一种功率变换器及其绝缘阻抗检测方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率变换器及其绝缘阻抗检测方法。

背景技术

光伏逆变器、储能变流器等功率变换器，对其输入端所接的光伏组件、蓄电池等电源，通常有对地绝缘阻抗检测的要求。传统的电阻电桥法，需要对地增加电阻和开关电路，如图1所示的传统光伏逆变器中的Y型电阻电桥，具体使用了3个电阻串R

因此，当前亟需一种新的绝缘阻抗检测方案，以解决传统电阻电桥体积大、可靠性低、成本高的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种功率变换器及其绝缘阻抗检测方法，以解决传统电阻电桥体积大、可靠性低、成本高的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种功率变换器的绝缘阻抗检测方法，包括：

控制功率变换器的交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧与电网之间；

控制所述功率变换器动作，改变所述交流输出电容上的电压；

获取不同时刻所述交流输出电容上的电压检测值及所述功率变换器的交流侧电流检测值；

根据所述电压检测值及所述交流侧电流检测值各自的变化量，计算得到所述功率变换器的直流侧对地绝缘阻抗值。

可选的，控制功率变换器的交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧与电网之间，包括：

控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧负极与电网接地零线之间；

或者，控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧负极与电网火线之间；

又或者，控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧正极与电网火线之间；

再或者，控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧正极与电网接地零线之间。

可选的，控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧负极与电网接地零线之间，包括：

控制所述交流输出电容一端与电网接地零线之间的交流侧开关组至少在第一时间段之内闭合；以及，

对于所述交流输出电容另一端，控制其与电网火线之间的交流侧开关组断开，而位于其与所述直流侧负极之间的所述功率变换器中的开关管至少在第二时间段之内导通。

可选的，控制所述交流输出电容串联接入所述功率变换器的直流侧正极与电网火线之间，包括：

控制所述交流输出电容一端与电网火线之间的交流侧开关组至少在第一时间段之内闭合；以及，

对于所述交流输出电容另一端，控制其与电网接地零线之间的交流侧开关组断开，而位于其与所述直流侧正极之间的所述功率变换器中的开关管至少在第二时间段之内导通。

可选的，控制所述功率变换器动作，包括：

控制所述交流输出电容接入电网一端所对应的所述功率变换器中桥臂的开关管动作。

可选的，在控制所述功率变换器动作，改变所述交流输出电容上的电压的同时，还包括：

控制所述功率变换器的交流侧电流小于等于预设电流保护阈值。

可选的，不同时刻所述电压检测值的变化量大于预设差值。

可选的，获取不同时刻所述交流输出电容上的电压检测值及所述功率变换器的交流侧电流检测值，包括：

在电网电压瞬时值相同的不同时刻，获取所述电压检测值及所述交流侧电流检测值；

或者，在不同时间段，连续采集至少一个工频周期内的所述电压及所述交流侧电流，并分别计算得到两者的平均值作为各自的检测值。

可选的，在控制所述功率变换器动作，改变所述交流输出电容上的电压的同时，还包括：

控制所述功率变换器工作，在所述交流输出电容上生成交流叠加电压；所述交流叠加电压与电网电压的大小相同、相位相反。

本申请第二方面提供了一种功率变换器，包括：控制器、逆变电路、交流输出电容、交流侧开关组、电流检测模块及电压检测模块；其中，

所述逆变电路的直流侧用于连接直流电源，且正负极之间连接有母线电容；

所述逆变电路的交流侧通过滤波电感连接火线连接端和零线连接端；

所述火线连接端通过一个交流侧开关组，连接电网火线；

所述零线连接端通过另一个交流侧开关组，连接电网接地零线；

所述交流输出电容连接于所述火线连接端与所述零线连接端之间；

所述电流检测模块设置于火线连接端与所述零线连接端，用于采集所述功率变换器的交流侧电流，并输出至所述控制器；

所述电压检测模块用于采集所述交流输出电容上的电压，并输出至所述控制器；

所述逆变电路及所述交流侧开关组，受控于所述控制器，所述控制器用于执行如上述第一方面任一种所述的功率变换器的绝缘阻抗检测方法。

可选的，还包括：至少一个DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路的一侧连接直流电源，另一侧连接所述逆变电路的直流侧。

