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CN111525887A - 一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路及方法 - Google Patents

一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路及方法 Download PDF

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CN111525887A
CN111525887A CN202010396112.9A CN202010396112A CN111525887A CN 111525887 A CN111525887 A CN 111525887A CN 202010396112 A CN202010396112 A CN 202010396112A CN 111525887 A CN111525887 A CN 111525887A
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CN
China
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resistor
ground
pressure difference
inverter
electrically connected
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CN202010396112.9A
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王晓龙
卢盈
吴生闻
张勇
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Esway New Energy Technology Jiangsu Co ltd
Original Assignee
Esway New Energy Technology Jiangsu Co ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路及方法。一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路，包括逆变单元，所述逆变单元包括相互并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端和所述第一电容的一端电性连接至逆变单元的AC侧，所述逆变单元还包括第二电阻和开关；所述第一电阻的另一端和所述第一电容的另一端电性连接至所述第二电阻的一端，且所述第二电阻的所述一端和光伏逆变器的机壳电性连接；所述开关具有第一触点、第二触点及动触点，所述第一触点用于和光伏组件的输出端正极电性连接，所述第二触点用于和所述光伏组件的输出端负极电性连接，所述动触点和所述第二电阻的另一端电性连接。本发明无检测死区，检测结果准确可靠。

Description

一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路及方法
技术领域
本发明属于光伏逆变器领域，涉及一种用于非隔离光伏逆变器的接地(PE连接)检测电路及方法。
背景技术
在能源紧张和环境恶化的全球背景下，利用新的清洁能源显得尤为重要，太阳能以其可再生、资源丰富被广泛开发和应用。随着光伏并网发电应用的普及，光伏并网发电系统的安全性受到越来越多的重视。光伏逆变器PE连接检测功能是保证光伏系统安全可靠运行以及防止人身触电所必需的。如何实现简单可靠的检测功能对于满足安全需求和降低逆变器成本都很有意义。
在现有的非隔离三相并网逆变器中，电网N和大地PE之间的电压是判断PE接线是否良好最可靠最直观的方法。然而很多工况下即使机壳没有良好接地，也会出现机壳和电网中性点N之间基本检测不到电压的情况，这是因为逆变器内部由于EMC和浪涌等器件的对称性，通过三相电网会将机壳通过充放电平衡在中性点电位上。当逆变器未能和大地良好连接时，PE连接检测电路的检测结果不准确，此时机器并网会对机器本身以及人身造成影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目是提供一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路及方法，其无检测死区，检测结果准确可靠。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路，包括逆变单元，所述逆变单元包括相互并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端和所述第一电容的一端电性连接至逆变单元的AC侧，
所述逆变单元还包括第二电阻和开关；
所述第一电阻的另一端和所述第一电容的另一端电性连接至所述第二电阻的一端，且所述第二电阻的所述一端和光伏逆变器的机壳电性连接；
