光伏陣列對地絕緣阻抗檢測電路及檢測方法研究

李炅，姜利，寧光富，吳晉波，何智強

(1．中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南 長沙 410083；2．國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410208； 3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引言

近年來，隨著全球?qū)稍偕茉搓P(guān)注度的不斷提高，光伏產(chǎn)業(yè)在許多國家和地區(qū)得到了快速發(fā)展。作為世界上最大的光伏市場，中國在光伏發(fā)電領(lǐng)域的創(chuàng)新和應(yīng)用已經(jīng)引領(lǐng)全球[1]。

根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022年中國光伏新增裝機容量達(dá)到87.41 GW，如果按此裝機容量增長，僅靠光伏發(fā)電就很容易在2030年達(dá)成12億kW的目標(biāo)[2]。這標(biāo)志著中國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)大和市場的日益成熟。科技的不斷進(jìn)步，推動了光伏發(fā)電成本的持續(xù)下降。此外，中國光伏產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)協(xié)同發(fā)展，形成了完善的產(chǎn)業(yè)體系，有力地提升了整個產(chǎn)業(yè)的競爭力。同時，分布式光伏市場在中國也受到了高度關(guān)注，在工商業(yè)和居民領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，裝機容量大幅增加[3-4]。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流正負(fù)母線處于浮地狀態(tài)[5]。光伏電池板在長時間使用過程中，尤其是高低溫、強風(fēng)、沙塵暴、雨雪等環(huán)境下，都可能對光伏電池板和相關(guān)設(shè)備的絕緣性能產(chǎn)生不良影響，使其正負(fù)極對地絕緣阻抗發(fā)生變化。這不僅影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運行，還可能威脅到人身安全。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)啟動前，需要對光伏電池板對地絕緣阻抗進(jìn)行檢測，以避免因絕緣阻抗過低導(dǎo)致整個光伏系統(tǒng)損壞[6]。

目前，直流絕緣阻抗檢測方法主要包括低頻探測法和電橋法[7]。低頻探測法需要向光伏系統(tǒng)正、負(fù)直流母線施加低頻交流信號，若直流正負(fù)母線發(fā)生接地故障或者對地阻抗變小，就會產(chǎn)生漏電流，然后通過測量交流電壓和電流來計算絕緣電阻[8]。該方法一般適用于小面積的光伏電池板，同時需要注意確保測試儀器的精度和可靠性，測量時不能有任何接觸或接地[9-10]。該方法由于成本和實現(xiàn)難度的制約，難以在光伏系統(tǒng)中集成，應(yīng)用范圍受到限制。

基于電橋平衡原理的絕緣阻抗檢測方法中，其待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻之間的電勢差是通過比較得出的[11-12]。由于電橋平衡原理本身的特性，以及裝置的設(shè)計和靈敏度，直流正負(fù)極絕緣阻抗同等下降的情況無法檢測，只能檢測非對稱性直流正負(fù)母線對地阻抗故障[13-14]。另外，基于不平衡電橋原理的絕緣阻抗檢測方法一般都通過在兩條偏置電阻的線路上分別加入電子開關(guān)，系統(tǒng)通過控制開關(guān)來控制偏置電阻是否接入，進(jìn)而計算出直流正負(fù)母線對地的絕緣阻抗[15-17]。由不平衡電橋構(gòu)造的方程組理論上可以很好地對絕緣阻抗進(jìn)行求解，因此該方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前通過不平衡電橋求解絕緣阻抗的方法要求極高的電壓采樣精度，很難準(zhǔn)確采集到電壓的真實值，容易產(chǎn)生檢測盲區(qū)。本文所提絕緣阻抗檢測方法通過在光伏板正極與大地之間并聯(lián)平衡電阻，降低求解過程對電壓采樣精度的要求。同時，通過在光伏板正負(fù)極與大地之間分別并聯(lián)一個由繼電器控制是否接入的平衡電阻，構(gòu)造不同的電路模態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確計算出電路的實際阻抗值。

1 基于不平衡電橋的光伏絕緣阻抗檢 測方法

1.1 基于不平衡電橋的絕緣阻抗檢測電路

基于不平衡電橋的單路光伏絕緣阻抗檢測電路如圖1所示，圖中右邊EARTH代表大地，左邊GND為系統(tǒng)地極。PV代表單路光伏組件，接入方式如圖所示，其中光伏電壓一般用于系統(tǒng)監(jiān)測與控制，電壓采樣結(jié)果可用于絕緣阻抗計算。RX和RY分別代表光伏板正極和負(fù)極的對地電阻，即為待檢測絕緣電阻。平衡電阻R1與電子開關(guān)S1串聯(lián)后并聯(lián)在RX兩端。R2和R3為光伏系統(tǒng)地極與大地之間電壓的采樣電阻，采樣電壓經(jīng)過運算調(diào)理電路后輸入至數(shù)字控制器。

