摘  要： 目前光伏發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入智能化管理階段，其中的檢測(cè)工作主要由匯流箱完成，檢測(cè)電流、電壓以及溫濕度等信息。然而匯流箱只能檢測(cè)串聯(lián)回路單元，具體哪塊光伏組件出現(xiàn)問(wèn)題，則需要檢修人員拿萬(wàn)用表到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。設(shè)計(jì)了一種分布式光伏發(fā)電的檢測(cè)管理系統(tǒng)，能夠檢測(cè)每塊光伏組件，并且檢測(cè)模塊是嵌入在光伏組件的接線盒里，減少施工安裝工作。采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸給匯流箱，匯流箱再通過(guò)RS-485等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)查看發(fā)電情況，以及判斷光伏組件是否正常發(fā)電。

　　關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電；分布式系統(tǒng)；霍爾傳感器；匯流箱；無(wú)線傳輸

0 引言

　　近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，主要得益于國(guó)家和地方政府對(duì)施工安裝以及發(fā)電的補(bǔ)貼。雖然光伏發(fā)電站運(yùn)行良好，但是隨著時(shí)間的推移，光伏發(fā)電的管理維護(hù)問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)。不論是大型的光伏發(fā)電站，還是分布式的發(fā)電系統(tǒng)，都需要額外的管理。自2006年IBM公司提出“智能電網(wǎng)”解決方案，電網(wǎng)進(jìn)入了智能化階段，光伏發(fā)電也已經(jīng)步入智能管理階段。大型光伏發(fā)電站在這方面會(huì)做一些優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)電池做統(tǒng)一的管理，而對(duì)于分布式的發(fā)電系統(tǒng)，由于比較分散，問(wèn)題不好處理。目前分布式發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)主要是由匯流箱完成的[1-5]，通過(guò)匯流箱檢測(cè)電流電壓、溫濕度等信息[6-8]，然后通過(guò)RS-485等方式傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)判斷[9-12]。但是匯流箱只能檢測(cè)到串聯(lián)回路單元，對(duì)位于匯流箱之下的幾十個(gè)光伏組件則沒(méi)有進(jìn)行檢測(cè)管理，而這些管理必然產(chǎn)生額外的費(fèi)用。因此，有必要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的智能管理。通過(guò)增加相應(yīng)的模塊，監(jiān)控每塊光伏組件的發(fā)電狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有針對(duì)性地進(jìn)行檢修?；谏鲜鏊悸?，本文提出一種檢測(cè)方案，描述了對(duì)分布式發(fā)電的智能化管理。

1 基本原理

　　當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由10~20個(gè)光伏組件串聯(lián)成一個(gè)回路來(lái)增加電壓，幾個(gè)串聯(lián)的回路在匯流箱處進(jìn)行匯流以增加電流，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。匯流箱對(duì)每個(gè)串聯(lián)的回路單元進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)RS-485等方式將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控室的上位機(jī)進(jìn)行管理[9-12]。為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)每塊光伏組件，只需在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加采集和傳輸模塊。采集模塊主要采集光伏組件的電壓、電流等數(shù)據(jù)，光伏組件與匯流箱之間的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式，這些數(shù)據(jù)再由匯流箱傳輸出去。光伏組件的接線盒預(yù)留有空間，設(shè)計(jì)的模塊可以嵌入在接線盒中。

2 檢測(cè)設(shè)計(jì)

　　光伏組件的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括電源的設(shè)計(jì)、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)?？刂菩酒捎肕SP430，工作狀態(tài)指示燈用來(lái)指示當(dāng)前發(fā)電狀態(tài)，無(wú)線模塊用來(lái)傳輸采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)無(wú)線模塊的地址。

　　對(duì)于電源的設(shè)計(jì)，可以直接從光伏組件取電。光伏組件工作電壓可以達(dá)到30 V以上，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要選用寬電壓輸入的DC-DC芯片，本文采用了TI公司的TPS54062芯片將電壓穩(wěn)定在3.3 V作為電源輸出給單片機(jī)等電路，其電路圖如圖3所示。

　　發(fā)電的檢測(cè)，一般檢測(cè)電壓和電流。電壓的檢測(cè)電路如圖4所示，使用兩個(gè)高精度的電阻串聯(lián)分壓，產(chǎn)生1/16的分壓，這個(gè)電壓進(jìn)入單片機(jī)AD端口進(jìn)行采樣。