所述开关具有第一触点、第二触点及动触点，所述第一触点用于和光伏组件的输出端正极电性连接，所述第二触点用于和所述光伏组件的输出端负极电性连接，所述动触点和所述第二电阻的另一端电性连接。
在一实施例中，所述逆变单元还包括并联于所述第二电阻两端的第二电容。
在一实施例中，所述接地检测电路还包括电性连接于所述光伏组件的输出端正极与大地之间的第一直流电压采样单元及第一交流电压采样单元。
在一实施例中，所述接地检测电路还包括电性连接于所述光伏组件的输出端负极与大地之间的第二直流电压采样单元及第二交流电压采样单元。
在一实施例中，所述开关为继电器。
本发明还采用如下技术方案：
一种如上所述的用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路的接地检测方法，所述接地检测方法包括如下步骤：
A、将所述开关的动触点切到第一触点以将所述第二电阻连接到所述光伏组件的输出端正极与大地之间，检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤B；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
B、将所述开关的动触点切到第二触点以将所述第二电阻连接到所述光伏组件的输出端负极与大地之间，检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤C；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
C、保持步骤B中的开关状态，在所述光伏逆变器并网后持续检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，当判断到所述压差落入报错范围内，则报出错信息。
在一实施例中，所述第二电阻两端并接有第二电容；所述步骤A中，将所述第二电阻及所述第二电容连接到所述光伏组件的输出端正极与大地之间；所述步骤B中，将所述第二电阻及所述第二电容连接到所述光伏组件的输出端负极与大地之间。
优选地，所述步骤A中，所述压差Ux如下式所示：
Figure BDA0002487628880000031
所述步骤B和C中，所述压差Ux如下式所示：
Figure BDA0002487628880000032
其中，R21、R22、R23、R24分别表示电网的中性点、W相、U相、V相相对于机壳的阻抗，R11表示第二电阻的电阻值或相并联的第二电阻和第二电容的等效阻抗值，U、V、W分别表示电网的三相电压，DC1，DC2，AC1，AC2用于表征PV阵列对大地的系统共模电压。
进一步地，所述步骤A中，所述压差Ux简化为如下式所示；
Figure BDA0002487628880000033
所述步骤B和C中，所述压差Ux简化为如下式所示
Figure BDA0002487628880000034
优选地，所述步骤A、B及C中的报错范围相同。具体地，所述步骤A、B及C中的报错范围分别为30V。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的接地检测电路及接地检测方法，通过增加第二电阻消除三相自平衡带来的采样干扰，能够利用系统中已有的电压，原理清晰，无检测死区，简单可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种接地检测电路的原理图；
图2为本发明实施例的接地检测电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1所示，光伏组件阵列(简称PV)输入端1通过PV侧接线端子3电性连接逆变器DC侧。逆变器的机壳4大部分情况下能够良好地连接大地，在一些情况下可能存在接地异常，图1中的机壳等电位符号表示逆变器机壳电位，逆变器内部电路的接地点被认为是接机壳电位。逆变器的AC侧接线端子8分别和电网的U、V、W相及中性点N电性连接，电网远端中性点N接地线。2、5、6、7分别表示PV侧对地绝缘阻抗一体等效、PV侧接线一体等效、AC侧接线一体等效、电网中性点N和PE(接地点)之间的电压示意。U、V、W表示三相电网。Rinternal为逆变器中DC侧相对于机壳1存在的寄生阻抗的等效电阻。电容C3和电阻R3分别等效表示光伏组件阵列对大地的寄生电容和寄生电阻。