圖1 基于不平衡電橋的絕緣阻抗檢測電路

1.2 基于不平衡電橋的絕緣阻抗檢測原理

通過控制電子開關(guān)S1的通斷，構(gòu)造電路不同的模態(tài)，并根據(jù)基爾霍夫定律列寫G點的節(jié)點電流方程。

當(dāng)S1關(guān)斷，方程如下：

(1)

式中：UGO,0為S1關(guān)斷狀態(tài)大地對GND的電壓；UPV為光伏開路電壓。

當(dāng)S1導(dǎo)通，方程如下：

(2)

式中：UGO,1為S1導(dǎo)通狀態(tài)大地對GND的電壓。

用式(2)減去式(1)可得：

(3)

此時，認(rèn)為一次只存在一路故障電阻，即RX和RY只存在一個電阻較小，另外一個電阻特別大的情況，所以(1/RX+1/RY)只會留下一個電阻的倒數(shù)，即被測電阻。因此，該方法理論上只能測得兩路絕緣阻抗中的最小值，而不能判斷出具體的故障對象。

在實際中，光伏組件絕緣阻抗正常的情況下，由于采樣電阻R2和R3比待測絕緣阻抗RX小很多，往往會導(dǎo)致地線對光伏板負(fù)極的采樣電壓UGO變化非常小，這對電壓采樣的精度要求極高，很難準(zhǔn)確采集到電壓的真實值，造成了不同模式下采樣到的地線對光伏板負(fù)極電壓基本相同，導(dǎo)致上述方程難以求解。此外，在光伏組件對地絕緣阻抗僅一路異常的情況下，光伏板正負(fù)極與大地之間的阻抗大小將不在一個量級上，導(dǎo)致地線對光伏板負(fù)極的采樣電壓UGO對線路上阻抗的變化不敏感，產(chǎn)生檢測盲區(qū)。

2 改進(jìn)型光伏絕緣阻抗檢測方法

2.1 改進(jìn)型光伏絕緣阻抗檢測電路

與圖1所示的檢測電路相比，本文提出一種改進(jìn)型光伏絕緣阻抗檢測電路，在光伏板正極與大地之間多并聯(lián)了一個電阻R3，在光伏板負(fù)極與大地之間多并聯(lián)一路由電子開關(guān)S2和電阻R2串聯(lián)組成的支路，電路其他結(jié)構(gòu)類似，如圖2所示。

電路中添加的光伏板正極與大地之間的電阻R3，其阻值與由R4和R5組成的采樣支路相當(dāng)，在光伏絕緣性能正常時使光伏板負(fù)極與大地之間采樣點電壓不會出現(xiàn)極小的情況，降低了對電壓采樣精度的要求。分別在光伏板正負(fù)極與大地之間并聯(lián)由電子開關(guān)和電阻串聯(lián)組成的支路，其中支路串聯(lián)的電阻與臨界絕緣阻值相當(dāng)。目的是當(dāng)某一極阻抗下降時，將另一極繼電器閉合，提高采樣電壓對電路阻抗變化的敏感度，從而準(zhǔn)確計算出電路的實際阻抗值。

圖2 改進(jìn)型光伏絕緣阻抗檢測電路

2.2 改進(jìn)型光伏絕緣阻抗檢測原理

首先，需要判斷系統(tǒng)絕緣阻抗的狀態(tài)。使電子開關(guān)S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)，采集地線對光伏板負(fù)極的電壓UGO,1，光伏板采樣電壓UPV,1。電路方程如下：

(4)

令：

(5)

當(dāng)A>0且nA>B，其中n>3時，認(rèn)為待測絕緣阻抗RX過低；當(dāng)A<0且-nA>B，其中n>3時，認(rèn)為待測絕緣阻抗RY過低；以上兩種情況均不滿足時，則RX和RY均過低或均處于正常狀態(tài)。

根據(jù)上述判斷結(jié)果，當(dāng)RX過低時，將電子開關(guān)S2導(dǎo)通、S1關(guān)斷。此時光伏板正極對光伏板負(fù)極的電壓采樣為UPV,2，地線對光伏板負(fù)極的電壓采樣為UGO,2，電路方程如下：

(6)

聯(lián)立式(4)和(6)，求解RX如下：

RX=R2R3(UGO,1UPV,2-UGO,2UPV,1)/

(7)

當(dāng)判斷RY過低時，將電子開關(guān)S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷。此時光伏板正極對光伏板負(fù)極的電壓采樣為UPV,3，地線對光伏板負(fù)極的電壓采樣為UGO,3，電路方程如下：

(8)

