基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统及方法

摘要

本发明涉及光伏逆变器技术领域，公开了一种基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统及方法。系统中的第一功率开关管的集电极与第一电感一端、第一二极管正极连接，其基极与控制器处理单元连接，其发射极与第一路光伏电池的负极连接，所述第一电感另一端与第一路光伏电池的正极连接；第二功率开关管的集电极与第二电感一端、第二二级管正极连接，其基极与控制器处理单元连接，其发射极与第二路光伏电池的负极、第一功率开关管的发射极连接，所述第二电感另一端与第二路光伏电池的正极连接，所述第二二级管负极与第一二极管负极连接。本发明无需使用任何额外的开关管、继电器和二极管等元器件，有效的降低了检测系统的体积以及成本。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏逆变器技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统及方法。

背景技术

在光伏并网发电技术中，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的光伏电池输出电压高达600V以上，由于光伏电池的光伏电池板为露天放置，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”)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。光伏并网逆变器每天开机前需要进行光伏电池的对地绝缘电阻的检测，TUV认证中要求并网逆变器的对地绝缘电阻不小于1KΩ/V。

双支路输入光伏并网逆变器是一种采用双支路光伏电池输入的并网逆变器，由于双支路光伏电池输入对地之间的绝缘电阻相互耦合，目前的检测系统主要是以开关管、继电器和二极管等元器件组成，极大的增加了检测系统的体积和成本。为此，有必要设计一种基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统及方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统，包括第一至第三电阻、第一和第二电感、第一和第二二极管、电容、第一和第二功率开关管、ISO电压采样电路、BUS电压采样电路以及控制器处理单元；

所述第一功率开关管的集电极与第一电感一端、第一二极管正极连接，其基极与控制器处理单元连接，其发射极与第一路光伏电池的负极连接，所述第一电感另一端与第一路光伏电池的正极连接；

所述第二功率开关管的集电极与第二电感一端、第二二级管正极连接，其基极与控制 器处理单元连接，其发射极与第二路光伏电池的负极、第一功率开关管的发射极连接，所述第二电感另一端与第二路光伏电池的正极连接，所述第二二级管负极与第一二极管负极连接；

所述电容连接在第一二极管负极与第二功率开关管的发射极之间；

所述第一电阻一端与第一二极管负极连接，其另一端依次通过第二电阻、第三电阻后与第二功率开关管的发射极连接；

所述ISO电压采样电路一端连接在第二电阻与第三电阻之间，其另一端与控制器处理单元连接，所述BUS电压采样电路一端连接在第一路光伏电池的正极与第二路光伏电池的负极之间，其另一端与控制器处理单元连接，所述第一电阻和第二电阻之间接地。

进一步地，所述第一和第二功率开关管均为IGBT或MOS管。

进一步地，所述第一功率开关管的基极与控制器处理单元的第一PWM端口连接，所述第二功率开关管的基极与控制器处理单元的第二PWM端口连接。

进一步地，所述ISO电压采样电路与控制器处理单元的第一AD采集口连接，所述BUS电压采样电路与控制器处理单元的第二AD采集口连接。

进一步地，所述控制器处理单元的型号为TMS320F28035。

本发明还提供一种采用权利要求上述的基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统的对地绝缘电阻检测方法，包括以下步骤，

A、控制器处理单元控制第二功率开关管闭合，此时第二路光伏电池的输出电压Upv2为0V，Ubus电压等于第一路光伏电池的输出电压Upv1，第二二极管反向截止，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U1；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{pv1}-U_1}{R_{1+}}+\frac{U_{pv1}-U_1}{R_0}=\frac{U_1}{R_{-}}+\frac{U_1}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

B、控制器处理单元控制第一功率开关管闭合，此时第一路光伏电池的输出电压Upv1为0V，Ubus电压等于第二路光伏电池的输出电压Upv2，第一二极管反向截止，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U2；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{pv2}-U_2}{R_{2+}}+\frac{U_{pv2}-U_2}{R_0}=\frac{U_2}{R_{-}}+\frac{U_2}{R_1+R_2}---\left(2\right)$

C、控制器处理单元控制第一功率开关管、第二功率开关管闭合，此时第一路光伏电池的输出电压Upv1为0V、第二路光伏电池的输出电压Upv2为0V，第一二极管、第二二极管均反向截止，系统供电由电容C存储能量提供，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U3；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{BUS}-U_3}{R_0}=\frac{U_3}{R_{-}}+\frac{U_3}{R_1+R_2}---\left(3\right)$

D、联立方程(1)、(2)和(3)得方程组：

$\left(\begin{array}{c}\frac{U_{pv1}-U_1}{R_{1+}}+\frac{U_{pv1}-U_1}{R_0}=\frac{U_1}{R_{-}}+\frac{U_1}{R_1+R_2}\\ \frac{U_{pv2}-U_2}{R_{2+}}+\frac{U_{pv2}-U_2}{R_0}=\frac{U_2}{R_{-}}+\frac{U_2}{R_1+R_2}\\ \frac{U_{BUS}-U_3}{R_0}=\frac{U_3}{R_{-}}+\frac{U_3}{R_1+R_2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

由方程组(4)可解得方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{1+}=\frac{R_0·(U_{pv1}-U_1)·U_3}{U_1·U_{BUS}-U_3·U_{pv1}}\\ R_{2+}=\frac{R_0·(U_{pv2}-U_2)·U_3}{U_2·U_{BUS}-U_3·U_{pv2}}\\ R_{-}=\frac{R_0·(R_1+R_2)·U_3}{(R_1+R_2)·(U_{BUS}-U_3)-R_0·U_3}\end{array}\right)$

