CN117452161A - 一种用于储能变流器的绝缘检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于储能变流器的绝缘检测电路，属于电力电子技术领域。该电路包括控制模块、采集模块、数据处理模块、第一检测模块与第二检测模块，第一检测模块设置在储能变流器直流母排的正极和接地端之间，第二检测模块设置在直流母排的负极和地之间，控制模块包括有第二开关和第三开关，第二开关、第三开关分别设置在直流母排正极与接地端之间、母排负极与接地端之间，通过控制第二开关、第三开关以采集相应状态下的电压，采集模块对第一检测模块和第二检测模块上的电压进行调理，将调理后的电压上送至数据处理模块，数据处理模块根据接收到的电压值分别计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻。该电路能够准确地检测绝缘性能。

Description

一种用于储能变流器的绝缘检测电路

技术领域

本发明涉及一种用于储能变流器的绝缘检测电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着我国“双碳”发展战略目标的提出，发展以新能源为主力的电力系统成为未来的发展趋势和共识，变流器在新能源市场的需求越来越大。储能变流器直流母排正负极之间电压很高，如果对大地之间造成绝缘短路，该变流器就会出现绝缘故障。变流器的绝缘故障是一种严重危害，会对变流器的正常运行产生危害，轻则设备毁坏，重则造危害人身安全。如果能够对变流器的直流母排的绝缘状态进行检测，可以第一时间获取绝缘状态，保证设备稳定运行，最大限度保护人身安全，而对储能变流器的直流母排的绝缘检测显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于储能变流器的绝缘检测电路，用以解决储能变流器直流母排绝缘性差导致设备安全性低危害人身安全的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种用于储能变流器的绝缘检测电路，包括控制模块、采集模块、数据处理模块、第一检测模块与第二检测模块，第一检测模块用于设置在储能变流器直流母排的正极和接地端之间，包括有串联的第一分压电阻模块，第二检测模块用于设置在直流母排的负极和地之间，包括有串联的第二分压电阻模块，控制模块包括有第二开关和第三开关，第二开关、第三开关用于分别设置在直流母排正极与接地端之间、母排负极与接地端之间，通过控制第二开关、第三开关以采集相应状态下的电压，所述采集模块用于对采集到的不同状态下的第一检测模块和第二检测模块上的电压进行调理，将调理后的电压上送至数据处理模块，数据处理模块用于根据接收到的电压值分别计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻。

有益效果：本发明的一种用于储能变流器的绝缘检测电路，包括采集模块、两个检测模块、控制模块、采集模块以及数据处理模块，通过两个检测模块检测正极母排、负极母排对地的电压，两个采集模块分别采集两个检测模块两端的电压，通过数据处理模块处理得到绝缘电阻值，还能够检测正极母排、负极母排对地的绝缘性能。该电路的检测逻辑设计简单，检测准确性高，能够及时的检测出储能变流器正负极母排对大地的绝缘性能异常，保证设备稳定运行，最大限度保护人身安全。

进一步地，所述第一分压电阻模块至少包括串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻远大于第二电阻，采集模块用于采集第二电阻两端的电压；第二分压电阻模块至少包括串联的第三电阻和第四电阻，第三电阻远大于第四电阻，采集模块用于采集第四电阻两端的电压。

有益效果：第一分压电阻模块中的被检测的第二电阻的阻值远小于用来分压的第一电阻，能够通过检测的第二电阻两端的电压，确定出母排正极和接地端的电压值，同样，第三电阻远小于第四电阻，通过检测的第四电阻两端的电压，确定出母排负极和接地端的电压值，由于储能输出的电压较高，采集模块承受的电压值比较低，设置阻值很大的第一电阻和第三电阻，能够起到分压作用，采集的电压更精准。

进一步地，所述第二电阻和第四电阻均为电位器。

有益效果：第二电阻和第四电阻均为电位器，电位器可调节，当储能电压不稳定时，输入采集模块的电压也不稳定，而采集模块中的器件仅能够承受一定范围内的电压，通过安装电位器，调节电压避免采集模块中的器件烧毁。

进一步地，采集模块包括有正极采集单元，所述正极采集单元包括串联的电压追随器和反向电路，所述电压追随器输入端与第一检测模块输出端连接，输出端连接到反向电路，用于缓冲阻抗，电压追随器采用第一运算放大器，所述反向电路的输出端连接到数据处理模块，用于放大电压追随器输出的电压值，反向电路采用第二运算放大器。

