基于直流漏电流检测的光伏汇流箱系统

陈鸣 肖慧明

摘 要： 以C8051F020 型单片机为控制中心，采用一种通过检测光伏直流系统对地漏电流来探测光伏回路正负极接地电阻和判断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测系统。利用光伏汇流的电流检测功能，寻找出光伏阵列电流数值不同的支路，结合探测光伏回路正负极接地电阻，从而发现光伏阵列回路的对地故障。该方法无须给光伏支路施加任何信号，对光伏系统无任何不良影响，检测结果不受分布电容的影响，检测电路相对简单。

关键词： 直流漏电流； 光伏汇流箱； 电流检测； 故障支路选线

中图分类号： TN710?34； TP274.5 文献标识码： A 文章编号： 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

在传统化石能源不断减少的今天，同时人们认识到火力发电排放大量的污染物对环境造成了十分严重的危害；为了降低污染物的排放，采用新能源发电是减小污染物排放的一个重要途径。而光伏发电[1]作为一种高度清洁的能源技术，几乎不产生污染物，越来越得到大家的重视。随着光伏电站规模的扩大，根据太阳电池的串并联特性[2]，同时为了减少光伏阵列与后级的连接线，方便维护，提高可靠性，使光伏汇流箱得到广泛应用。特别是大型屋顶光伏电站，由于施工时不小心、雨水浸入、较恶劣工作环境、老鼠啃咬、老化等原因，造成导线的绝缘受到破坏出现接地，引起漏电产生电弧，伴随着电弧，大量的电能转换为热能的形式，使电弧处的温度极高；不用很高的电压和很大的电流就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭[3]，使屋面受损，极易引起火灾事故。

目前对光伏汇流箱[4?6]研究多是涉及到测量来自光伏电池阵列的电流、输出电压，监测汇流箱内部的防雷器等工作状态。本文针对光伏直流系统的接地状况，研发了具有直流漏电流检测的光伏汇流箱系统，实现光伏发电系统实时监控，把模拟信号变换为数字信号后通过RS 485总线传送到中央控制电脑上。

1 漏电流检测法的原理

正常情况下，由晶硅太阳电池组成的光伏阵列形成的直流电源的正、负极对地是绝缘的；当阵列中某一回路发生一点接地时，在一般情况下并不影响整个直流系统的运行。光伏电源的正、负极，由于电气材料的物理特性、 环境因素（如湿度、盐度等）的影响，对地都存在一定的等效电阻，系统不同，等效电阻的数值也不同，这样等效电阻称为系统的固有电阻RI，同时光伏阵列到汇流箱的导线长度一般不会大于500 m，所以在研究光伏阵列输电回路时没有必要考虑电线对地的分布电容影响，如图1所示。

正常情况下，接地点相对于负端电压为光伏端电压的一半，由光伏阵列电压而引起的漏电流为光伏阵列电压与2倍的固有电RI的比值。即：

[IL=U2RI] （1）

当阵列光伏回路的正极或负极的某一点出现接地故障时，此处假设正极接地，接地电阻为RS，则通过RS也会产生一个接地漏电流ILS，并且引起地电位的变化，此时对地电压和流经电阻RS的漏电流分别为：

[Up=URSRI+2RS] （2）

[ILS=URI+2RS] （3）

从式（3）可以发现，当光伏回路的固有电阻RI较大时，即使出现严重的接地故障（电阻RS数值很小），漏电流主要由RI决定，这会造成漏电流数值太小，使测量不够准确，出现误判，若能够减小RI的数值，则在同样的RS下，漏电流的数值会有所增加，从而扩大RS 的变动范围和提高的检测精度。

