需要通過特定裝置向直流系統注入交流信號，特定裝置對交流信號進行提取分析，但此方法受光伏直流分布電容影響較大[4]，且成本高。本文設計了一種基于電橋平衡法改進的絕緣監測電路，并對其原理進行了詳細推倒。結果顯示，此電路成本低，無需注入交流信號，能準確檢測直流側對地絕緣阻抗。

1 光伏發電系統、檢測原理介紹

1.1 光伏發電系統及檢測電路介紹

圖1為光伏發電系統圖，主要包括電池板、線路、匯流箱和并網逆變器。直流側的電池板、線路及匯流箱等對大地都會有阻抗，只有阻抗大于一定值，才能使流入大地的電流小于一定值，才認為直流側的絕緣滿足要求，才能控制逆變器并網運行。

圖1 光伏發電系統原理圖

IEC62109-2要求用于未接地陣列的逆變器的陣列絕緣電阻檢測有明確的保護要求，如果直流對地絕緣阻抗低于R=直流側最大電壓/30 mA，則必須保持故障狀態，直至電池板對地阻抗恢復到R值以上，逆變器才能恢復運行。

將光伏系統直流側對地絕緣等效電路和逆變器對地絕緣檢測電路進行簡化等效，如圖2所示。它包括n路電池板的正端PVn+（n為大于等于1的整數）對大地分別接了阻抗，分別為一號等效電阻Rp1、二號等效電阻Rp2……n號等效電阻Rpn，電池板的負端PV-對大地的等效電阻為RB1、RB2、RB3；PV-對地電壓經過電阻RB2、RB1分壓后得到電壓VISO，電壓VISO經過運放及調理電路處理，最終送入DSP（數字信號處理器）的AD轉換接口由DSP進行計算判斷。由于絕緣檢測電路運行時需要連接電池板正負對地之間，因此承受電壓較高，故其本身的漏電流必須非常低。通常Rpn、RB1、RB3是有多個電阻串并聯完成，且阻值必須非常高（通常都是兆歐姆級別）；RB2為分壓檢測電阻，阻值較低，通常為千歐姆級別。

RXp1、RXp2、…、RXpn為電池板PV1+、PV2+、…、PVn+分別對應的對地等效阻抗，RXn1為電池板PV-對大地之間的等效阻抗。這些等效阻抗受環境、施工布線、老化等多重因素影響，阻值大小不一。它的阻值大小反映了電池板的對地絕緣情況。

1.2 光伏發電系統直流側阻抗計算

如圖2所示，光伏發電系統對地阻抗計算過程通過開關K1的斷開與吸合分別得到不同的VISO電壓值，然后依據等效方程進行計算。

當開關K1關斷時，此時檢測電路流過大地的電流和外部等效電阻流過大地的電流是相等的，見方程式（1）所示。

當開關K1閉合時，此時檢測電路流過大地的電流和外部等效電阻流過大地的電流是相等的，方程式如式（2）所示。

圖2 光伏系統等效阻抗及檢測電路圖

方程（2）減去方程（1），可得方程（3）。

將方程（3）變形，可得方程（4）。

則由式（4）可得對地阻抗為如式（5）所示。

由于VOB1、VOB2可以通過檢測信號檢測到，而Rp1、Rp2、…、Rpn、RB1、RB2為已知阻值，故通過式（5）可以求出系統阻抗。

Rx為光伏發電系統直流側的所有的電池板對地絕緣電阻并聯值，其值大小能夠直接反映直流系統的對地絕緣狀況。

2 測試過程中的影響因素

2.1 高壓探頭的影響

高壓探頭本身有阻抗，通過理論分析及測試電路測試可知，其阻抗約為4 MΩ。如圖3所示，當測試大地GND對PV-之間的電壓時，則會將高壓探頭本身阻抗并聯在電阻RXn兩端，故會導致檢測有偏差。因此，測試時不能將高壓隔離探頭在PV+對地或者PV-對地之間并聯，否則當PV+對地或者PV-對地之間阻抗較大時，將影響采樣精度。