有益效果：本发明的采集模块的正极采集单元能够采集第一检测模块的电压，即采集正极母排对地的电压值，由于储能输出的电压较高，采集模块承受的电压值比较低，需要阻值很大的电阻分压，对应阻抗较大，电压追随器则缓冲了阻抗，而反向电路则能够放大电路。

进一步地：正极采集单元还包括调零电路，所述调零电路与反向电路连接，包括第三运算放大器和电位调节器，所述第三运算放大器的反相输入端连接到反向电路，输出端连接到电压采集模块，所述电位调节器设在第三运算放大器的电源输入端，用于在进行绝缘检测前调零校正。

有益效果：正极采集单元还包括调零电路，调零电路即在进行绝缘检测之前，对检测模块和采集模块进行校准，避免在进行检测过程中得到的绝缘电阻误差太大，准确过低，影响对地的绝缘性能判断。

进一步地，采集模块还包括有负极采集单元，所述负极采集单元包括串联的电压追随器和调零电路，所述电压追随器输入端连接到第二检测模块的输出端，输出端连接到调零电路，所述调零电路的输出端连接到数据处理模块。

有益效果：采集模块的有负极采集单元，能够采集第二检测模块的电压，即采集负极母排对地的电压值，通过电压追随器缓冲阻抗，调零电路精准调节校准，即可得到更精准的负极母排对地的绝缘电阻。

进一步地，第二开关和第三开关之间为互锁状态。

有益效果：本发明的两个开关处于互锁状态，防止在检测过程中，两个检测模块的同时导通时，直流母排的正、负极之间短路。

进一步地，第二开关和第三开关均采用光耦。

有益效果：光耦继电器动作响应迅速，控制更灵敏。

进一步地，数据处理模块采用MCU。

附图说明

图1是本发明的实施例中储能变流器绝缘检测原理示意图；

图2是本发明的实施例中光耦电路示意图；

图3本发明的实施例中信号调理电路示意图；

图4本发明的实施例中MCU电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

用于储能变流器的绝缘检测电路实施例：

本发明的主要构思为，提供了一种用于储能变流器的绝缘检测电路，该检测电路包括分别检测储能变流器直流母排的正极、负极和接地端之间电压的检测模块，还包括控制检测模块的控制模块，还包括采集直流母排的正极、负极和接地端之间电压的采集模块，最后采集模块获取到的电压经过调理后送至数据处理模块，通过数据处理模块分别计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻，并判断出此时直流母排的正、负极对地的绝缘性能。

如图1、图2所示的一种用于储能变流器的绝缘检测电路，包括控制模块、采集模块、数据处理模块、第一检测模块与第二检测模块，第一检测模块用于设置在储能变流器直流母排的正极和接地端之间，第二检测模块用于设置在直流母排的负极和地之间，控制模块包括有第二开关和第三开关，第二开关、第三开关用于分别设置在直流母排正极与接地端之间、母排负极与接地端之间，通过控制第二开关、第三开关以采集相应状态下的电压，采集模块用于对采集到的不同状态下的第一检测模块和第二检测模块上的电压进行调理，将调理后的电压上送至数据处理模块，数据处理模块用于根据接收到的电压值分别计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻。

具体地，第一检测模块的一端连接到直流母排的正极(简称为CL+)，另一端接地，包括有串联的第一分压电阻模块。第二检测模块的一端连接到直流母排的负极(简称为CL-)，另一端接地，包括有串联的第二分压电阻模块。其中，如图3所示，由于储能输出的电压值非常大，而检测过程中采集模块中的器件所能承受的电压值比较小，因此在进入采集模块的各器件调理之前，需要使用阻值较大的电阻进行分压，同时还能够通过直流母排正极与地之间的分压电阻测得直流母排正极与地之间的电压。第一分压电阻模块至少包括串联的第一电阻R1和第二电阻W1，且用于分压的第一电阻的阻值远大于第二电阻的阻值，采集模块用于采集第二电阻W1两端的电压，通过第二电阻W1两端电压推出母排正极与地之间的电压。第二分压电阻模块至少包括串联的第三电阻R3和第四电阻W2，用于分压的第三电阻R3远大于第四电阻W2，采集模块用于采集第四电阻W2两端的电压。由于储能电压不稳定时，输入采集模块的电压也不稳定，而采集模块中的器件仅能够承受一定范围内的电压，为使采集模块中的其他组件电压能够稳定，第二电阻W1和第四电阻W2均为电位器。