结合图1和图2所示，本实施例的一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路包括逆变单元，所述逆变单元包括第一电阻R2和第一电容C2，第一电阻R2和第一电容C2相并联，二者的一端部电性连接至逆变单元的AC侧，具体通过逆变器的AC侧接线端子连接于电网。所述逆变单元还包括第二电阻R1，第一电阻R2和第一电容C2二者的另一端部的连接点和第二电阻R1的一端电性连接。进一步地，第二电阻R1的两端还可并联有第二电容C1。所述逆变单元还包括开关K1，开关K1具有第一触点、第二触点及动触点，所述第一触点和光伏组件的输出端正极PV+电性连接，所述第二触点和所述光伏组件的输出端负极PV-电性连接，所述动触点和所述第二电阻R1的另一端电性连接。第二电阻R1的所述一端和光伏逆变器的机壳1电性连接，如图1所述，第一电阻R2和第一电筒C2二者的所述另一端也和光伏逆变器的机壳1电性连接。从而，第一电容C2和第一电阻R2为光伏逆变器的AC侧相对于机壳1所接的用于实现EMC等功能的电容和电阻，第二电容C1和第二电阻R1为光伏逆变器的PV侧接线端相对于机壳1增加的电容和电阻。通过设置第二电容C1和第二电阻R1，利用直流侧对地系统共模电压打破三相电网下机壳1和电网中性点N的电位自平衡，在机壳1没有实现良好接地时，在机壳1和电网中性点N之间产生一个足以准确实现判断功能的电压，从而实现检测。
如图2所示，所述接地检测电路还包括电性连接于所述光伏组件的输出端正极PV+与大地之间的第一直流电压采样单元DC1及第一交流电压采样单元AC1；所述接地检测电路会包括电性连接于所述光伏组件的输出端负极PV-与大地之间的第二直流电压采样单元DC2及第二交流电压采样单元AC2；四个电压采样单元DC1，DC2，AC1，AC2的检测值用于表征光伏组件阵列对大地的系统共模电压。
在本实施例中，光伏逆变器的PV侧接线端相对于机壳1仅增加了电阻(即第二电阻R1)，则图2中的R11为第二电阻R1的等效阻抗；在另外一些实施例中，光伏逆变器的PV侧接线端相对于机壳1增加了电阻(即第二电阻R1)，还增加了电容(即第二电容C1)，则图中的R11为相并联的第二电阻R1和第二电容C1的等效阻抗。开关K1和阻抗R11可以实现在逆变器接地不良情况下确保PE和N之间有足够的电压，通过开关K1的切换，能将阻抗R11切换到光伏组件的输出端正极PV+和机壳1之间，或光伏组件的输出端负极PV-和机壳1之间。图2中的电阻R21、R22、R23、R24用于表征电网的中性点、W相、U相、V相相对于机壳1的阻抗。
本实施例中开关K1具体为继电器，如单刀双掷继电器。
本实施例还提供如上所述的用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路的接地检测方法，所述接地检测方法包括如下步骤：
A、将所述开关K1的动触点切到第一触点以将所述第二电阻R1连接到所述光伏组件的输出端正极PV+与大地之间，检测光伏逆变器的机壳1和电网的中性点N之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤B；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
B、将所述开关K1的动触点切到第二触点以将所述第二电阻R1连接到所述光伏组件的输出端负极PV-与大地之间，检测光伏逆变器的机壳1和电网的中性点N之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤C；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
C、保持步骤B中的开关状态，在所述光伏逆变器并网后持续检测光伏逆变器的机壳1和电网的中性点N之间的压差，当判断到所述压差落入报错范围内，则报出错信息。
上述步骤A、B、C中的报错范围分别为30V。
图2中电路的工作状态描述如下：
考虑机壳没有良好接地情况，
切开关K1将第二电阻R1连接到光伏组件的输出端负极PV-和机壳之间时，机壳和电网中性点N之间的压差记为Ux，则
Figure BDA0002487628880000061
Figure BDA0002487628880000062
逆变器AC侧的参数R22，R21，R23，R24因性能需求多是对称设置，考虑实际应用情况，可以进一步将压差Ux的表达式优化如下：
Figure BDA0002487628880000063
切换开关K1将第二电阻R1连接到光伏组件的输出端正极PV+和机壳之间时，则压差Ux可用如下表达式表示：
Figure BDA0002487628880000064
考虑R22，R21，R23，R24实际设置的对称性，压差Ux可以进一步简化为如下表达式：
Figure BDA0002487628880000065
式中，(DC1+AC1)和(DC2+AC2)在逆变器并网的情况下，简化工况到光伏组件阵列PV输入电压等于BUS电压时，其绝对值恒为|1/2BUS+Ucom|，Ucom是逆变模块输出的相对共模电压，采用不同的调制算法时会有不同的值，一般会在1/6BUS附近。由上述描述可见在逆变器并网的情况下无论K1将R11切到PV-还是PV+，Ux的结果是稳定的。
式中的(DC1+AC1)和(DC2+AC2)离网的情况下能满(DC1+AC1)+(DC2+AC2)＝Upv，Upv指逆变器的PV输入电压。但是(DC1+AC1)和(DC2+AC2)分压比例随着光伏组件的输出端正极PV+及输入端负极PV-对大地意外阻抗的变化而有所变化，但是两者总体满足此消彼涨的总量平衡。由上所述可知在并网前需要通过开关K1将第二电阻R1分别接到光伏组件的输出端负极PV-和光伏组件的输出端正极PV+对大地，分别读取压差Ux值，取其较大幅值则用于最终判定。