其中，R1+为PV1+的对地电阻，R2+为PV2+的对地电阻，R-为PV-的对地电阻。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明无需使用任何额外的开关管、继电器和二极管等元器件，有效的降低了检测系统的体积以及成本，并且结构简单、使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明的基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统的框架图。

图2是本发明的基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统中ISO电压采样电路的电路图。

图3是本发明的基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统中BUS电压采样电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选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技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

为了达到本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

参阅图1所示，本发明提供的一种基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统，包括第一至第三电阻R0-R2，第一和第二电感L1、L2，第一和第二二极管D1、D2，电容C，第一和第二功率开关管K1、K2、ISO电压采样电路、BUS电压采样电路以及控制器处理单元。

ISO电压采样电路中的ISO是单词isolation的缩写，即绝缘采样电压，具体电路如图2所示，BUS电压采样电路具体电路图3所示。

其中，所述第一功率开关管K1的集电极与第一电感L1一端、第一二极管D1正极连接，其基极与控制器处理单元连接，其发射极与第一路光伏电池的负极PV1-连接，所述第一电感L1另一端与第一路光伏电池的正极PV1+连接。

所述第二功率开关管K2的集电极与第二电感L2一端、第二二级管D2正极连接，其基极与控制器处理单元连接，其发射极与第二路光伏电池的负极PV2-、第一功率开关管K1的发射极连接，所述第二电感L2另一端与第二路光伏电池的正极PV2+连接，所述第二二级管D2负极与第一二极管D1负极连接。

所述电容C连接在第一二极管D1负极与第二功率开关管K2的发射极之间。

所述第一电阻R0一端与第一二极管D1负极连接，其另一端依次通过第二电阻R1、第三电阻R2后与第二功率开关管K2的发射极连接。

所述ISO电压采样电路一端连接在第二电阻R1与第三电阻R2之间，其另一端与控制器处理单元连接，所述BUS电压采样电路一端连接在第一路光伏电池的正极PV1+与第二路光伏电池的负极PV2-之间，其另一端与控制器处理单元连接，所述第一电阻R0和第二电阻R1之间接地。

作为优选，所述第一和第二功率开关管K1、K2均为IGBT或MOS管等。

作为优选，所述第一功率开关管K1的基极与控制器处理单元的第一PWM端口PW1连接，所述第二功率开关管K2的基极与控制器处理单元的第二PWM端口PW2连接。控制器处理单元通过第一PWM端口PW1、第二PWM端口PW2向第一功率开关管K1、第二功率开关管K2输出驱动信号。

作为优选，所述ISO电压采样电路与控制器处理单元的第一AD采集口连接，所述BUS电压采样电路与控制器处理单元的第二AD采集口连接。

进一步地，所述控制器处理单元采用TI公司的DSP芯片，其型号为TMS320F28035。

本发明的基于双路MPPT光伏逆变器对地绝缘电阻检测系统的对地绝缘电阻检测方法包括以下步骤：

A、控制器处理单元控制第二功率开关管K2闭合，此时第二路光伏电池的输出电压Upv2为0V，Ubus电压等于第一路光伏电池的输出电压Upv1，第二二极管D2反向截止，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U1；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{pv1}-U_1}{R_{1+}}+\frac{U_{pv1}-U_1}{R_0}=\frac{U_1}{R_{-}}+\frac{U_1}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

B、控制器处理单元控制第一功率开关管K1闭合，此时第一路光伏电池的输出电压Upv1为0V，Ubus电压等于第二路光伏电池的输出电压Upv2，第一二极管D1反向截止，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U2；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{pv2}-U_2}{R_{2+}}+\frac{U_{pv2}-U_2}{R_0}=\frac{U_2}{R_{-}}+\frac{U_2}{R_1+R_2}---\left(2\right)$

C、控制器处理单元控制第一功率开关管K1、第二功率开关管K2闭合，此时第一路光伏电池的输出电压Upv1为0V、第二路光伏电池的输出电压Upv2为0V，第一二极管D1、第二二极管D2均反向截止，系统供电由电容C存储能量提供，通过ISO电压采样电路及BUS电压采样电路获取此时地线对两路PV的公共负极PV-的电压为U3；此时根据基尔霍夫电流定律，有如下方程：

$\frac{U_{BUS}-U_3}{R_0}=\frac{U_3}{R_{-}}+\frac{U_3}{R_1+R_2}---\left(3\right)$

D、联立方程(1)、(2)和(3)得方程组：

$\left(\begin{array}{c}\frac{U_{pv1}-U_1}{R_{1+}}+\frac{U_{pv1}-U_1}{R_0}=\frac{U_1}{R_{-}}+\frac{U_1}{R_1+R_2}\\ \frac{U_{pv2}-U_2}{R_{2+}}+\frac{U_{pv2}-U_2}{R_0}=\frac{U_2}{R_{-}}+\frac{U_2}{R_1+R_2}\\ \frac{U_{BUS}-U_3}{R_0}=\frac{U_3}{R_{-}}+\frac{U_3}{R_1+R_2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

由方程组(4)可解得方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{1+}=\frac{R_0·(U_{pv1}-U_1)·U_3}{U_1·U_{BUS}-U_3·U_{pv1}}\\ R_{2+}=\frac{R_0·(U_{pv2}-U_2)·U_3}{U_2·U_{BUS}-U_3·U_{pv2}}\\ R_{-}=\frac{R_0·(R_1+R_2)·U_3}{(R_1+R_2)·(U_{BUS}-U_3)-R_0·U_3}\end{array}\right)$

其中，R1+为PV1+的对地电阻，R2+为PV2+的对地电阻，R-为PV-的对地电阻。

采用了本发明的检测系统后，相对于其他的检测系统而言，其优点在于：本发明无需使用任何额外的开关管、继电器和二极管等元器件，有效的降低了检测系统的体积以及成本，并且结构简单、使用方便。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。