2 基于漏电流检测的接地电阻检测系统的硬件

设计

2.1 漏电流的检测

本文采用直流回路的线对地绝缘电阻的检测方法，不需要电流传感器，具有功率电路与检测电路输出隔离等特点，具体电路如图2所示。图2中直流回路的对地绝缘电阻是R1，系统正常时，正负支路的对地电阻很大，通过对地电阻的泄漏电流可忽略，R1是待测参数，由于光伏逆变器的输入电压多是在800 V左右，光电藕合器的选择需要注意耐压。G1，G2为监控系统发出的电平信号，当G1为高电平，G2为低电平时，光耦U1，U2导通，光伏阵列正极+SP通过已知电阻R4和对地绝缘电阻R1，到光伏阵列负极-SP，因为对地绝缘电阻很大，而R4是已知的，所以流过光耦U2的电流很小，在电阻R8的电压降几乎可以不计；如果这时负极对地出现绝缘损坏，引起绝缘电阻R1值下降，这样在电阻R8上电压数值就反应了负极对地的漏电流的大小，即：

[IL=UR1+R4] （4）

如果选择光耦的电流传输比为1，则R8的电压为

[V8=R8IL=UR8R1+R4] （5）

即电压V8正比于漏电流IL，并通过滤波环节送到单片机的端口；同样当G1为低电平，G2为高电平时，可在电阻R9上得到电压V9，它反应了正极对地的漏电流的大小，V8，V9的电压就反应出光伏阵列回路的负、正极对地的漏电流情况。为了使电路正常工作，G1，G2应该是互补的。产生互补信号的电路如图3所示。D1是有单片机产生的控制数字信号，同时通过与非门增加了控制信号的驱动能力。

2.2 单片机外围电路

用于汇流箱的监控系统以C8051F020单片机为核心，将它的16个ADC口，分别接受8个光伏阵列回路的正负对地漏电流16个信号，将它的另外8个ADC口作为8个光伏阵列回路的电流检测信号接收端，同时利用16个I/O口分别作为8个控制数字信号和8个光伏阵列回路的正负极对地漏电流的故障报警信号，同时测量光伏阵列的电压、电流和温度值，因而基于直流漏电流检测的光伏汇流箱系统构成结构如图4所示。

3 直流漏电流检测的光伏汇流箱系统的软件设计

基于直流漏电流检测的光伏汇流箱系统是同时具有检测光伏阵列的工作电流和光伏阵列正负极对地的漏电流。由于光伏阵列线缆随着环境变化其固定电阻的数值也不同，而根据式（3）可知，光伏阵列正负极对地的漏电流大小主要由固定电阻的数值来确定，造成故障支路判断不精确，采用查找每一光伏阵列的电流差值，再结合光伏阵列正负极对地电阻的大小，可以较为准确地判断故障支路。

这样软件的功能包括：逐个读入各光伏阵列支路的霍尔传感器的输出数值和阵列正、 负极对地电压，由此计算光伏阵列各支路对地等效电阻，并判断故障支路；读入支路电流方向；进行接地极性指示、故障支路号显示和故障电阻数值的显示，并通过串行口送出远程报警信号和输出本地声音报警信号。检测装置的软件框图如图6所示。

4 结 语

由于大、中型光伏电站在运行三、四年后都会出现故障，故障类型多为光伏阵列支路对地短路，引起漏电产生电弧。本文采用通过检测光伏直流系统对地漏电流来探测光伏回路正负极接地电阻，利用光伏汇流箱的电流检测功能，寻找光伏汇流支路电流数值不同的支路；结合探测光伏回路正负极接地电阻，可以确定光伏阵列中对地故障的支路。同时无须给光伏支路施加任何信号，对光伏系统无任何不良影响，检测结果不受分布电容的影响。检测电路相对简单，因而具有良好的应用前景和较大的实用价值。

参考文献

[1] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 刘祝鸿，陈鸣.太阳电池组件中电池的失配现象研究[J].太阳能学报，2012，33（12）：2074?2079.

[3] 夏天伟.电器学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 沙涛，彭柱椋.太阳能光伏汇流箱监测系统设计[J].电子科技，2013，26（3）：69?71.

[5] 海涛，邓力涌，韦皓，等.一种基于LabVIEW的光伏汇流箱监控系统设计[J].装备制造技术，2014（5）：58?60.

[6] 史朝晖，刘晓茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用[J].电气技术，2011（3）：76?79.