2.2 絕緣阻抗大時對采樣的影響

當電池板負極對地絕緣較差時，此時對地阻抗值較低。根據上述式（5）計算得到的值為負值，不符合理論推導。最后通過分析計算，為采樣誤差所致。例如，當K1吸合后，理論上開關K1吸合前計算的對地電壓一定大于開關K1吸合后的對地電壓，而由于此時阻抗非常大，當電池板對地阻抗較低時，K1吸合后采集的電壓VISO幾乎沒有變化。由于采樣波動甚至出現開關吸合后電壓略微高于吸合前的電壓，因此計算時需要加判斷算法，需要依據Ig1或者Ig2的情況進行區分判斷，從而避免計算異常。

2.3 電池板寄生電容的影響

寄生電容隨著PV陣列中的導電面積的增加而增加，隨著電池串并聯的增多，面積越來越大，寄生電容也越來越大。如果早晚或陰雨天電池板表面是潮濕的，電池板對地寄生電容將進一步增加。如圖4所示，在PV-與GND之間等效并聯了一個對地電容C1。

圖3 含探頭的光伏系統等效阻抗檢測電路圖

圖4 含寄生電容的光伏系統等效阻抗檢測電路圖

當系統對地電容C1值較大不能忽略時，需考慮其帶來的影響。由于電容兩端的電壓不能突變，使系統達到穩定需要一個過程，故采樣電壓VISO可能需要等待一段時間，否則會導致測量到的電壓是系統還未完全穩定時的值，進而導致無法檢測到正確的值而導致逆變器出現誤報故障等風險。理論上，電容容值越大，等效阻抗越大，需要等待時間越長。

對圖4進行仿真，當n=1、Rp1=3 MΩ、RXn=3 MΩ，并聯RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ，當開關K1在5 s吸合后，仿真結果如圖5所示。采集的電壓需要等到8 s左右才能基本穩定。因此，在進行電池板對地絕緣監測時，等開關K1吸合后要等待一段時間再進行對地絕緣電壓采用和計算。

圖5 電容對檢測電壓影響仿真圖

3 實驗驗證

依據前文所述的原理、電路及計算公式，將此檢測電路預制于逆變器中。檢測電路將檢測到的電壓VISO送入到DSP中，DSP則依據檢測公式計算電池板的對地阻抗。該電路及計算方法經各種工況的試驗驗證，可實現直流側對地絕緣的精確測量。當輸入直流電壓 600 V、n=1、RB1=3 MΩ、RB2=10 kΩ、C1=1 μF、RB3=3 MΩ時，PV+對地加各種阻值的電阻的實驗結果如表1所示。可見，本文設計的檢測電路及計算公式可精確測試電池板接地阻抗值，測量相對誤差±4%以內。

當輸入直流電壓為600 V時，PV-對地加各種阻值的電阻，實驗結果如表2所示。

表1 絕緣檢測部分測試結果1

表2 絕緣檢測部分測試結果2

從表2的測試結果可知，本文設計的檢測電路及計算公式可精確測試電池板接地阻抗值，除掉50 kΩ點，測量相對誤差在±5%以內。PV-對地檢測精度比PV+對地監測精度偏低，主要原因是PV-對地加小電阻后開關吸合并聯RB1后電壓VISO變化不大，由采樣誤差偏大所致。

逆變器在國內外的各種工況的光伏電站運行，每一天都要進行絕緣阻抗檢測。從運行結果來看，該電路及原理可準確實現對光伏電站的直流側對地絕緣的檢測。

4 結 論

本文對光伏發電系統直流側阻抗檢測進行介紹，并對其原理進行詳細的公式推導。對實際測試過程中的問題進行詳細分析，最后進行測試驗證。結果表明，該檢測電路及檢測方法能準確檢測電池對地阻抗，相對誤差在5%以內，成本低，具有較高的工程應用價值。