可选的，所述直流电源为光伏组串或者储能电池。

可选的，所述逆变电路为：H桥拓扑、三电平拓扑、Heric拓扑或者H6拓扑。

本申请提供的功率变换器的绝缘阻抗检测方法，在控制功率变换器的交流输出电容串联接入功率变换器的直流侧与电网之间，并控制功率变换器动作，改变交流输出电容上的电压之后，通过获取不同时刻交流输出电容上的电压检测值及功率变换器的交流侧电流检测值，即可根据电压检测值及交流侧电流检测值各自的变化量，计算得到功率变换器的直流侧对地绝缘阻抗值；无需增加额外的开关和电阻电桥，进而可以解决现有技术中利用传统电阻电桥进行直流侧绝缘阻抗检测所带来的体积大、可靠性低、成本高的问题。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的Y型电阻电桥的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的单级式功率变换器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的功率变换器的绝缘阻抗检测方法的流程图；

图4a为本申请实施例提供的单级式功率变换器的等效结构示意图；

图4为本申请实施例提供的单级式功率变换器的另一等效结构示意图；

图5为本申请实施例提供的两级式功率变换器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的两级式功率变换器的等效结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供一种功率变换器的绝缘阻抗检测方法，以解决传统电阻电桥体积大、可靠性低、成本高的问题。

参见图2，该功率变换器包括：控制器(图中未展示)、逆变电路101、交流输出电容Cinv、交流侧开关组、电流检测模块M及电压检测模块；其中，逆变电路101的直流侧用于连接光伏组串或储能电池等直流电源，且正负极之间连接有母线电容Cbus；该逆变电路101的交流侧通过滤波电感连接火线连接端和零线连接端；而且，该火线连接端通过一个交流侧开关组K1，连接电网火线L；该零线连接端通过另一个交流侧开关组K2，连接电网接地零线N；该交流输出电容Cinv连接于火线连接端与零线连接端之间；该电流检测模块M，可以是电流传感器，也可以是漏电流传感器，设置于火线连接端与零线连接端，用于采集功率变换器的交流侧电流Im，并输出至控制器；该电压检测模块用于采集交流输出电容Cinv上的电压Vinv，并输出至控制器；该逆变电路101及各交流侧开关组，受控于控制器。

需要说明的是，图2仅以一种单级式逆变器拓扑为例进行展示，且其逆变电路101以H桥拓扑为例进行展示，实际应用中，该逆变电路101也可以采用其他拓扑，例如三电平拓扑、Heric拓扑、H6拓扑等，仍然有最基本的开关管S1至S4，同样可以简化为图2中所示的H桥来分析。

记其直流侧正极的对地绝缘阻抗为R1(图1中以R+进行标注)、直流侧负极的对地绝缘阻抗为R0(图1中以R-进行标注)，本实施例提供的功率变换器的绝缘阻抗检测方法，利用交流输出电容Cinv作为绝缘阻抗检测的扰动电源，配合电流检测模块M，实现对直流侧的对地绝缘阻抗检测。

参见图3，该功率变换器的绝缘阻抗检测方法，包括：

S101、控制功率变换器的交流输出电容串联接入功率变换器的直流侧与电网之间。

实际应用中，可以控制该交流输出电容Cinv串联接入：功率变换器的直流侧负极与电网零线N之间，功率变换器的直流侧正极与电网火线L之间，功率变换器的直流侧负极与电网火线L之间，功率变换器的直流侧正极与电网零线N之间；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

为了实现该串联接入，也即使图2中交流输出电容Cinv的两端分别连接直流侧和电网，就需要该交流输出电容Cinv两端的交流侧开关组K1和K2中仅一个处于导通状态，且不导通的一个交流侧开关组所在相的逆变桥臂中存在一个开关管被导通，进而使该交流输出电容Cinv上形成直流电压Vinv。

比如，若控制该交流输出电容Cinv串联接入直流侧负极与电网零线N之间时，具体是控制交流输出电容Cinv一端与电网接地零线N之间的交流侧开关组(如图2中所示的K2)闭合；以及，对于交流输出电容Cinv另一端，控制其与电网火线L之间的交流侧开关组(如图2中所示的K1)断开，而位于其与直流侧负极之间的功率变换器中的开关管(如图2中所示的S2)常通，此时对应的等效结构如图4a中所示。对于TN系统，电网零线N在远端接地，所以也可称之为接地零线。