采集模块包括有正极采集单元和负极采集单元。正极采集单元包括串联的电压追随器和反向电路，电压追随器输入端与第一检测模块输出端连接，输出端连接到反向电路，用于缓冲阻抗，电压追随器采用第一运算放大器，反向电路的输出端连接到数据处理模块，用于放大电压追随器输出的电压值，反向电路采用第二运算放大器。为避免在进行检测过程中得到的绝缘电阻误差太大，准确过低，影响对地的绝缘性能判断，正极采集单元还包括调零电路，调零电路与反向电路连接，包括第三运算放大器和电位调节器，第三运算放大器的反相输入端连接到反向电路，输出端连接到电压采集模块，所述电位调节器设在第三运算放大器的电源输入端，用于在进行绝缘检测前调零校正。

具体地，电压跟随器采用同相运算放大器，同相运算放大器的同相输入端与第一检测模块的输出端连接，输出端连接到反向电路，缓冲输入的阻抗。反向电路包括为第一反相运算放大器，第一反相运算放大器的反向输入端与电压跟随器的输出端连接，输出端连接到调零电路，调零电路包括第二反相运算放大器和电位调节器，该第二反相运算放大器的反向输入端连接到反向电路，输出端连接到数据处理模块，电位器W6设在第一反相运算放大器输入端，用于调节电阻，进而调整电压，进行校准。

负极采集单元包括串联的电压追随器和调零电路，电压追随器输入端连接到第二检测模块的输出端，输出端连接到调零电路，调零电路的输出端连接到数据处理模块。

具体地，电压追随器采用同相运算放大器，同相运算放大器的同相输入端与第二检测模块的输出端连接，输出端连接到调零电路，调零电路包括电位器W7和第三反相运算放大器，第三反相运算放大器的反向输入端连接到电压追随器，输出端连接到数据处理模块。电位器W7设在第三反相运算放大器输入端，用于调节电阻，进而调整电压，进行校准。

为防止在检测过程中，两个检测模块的同时导通时，直流母排的正、负极之间短路，控制模块中的第二开关和第三开关之间为互锁状态，即在任意时刻必须只能有一个导通或者全部不导通，若在检测过程中，第一控制模块U13和第二控制模块U10同时导通，则直流母排的正负极(CL+和CL-)之间将会发生短路。如图2所示，第一开关、第二开关和第三开关均采用光耦。

除此之外，控制模块中还包括有第一开关，第一开关设置在第直流母排正极与接地端之间。第一开关不仅可以控制电阻R1投切，还能够限制第二开关、第三开关的副边电流。

该检测电路还包括分压模块，分压模块的一端连接到储能变流器直流母排的正极，另一端接地，用于调节直流母排正极与接地端之间回路的电压。

本实施例中的数据处理模块采用如图4所示的MCU。根据从压采集模块接收到的电压值和控制模块的所处状态判断对地的绝缘性能，并在绝缘异常时，根据第一分压电阻和第二分压电阻两端的电压计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻。

具体地如图1所示，Rx+为变流器1500V正极母线对地绝缘电阻，Rx-为1500V负极母线对地绝缘电阻，K1为第一开关，K2为第二开关，K3为第三开关，绝缘检测原理为：当闭合K1、K2，使K3处于断开状态，可得到正极母线Rx+两端电压为U1+，负极母线Rx-两端电压为U1-；当闭合K1、K3，使K2处于断开状态，可得到正极母线Rx+两端电压为U2+，负极母线Rx-两端电压为U2-。R1为第一电阻，R2为第二电阻，根据节点电流关系，得到如下等式：

令R＝R1//R2，U1＝U1+，U2＝U1-，U3＝U2+，U4＝U2-，则可以计算正、负母线对地的绝缘电阻：

其中，第一电阻R1与第二电阻R2均为定值设计，例如第一电阻R1可以为225KΩ，第二分压电阻R2为2.25MΩ，通过采集模块采集分压后的电压，通过数据处理模块处理即可计算出电压U1～U4。通过上述过程即可计算出正、负母线对地的绝缘电阻。

本实施例中采集模块分为三部分，第一部分为电压跟随器，第二部分为反向电路，第三部分为调零电路。本实施例中的电压跟随器由同相运算放大器组成，电压跟随器一般作为缓冲级及隔离级，因为电压跟随器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧姆及以上，电压跟随器的输入电阻很大，但输出电阻很低，输出电压与输入电压相同。则第一部分的电压根据电压跟随器的输入输出关系可计算得V2＝V1。第二部分为采用反相运算放大器的反向电路，根据运算放大器的虚短虚断特性可得：