综上分析，无论在并网、离网、意外阻抗工况下通过在直流侧对机壳匹配合适的阻抗值R11均可以得到一个较适合于检测的压差Ux。
本实施例通过对PV侧(直流侧)各种工况下对大地系统共模电压加以分析和归纳，巧妙的利用了共模电压的特点，通过额外增加第一电容和第一电阻消除三相自平衡带来的采样干扰，本发明中所述电路及检测方法，能够利用系统中已有的电压，原理清晰，无检测死区，简单可靠。
通过开关K1将第二电阻R1连接到逆变器网侧relay之前的等效路径上实现相同功能的做法均认为是本专利中方法的变种。
在另外的一些实施例中，第二电阻R1两端并接有第二电容C1；所述步骤A中，将所述第二电阻R1及所述第二电容C1连接到所述光伏组件的输出端正极与大地之间；所述步骤B中，将所述第二电阻R1及所述第二电容C1连接到所述光伏组件的输出端负极与大地之间。在这种情况下，上述公式中的R11为第二电阻R1及第二电容C1的等效阻抗值。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路，包括逆变单元，所述逆变单元包括相互并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端和所述第一电容的一端电性连接至逆变单元的AC侧，其特征在于：
所述逆变单元还包括第二电阻和开关；
所述第一电阻的另一端和所述第一电容的另一端电性连接至所述第二电阻的一端，且所述第二电阻的所述一端和光伏逆变器的机壳电性连接；
所述开关具有第一触点、第二触点及动触点，所述第一触点用于和光伏组件的输出端正极电性连接，所述第二触点用于和所述光伏组件的输出端负极电性连接，所述动触点和所述第二电阻的另一端电性连接。
2.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于：所述逆变单元还包括并联于所述第二电阻两端的第二电容。
3.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于：所述接地检测电路还包括电性连接于所述光伏组件的输出端正极与大地之间的第一直流电压采样单元及第一交流电压采样单元。
4.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于：所述接地检测电路还包括电性连接于所述光伏组件的输出端负极与大地之间的第二直流电压采样单元及第二交流电压采样单元。
5.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于：所述开关为继电器。
6.一种如权利要求1所述的用于非隔离光伏逆变器的接地检测电路的接地检测方法，其特征在于，所述接地检测方法包括如下步骤：
A、将所述开关的动触点切到第一触点以将所述第二电阻连接到所述光伏组件的输出端正极与大地之间，检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤B；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
B、将所述开关的动触点切到第二触点以将所述第二电阻连接到所述光伏组件的输出端负极与大地之间，检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，判断所述压差是否落入报错范围，当所述压差不在报错范围内，则直接进入步骤C；否，则持续检测，直至所述压差不在报错范围内，进入步骤B；
C、保持步骤B中的开关状态，在所述光伏逆变器并网后持续检测光伏逆变器的机壳和电网的中性点之间的压差，当判断到所述压差落入报错范围内，则报出错信息。
7.根据权利要求6所述的接地检测方法，其特征在于，所述第二电阻两端并接有第二电容；所述步骤A中，将所述第二电阻及所述第二电容连接到所述光伏组件的输出端正极与大地之间；所述步骤B中，将所述第二电阻及所述第二电容连接到所述光伏组件的输出端负极与大地之间。
8.根据权利要求6或7所述的接地检测方法，其特征在于，所述步骤A中，所述压差Ux如下式所示：
Figure FDA0002487628870000021
所述步骤B和C中，所述压差Ux如下式所示：
Figure FDA0002487628870000022
其中，R21、R22、R23、R24分别表示电网的中性点、W相、U相、V相相对于机壳的阻抗，R11表示第二电阻的电阻值或相并联的第二电阻和第二电容的等效阻抗值，U、V、W分别表示电网的三相电压，DC1，DC2，AC1，AC2用于表征PV阵列对大地的系统共模电压。
9.根据权利要求8所述的接地检测方法，其特征在于，所述步骤A中，所述压差Ux简化为如下式所示；
Figure FDA0002487628870000023
所述步骤B和C中，所述压差Ux简化为如下式所示
Figure FDA0002487628870000024
10.根据权利要求6所述的接地检测方法，其特征在于，所述步骤A、B及C中的报错范围相同。
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