而若控制该交流输出电容Cinv串联接入直流侧正极与电网火线L之间时，具体是控制交流输出电容Cinv一端与电网火线L之间的交流侧开关组(如图2中所示的K1)闭合；以及，对于交流输出电容Cinv另一端，控制其与电网接地零线N之间的交流侧开关组(如图2中所示的K2)断开，而位于其与直流侧正极之间的功率变换器中的开关管(如图2中所示的S3)常通，此时对应的等效结构如图4b中所示。

需要说明的是，各交流侧开关组均包括至少一个开关，实际应用中可以由多个(图2中以两个为例进行展示)开关串联来实现，此处不做限定。当开关组中的任意一个开关断开时该开关组断开，当开关组中所有开关均闭合时该开关组闭合。

S102、控制功率变换器动作，改变交流输出电容上的电压。

控制功率变换器动作，具体是指控制交流输出电容接入电网一端所对应的功率变换器中桥臂的开关管动作。

对于图4a所示的等效结构，此时具体是控制图2中的开关管S3进行开关工作，或者，控制图2中的开关管S3和S4交替开关动作。

对于图4b所示的等效结构，此时具体是控制图2中的开关管S2进行开关工作，或者，控制图2中的开关管S1和S2交替开关动作。

该开关工作具体是指：至少包含一次开通和一次关断的工作模式；其工作周期和占空比，均视具体应用环境下所设置的电压扰动量而定即可，此处不做限定。

S103、获取不同时刻交流输出电容上的电压检测值及功率变换器的交流侧电流检测值。

通过上述电流检测模块M和电压检测模块，控制器可以获取两者的任意次采集结果，而通过步骤S102对于交流输出电容Cinv上的电压进行扰动之后，在不同时刻两者各自采集到的检测值之间必然会存在一定的变化量；根据这些检测值，即可执行步骤S104。

S104、根据电压检测值及交流侧电流检测值各自的变化量，计算得到功率变换器的直流侧对地绝缘阻抗值。

经过步骤S101之后，可以得到相应的等效结构(如图4a或图4b所示)，在相应的等效结构下，根据节点电流法，可以列出不同时刻的电参量关系式，再对其进行联立，即可求得该功率变换器的直流侧对地绝缘阻抗值。

本实施例提供的该绝缘阻抗检测方法，无需增加额外的开关和电阻电桥，仅通过上述原理，即可计算得到功率变换器的直流侧对地绝缘阻抗值，进而可以解决现有技术中利用传统电阻电桥进行直流侧绝缘阻抗检测所带来的体积大、可靠性低、成本高的问题。

在上一实施例的基础之上，本实施例示例性的提供几个具体的实施方式：

(一)交流输出电容Cinv串联接入直流侧负极与电网零线N之间。

也即图2中连接零线N的交流侧开关组K2至少在第一时间段之内闭合、连接火线L的交流侧开关组K1断开，且逆变电路101中的至少一个开关管至少在第二时间段之内导通，其余开关管中的至少一部分开关管开关工作。各时间段的长度视其具体应用环境而定即可，此处不做限定，只要该第一时间段与第二时间段存在重叠时间段即可，当然两者也可以完全重叠，均在本申请的保护范围内。例如，控制开关管S2常通，开关管S3开关工作、或者开关管S3和S4同时交替开关工作，以在交流输出电容Cinv上生成直流电压。

记母线电容Cbus上的电压是Vbus、交流输出电容Cinv上的电压是Vinv、电流检测模块M测到的交流侧电流是Im。则等效电路图如图4a中所示。

通过对于开关管S3(或者开关管S3和S4)的控制信号，改变交流输出电容电压Vinv的值，使其从Vinv1变化到Vinv2，并相应记录交流侧电流Im的值为Im1和Im2。由于母线电容Cbus值较大，在改变交流输出电容电压Vinv值的过程中，可以认为母线电压Vbus维持不变。根据节点电流法可以得到方程：

/>

式(1)-式(2)，消除母线电压Vbus的影响，可以计算得到直流侧对地绝缘阻抗值Riso，其中“//”表示并联计算：

根据式(3)可以发现，直流侧对地绝缘阻抗值Riso的计算精度，与交流输出电容电压Vinv的变化值、交流侧电流Im的变化值有关，而与两者各自的绝对值关系不大。因此，对绝对值影响较大的采样零飘、温漂误差被抵消了，即使采样电路本身采样漂移较大，对直流侧对地绝缘阻抗值Riso的计算精度影响也非常有限。