Vn＝Vp (6)

其中Vp等于接地端的电压，即为0，通过式(5)、式(6)可知：

在第三部分中，通过调节电位器W6和W7时，将CL+和CL-进行短接，在使用电压表测量V4相对于GND的电压，使V4相对于GND的电压为零，进行零点校正，将电位器W6的分压点的电压假定为V5，则根据运算放大器的虚短虚断特性和节点电流法可得：

Vn＝Vp (9)

而Vp等于GND，则可得：

再将式(10)中的V4输入到ADC中进行AD转换，电压采集模块采集调零电路输出端的电压VML1(即V4)，经过反推出反向电路输出的电压V3，利用电压V3反推出电压跟随器输出的电压V2，由于电压跟随器输入电压等于输出电压，进而得到电压跟随器输入电压V1，该电压即为第二电阻W1两端电压，根据第二电阻W1两端电压即可计算出正极母线Rx+两端电压为U1+，同理通过算出第四电阻W2可得负极母线Rx-两端电压为U1-，同理得到正极母线Rx+两端电压为U2+，负极母线Rx-两端电压为U2-。数据处理模块MCU上的ADC转换器将采集到的电压信号转换为数据处理模块处理的信号，采集模块与数据处理模块之间通过通信模块进行通信连接，将MCU处理打包的数据上传到主控板进行处理，为了保证在恶劣的工况环境中的稳定性，通信模块采用抗干扰能力较强的RS485差分通信，从MCU输出的TTL电平经过CA-IS3092W芯片将电平转换为485差分电平保证信号能够稳定的传输。本发明中将CA-IS3092W芯片的发送接收控制引脚接到一起，利用一个三极管将MCU的发送信号来控制三极管的基极进而控制自动发送接收。

Claims (9)

1.一种用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，包括控制模块、采集模块、数据处理模块、第一检测模块与第二检测模块，第一检测模块用于设置在储能变流器直流母排的正极和接地端之间，包括有串联的第一分压电阻模块，第二检测模块用于设置在直流母排的负极和地之间，包括有串联的第二分压电阻模块，控制模块包括有第二开关和第三开关，第二开关、第三开关用于分别设置在直流母排正极与接地端之间、母排负极与接地端之间，通过控制第二开关、第三开关以采集相应状态下的电压，所述采集模块用于对采集到的不同状态下的第一检测模块和第二检测模块上的电压进行调理，将调理后的电压上送至数据处理模块，数据处理模块用于根据接收到的电压值分别计算出直流母排的正、负极对地的绝缘电阻。

2.根据权利要求1所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，所述第一分压电阻模块至少包括串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻远大于第二电阻，采集模块用于采集第二电阻两端的电压；第二分压电阻模块至少包括串联的第三电阻和第四电阻，第三电阻远大于第四电阻，采集模块用于采集第四电阻两端的电压。

3.根据权利要求2所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，所述第二电阻和第四电阻均为电位器。

4.根据权利要求1所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，采集模块包括有正极采集单元，所述正极采集单元包括串联的电压追随器和反向电路，所述电压追随器输入端与第一检测模块输出端连接，输出端连接到反向电路，用于缓冲阻抗，电压追随器采用第一运算放大器，所述反向电路的输出端连接到数据处理模块，用于放大电压追随器输出的电压值，反向电路采用第二运算放大器。

5.根据权利要求4所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，正极采集单元还包括调零电路，所述调零电路与反向电路连接，包括第三运算放大器和电位调节器，所述第三运算放大器的反相输入端连接到反向电路，输出端连接到电压采集模块，所述电位调节器设在第三运算放大器的电源输入端，用于在进行绝缘检测前调零校正。

6.根据权利要求1所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，采集模块还包括有负极采集单元，所述负极采集单元包括串联的电压追随器和调零电路，所述电压追随器输入端连接到第二检测模块的输出端，输出端连接到调零电路，所述调零电路的输出端连接到数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，第二开关和第三开关之间为互锁状态。

8.根据权利要求7所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，第二开关和第三开关均采用光耦。

9.根据权利要求7所述的用于储能变流器的绝缘检测电路，其特征在于，数据处理模块采用MCU。