聯(lián)立式(4)和(8)，求解RY如下：

當(dāng)判斷RX和RY均過低或均處于正常狀態(tài)時，電子開關(guān)S1和S2任意一個關(guān)斷、另一個導(dǎo)通的情況下，都可以完成對兩個絕緣阻抗的檢測。以電子開關(guān)S2導(dǎo)通、S1關(guān)斷為例，聯(lián)立式(4)和(6)，求解RX如式(7)，求解RY如下：

RY=-R2(R4+R5)(UGO,1UPV,2-UGO,2UPV,1)/

(R2(UGO,1UPV,2-UGO,2UPV,1)+

UGO,2(R4+R5)(UGO,1-UPV,1))

(10)

根據(jù)上述檢測過程，所提方法檢測流程如圖3所示。在計算出RX和RY后，按照標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)光伏處于最大電壓漏電流(滿足小于30 mA)時，絕緣阻抗檢查通過；否則，絕緣阻抗檢測未通過。

圖3 光伏絕緣阻抗檢測流程

3 原理驗證

為了驗證所提出的光伏絕緣阻抗檢測電路和檢測方法的可行性，搭建相應(yīng)的仿真電路進(jìn)行原理驗證。其中R1和R2阻值設(shè)置為30 kΩ，R3為10 000 kΩ，采樣電阻R4為9 960 kΩ，R5為51 kΩ；光伏組件開路電壓設(shè)置為200 V。分別測試4種工況，不同工況下RX和RY的阻值見表1。

表1 不同工況下RX和RY的設(shè)定值 kΩ

工況1：首先控制S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)。光伏板正極對光伏板負(fù)極的采樣電壓UPV,1為199.9 V，地線對光伏板負(fù)極的采樣電壓UGO,1為94.1 V。計算可得A為-5.85，B為99.95。根據(jù)A的正負(fù)，A與B之間的數(shù)量關(guān)系，以及如圖3所示檢測流程，判斷系統(tǒng)絕緣阻抗處于狀態(tài)3。此時，控制器將電子開關(guān)S2閉合、S1關(guān)斷。再次測量得UPV,2為199.9 V，UGO,2為1.2 V。將兩次的采樣值代入狀態(tài)3對應(yīng)的求解公式可得RX為9.738 kΩ，RY為7.822 kΩ。

工況2：同樣控制S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)。采樣得UPV,1為199.9 V，UGO,1為6.1 V。計算得到A為-93.85，B為99.95，判斷系統(tǒng)絕緣阻抗當(dāng)前處于狀態(tài)2。根據(jù)圖3流程，此時，控制器將S1閉合、S2關(guān)斷。再次測量UPV,3為199.9 V，UGO,3為69.3 V，可得RY為14.997 kΩ。

工況3：控制S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)，采樣得UPV,1為199.9 V，UGO,1為195.5 V。計算可得A為95.55，B為99.95，判斷系統(tǒng)絕緣阻抗當(dāng)前處于狀態(tài)1。根據(jù)圖3流程，此時，將S2開通、S1關(guān)斷。再次測量UPV,2為199.9 V，UGO,2為125.9 V，計算可得RX為16.986 kΩ。

工況4：控制S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)，采樣得UPV,1為199.9 V，UGO,1為96.5 V。計算可得A為-3.45，B為99.95，判斷系統(tǒng)絕緣阻抗當(dāng)前處于狀態(tài)3。根據(jù)圖3流程，此時，將S2開通、S1關(guān)斷。再次測量UPV,2為199.9 V，UGO,2為77.8 V，計算可得RX為14.959 kΩ，RY為13.959 kΩ。

綜上所述，4種絕緣阻抗工況下，利用本文提供的光伏絕緣阻抗檢測電路及檢測方法得到的結(jié)果見表2。可以看出，在采樣僅精確到小數(shù)點后一位的限制下，最大的估計誤差為2.62%，完全滿足當(dāng)前光伏絕緣阻抗檢測要求。

表2 不同工況下RX和RY的檢測結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種光伏板對地絕緣阻抗檢測電路及檢測方法。首先，通過在光伏板正極與大地之間并聯(lián)一個與采樣支路阻值相當(dāng)?shù)钠胶怆娮瑁苊庠谙到y(tǒng)絕緣性能正常時光伏板負(fù)極與大地之間采樣點電壓出現(xiàn)極小的情況。同時，通過電子開關(guān)分別控制光伏板正負(fù)極與大地之間并聯(lián)電阻的通斷，以調(diào)整當(dāng)光伏板某一極阻抗下降時另一極阻抗的平衡。以上措施顯著提高了采樣電壓對電路阻抗變化的敏感度，從而能夠在低精度電壓采樣下得到準(zhǔn)確的絕緣阻抗計算值，提高了光伏系統(tǒng)絕緣阻抗檢測的可靠性。