(二)交流输出电容Cinv串联接入直流侧正极与电网火线L之间。

也即图2中连接零线N的交流侧开关组K2断开、连接火线L的交流侧开关组K1至少在第一时间段之内闭合，且逆变电路101中的至少一个开关管至少在第二时间段之内导通，其余开关管中的至少一部分开关管开关工作。例如，控制开关管S3常通，开关管S2开关工作、或者开关管S1和S2同时交替开关工作，以在交流输出电容Cinv上生成直流电压；此时，其等效电路图如图4b中所示。

根据节点电流法可以得到方程：

由于式(4)中出现了交流侧的电网电压Vac，所以需要消除电网电压Vac对计算直流侧对地绝缘阻抗值的影响，具体可以采用以下几种方法：

第一种，通过相同瞬时值消除电网电压Vac的影响，也即，该绝缘阻抗检测方法中的步骤S103，具体包括：在电网电压瞬时值相同的不同时刻，获取电压检测值及交流侧电流检测值。

具体的，在改变交流输出电容电压Vinv的过程中，在电网电压Vac瞬时值相同时，进行交流侧电流Im的采样计算。假设这个电网电压Vac的瞬时值为Vac(T)，例如220V交流电网正向峰值311V，在交流输出电容电压Vinv分别为Vinv1和Vinv2的两种情况下，均在电网电压Vac瞬时值为Vac(T)时分别记录相应的交流侧电流Im的值为Im1和Im2。由于母线电容Cbus值较大，在改变交流输出电容电压Vinv的过程中，可以认为母线电压Vbus维持不变。可以得到方程：

式(5)-式(6)，可以计算得到直流侧对地绝缘阻抗值Riso，其中“//”表示并联计算：

第二种，通过周期平均值消除电网电压Vac的影响，也即，该绝缘阻抗检测方法中的步骤S103，具体包括：在不同时间段，连续采集至少一个工频周期内的电压及交流侧电流，并分别计算得到两者的平均值作为各自的检测值。

具体的，通过连续采集至少一个工频周期，并对采集结果做平均。带上划线表示平均值，式(4)可以表示为

其中：

不难计算得到直流侧对地绝缘阻抗值Riso为：

第三种，通过逆变器输出反向电压消除电网电压Vac的影响，也即，该绝缘阻抗检测方法，在执行步骤S102的同时，还包括：控制功率变换器工作，在交流输出电容上生成交流叠加电压。该交流叠加电压与电网电压的大小相同、相位相反。

具体的，通过功率变换器工作，在交流输出电容Cinv上生成直流叠加交流的电压，且叠加的交流电压(也即该交流叠加电压)，其大小与电网电压Vac相同，但相位相反，因此在电路分析中正好与电网电压Vac相抵消。则分析计算直流侧对地绝缘阻抗Riso的过程只与交流输出电容Cinv上的直流电压分量有关，与实施方式(一)类似，此处不再赘述。

(三)该绝缘阻抗检测方法应用于两级式逆变器拓扑。

图5所示是一种双路输入的两级式逆变器拓扑，第一级DC/DC变换电路102为Boost电路，其输入端用于连接光伏组串、储能电池等直流电源，第二级逆变电路101采用H桥拓扑，其交流侧用于连接交流电网。各DC/DC变换电路102的输入端负极连接在一起。假设第一路直流电源DC1的正极对地绝缘阻抗为R1、第二路直流电源DC2的正极对地绝缘阻抗为R2、各路直流电源的负极对地绝缘阻抗为R0。

以连接零线N的交流侧开关组K2闭合为例进行说明，此时交流输出电容Cinv将串联接入直流侧负极与电网零线N之间；此时，控制图5中的开关管S2常通，开关管S3开关工作、或者开关管S3和S4同时交替开关工作，以在交流输出电容Cinv上生成直流电压Vinv。

记母线电容Cbus上的电压是Vbus、交流输出电容Cinv上的电压是Vinv、电流检测模块M测到的交流侧电流是Im、第一直流电源DC1的电压为Vdc1、第二直流电源DC2的电压为Vdc2。则等效电路图如图6中所示。

控制交流电容电压Vinv从Vinv1变化到Vinv2，并相应记录交流侧电流Im的值为Im1和Im2。在改变交流电容电压Vinv的过程中，维持各直流电源的电压Vdc1和Vdc2不变。根据节点电流法可以得到方程：