　　電流檢測(cè)使用基于霍爾感應(yīng)原理的電流檢測(cè)芯片ACS712進(jìn)行檢測(cè)[13]，電路如圖5所示。ACS712根據(jù)檢測(cè)電流的大小分為3種型號(hào)，光伏組件的電流比較大，因此選用ACS712-20A芯片。ACS712-20A是一種輸出電壓與輸入電流成正比的器件，其內(nèi)阻為1.2 mΩ，具有較低的功耗，其檢測(cè)范圍為-20 A~+20 A。該芯片檢測(cè)電流受溫度影響小，對(duì)于安裝于戶外溫差變化大的光伏組件，檢測(cè)產(chǎn)生的偏差較小。

　　ACS712-20A輸出電壓為：

　　Vout=2.5+0.1×IP（1）

　　采樣參考電壓使用MSP430單片機(jī)的內(nèi)部參考電壓2.5 V，而ACS712-20A輸出電壓大于2.5 V，因此在輸出端加上兩個(gè)等阻值的高精度電阻將其電壓分出一半，即Vout=1/2×（2.5+0.1×IP）=1.25+0.05×IP，然后進(jìn)入單片機(jī)的采樣端口。

　　目前匯流箱電壓和電流的檢測(cè)都只檢測(cè)一次，瞬間的抖動(dòng)會(huì)造成采集電壓和電流誤差。因此，為了消除瞬間抖動(dòng)的影響，對(duì)光伏組件的檢測(cè)采用多次采樣求平均的方法。

3 通信設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)采集的電壓電流信息，通過(guò)無(wú)線傳輸給匯流箱。無(wú)線通信的本機(jī)地址通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，這一設(shè)定在安裝之時(shí)完成，單片機(jī)上電后讀取撥碼開(kāi)關(guān)的值，并將該值設(shè)定為無(wú)線模塊的本機(jī)地址。MSP430的采樣精度為12位，因此AD采樣的數(shù)據(jù)需要用2 B傳輸，采集電壓和電流數(shù)據(jù)共占據(jù)4 B。數(shù)據(jù)由無(wú)線接收后，在匯流箱一端通過(guò)RS-485等方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。分布式發(fā)電系統(tǒng)，上位機(jī)對(duì)采集到的電壓電流數(shù)據(jù)稍做比較處理即可知道光伏組件是否正常發(fā)電，并且能夠知道哪塊光伏組件出現(xiàn)問(wèn)題。

　　接收端嵌入到匯流箱之中，一個(gè)接收端作為中心節(jié)點(diǎn)管理10~20個(gè)光伏組件節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通過(guò)組成星形網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理，通信協(xié)議時(shí)序如圖6所示。

　　首先由位于匯流箱處的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送開(kāi)始采集數(shù)據(jù)的命令，各個(gè)組件節(jié)點(diǎn)都能接收到這個(gè)命令，然后進(jìn)行多次采集數(shù)據(jù)求平均，得到電流電壓數(shù)據(jù)。中心節(jié)點(diǎn)等待一段時(shí)間之后，開(kāi)始輪詢(xún)各個(gè)組件節(jié)點(diǎn)，組件節(jié)點(diǎn)判斷接收地址是否與本機(jī)地址相符，若是，則提交數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待輪詢(xún)。不同匯流箱的中心節(jié)點(diǎn)使用不同頻率與各自的組件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以避免數(shù)據(jù)的沖突。

4 結(jié)論

　　隨著國(guó)家加大對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，光伏發(fā)電正在從“補(bǔ)充能源”過(guò)渡到“替代能源”，而智能化管理對(duì)這個(gè)過(guò)程起到很大作用。本文設(shè)計(jì)了一種光伏組件的檢測(cè)管理系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)主要用于對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。光伏組件主要檢測(cè)電壓和電流，本文對(duì)這兩個(gè)物理量的采集都是使用AD采樣方式進(jìn)行，為減小瞬間抖動(dòng)產(chǎn)生的誤差，使用多次采樣求平均。電壓檢測(cè)使用電阻分壓后，進(jìn)入AD采樣；電流檢測(cè)首先利用霍爾傳感器將其轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再通過(guò)電阻分壓，然后進(jìn)行AD采樣。匯流箱中心節(jié)點(diǎn)與光伏組件節(jié)點(diǎn)的通信使用無(wú)線傳輸方式，無(wú)線傳輸?shù)慕M網(wǎng)采用星形網(wǎng)絡(luò)。匯流箱與上位機(jī)之間的通信方式使用RS-485，電壓電流數(shù)據(jù)交由上位機(jī)進(jìn)行處理，然后做相應(yīng)的判斷和保護(hù)。

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