式(10)-式(11)，消除各直流电源电压Vdc1和Vdc2的影响，可以计算得到直流侧对地绝缘阻抗值Riso，其中“//”表示并联计算：

从式(12)可以看出，这个双路输入、两级式逆变器的直流侧对地绝缘阻抗计算公式与实施方式(一)的单路输入、单级式拓扑的结果完全一致。因此，可以得出，只要使该功率变换器的直流输入通过交流输出电容与电网连通，则直流侧对地绝缘阻抗的计算结果与直流输入路数、拓扑无关；也即，本绝缘阻抗检测方法的适用范围广；而且，无须增加开关和电阻电桥，只需要利用现有电路，并将交流侧火线零线上的继电器改造成分开控制，即可进行ISO检测，相比于传统ISO检测电路，成本降低90％以上；另外，无外加继电器，可靠性高，对于长寿命要求的微型逆变器，更适用。

在上述实施例的基础之上，优选的，该绝缘阻抗检测方法，在执行步骤S102的同时，还包括：控制功率变换器的交流侧电流小于等于预设电流保护阈值。

在改变交流输出电容电压Vinv值的过程中，应当注意交流侧电流Im的大小不要超过限值(也即该预设电流保护阈值)，以防止外部的漏保开关(RCD)跳闸。该预设电流保护阈值的大小可以根据实际情况而定，例如，大部分的RCD跳闸值为30mA，则控制交流侧电流Im的两次取值Im1和Im2均不超过30mA即可。

对于光伏系统等，需要测量的直流侧对地绝缘阻抗值Riso与系统电压相关。对于典型的600V光伏系统，要求可以测量600V/30mA＝20KΩ的对地绝缘阻抗，可以设置保护值为50KΩ，交流侧电流Im的两次取值Im1和Im2的变化范围设置为5mA，例如为从10mA(Im1)到15mA(Im2)，则交流输出电容电压Vinv的变化范围为50KΩ*5mA＝250V。

实际应用中，由于交流输出电容电压Vinv的变化量越大，则采样精度越高；所以，更进一步的，可以设置不同时刻电压检测值的变化量大于预设差值；其具体取值可以根据实际应用环境而定，此处不做限定。

本申请另一实施例还提供了一种功率变换器，如图2所示，该功率变换器包括：控制器(图中未展示)、逆变电路101、交流输出电容Cinv、交流侧开关组、电流检测模块M及电压检测模块；其中：

逆变电路101的直流侧用于连接光伏组串或者储能电池等直流电源，且正负极之间连接有母线电容Cbus；逆变电路101的交流侧通过滤波电感连接火线连接端和零线连接端。实际应用中，该逆变电路101可以是图2中所示的H桥拓扑，也可以是三电平拓扑、Heric拓扑或者H6拓扑等，此处不做限定。

火线连接端通过一个交流侧开关组K1，连接电网火线L；零线连接端通过另一个交流侧开关组K2，连接电网接地零线N。各交流侧开关组均包括至少一个开关，实际应用中可以由多个(图2中以两个为例进行展示)开关串联来实现，此处不做限定。当开关组中的任意一个开关断开时该开关组断开，当开关组中所有开关均闭合时该开关组闭合。

交流输出电容Cinv连接于火线连接端与零线连接端之间。

电流检测模块M，可以是电流传感器，也可以是漏电流传感器，设置于火线连接端与零线连接端，用于采集功率变换器的交流侧电流Im，并输出至控制器。

电压检测模块用于采集交流输出电容Cinv上的电压Vinv，并输出至控制器。

逆变电路101及交流侧开关组K1和K2，受控于控制器。

实际应用中，该功率变换器并不仅限于图2所示的单级式拓扑，其也可以是图5中所示的两级式拓扑，即在逆变电路101的前级还设置有至少一个DC/DC变换电路102，DC/DC变换电路102的一侧连接相应的直流电源，另一侧连接逆变电路101的直流侧，且DC/DC变换电路102也受控于控制器。

该控制器用于执行如上述任一实施例所述的功率变换器的绝缘阻抗检测方法。该绝缘阻抗检测方法的具体过程和原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

该功率变换器，利用现有的开关装置和电容，构造扰动电源，实现对直流侧对地绝缘阻抗的检测。相对于传统电阻电桥法，不需要增加额外的电路，可靠性有大幅提升，成本也大幅降低，利于推广。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。