光伏電站集成檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

方 白 ，卜劍秋 ，孟 婥 ，陳玉潔

（1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

太陽(yáng)能作為理想的可再生能源和綠色環(huán)保能源是緩解目前能源危機(jī)的最可持續(xù)途徑。光伏電站作為利用的主要形式具有工作環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)工作狀況受環(huán)境因素影響巨大的特點(diǎn)。其中光輻照量、環(huán)境溫度和組件溫度的準(zhǔn)確檢測(cè)為監(jiān)控光伏電站運(yùn)行狀況及預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)電能力提供了可靠的量化依據(jù)，對(duì)提高系統(tǒng)的安全性、可靠性有十分重要的意義。目前，采用的檢測(cè)方式大多系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴，制約了推廣和使用。實(shí)踐證明，在許多系統(tǒng)應(yīng)用中以較低成本達(dá)到±5%的檢測(cè)精度比通過(guò)高成本達(dá)到±2%的檢測(cè)精度更為可取[1]。因此本設(shè)計(jì)采用了基于單片機(jī)的光伏電站檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用成本低廉的光伏電池作為光輻照量檢測(cè)傳感器，完成了以下主要功能：檢測(cè)光伏電站實(shí)時(shí)接受的光輻照量、工作環(huán)境溫度和系統(tǒng)組件溫度，并將以上數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)儲(chǔ)存和顯示。系統(tǒng)采用友好的人機(jī)界面，提供直觀的數(shù)據(jù)顯示，具有成本低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)光伏電站的工作需求，該集成檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)光輻照量、環(huán)境溫度和組件溫度參數(shù)進(jìn)行采集、記錄并輸送到上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示，為監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀況及光伏電站的發(fā)電量提供依據(jù)。系統(tǒng)采用上下位機(jī)形式，上下位機(jī)之間采用RS-485總線通信?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換。主控上位機(jī)為中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，安裝了自行開發(fā)的檢測(cè)軟件，可連接1個(gè)或多個(gè)下位機(jī)。下位機(jī)為自行研制的單片機(jī)集成檢測(cè)器，具有規(guī)范化接口，可以根據(jù)需要修改下位機(jī)軟件以改變系統(tǒng)。上下位機(jī)之間采用RS-485總線通信。其結(jié)構(gòu)具有不封閉網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，可方便地添加新節(jié)點(diǎn)，上下位機(jī)之間通過(guò)總線通信，速度快；當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)不干擾其他節(jié)點(diǎn)工作，保證了系統(tǒng)不因?yàn)榫植抗ぷ鞑徽６c瘓。

2 光輻照量檢測(cè)原理及校正

2.1 光輻照量檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的光輻照度測(cè)量方法主要是測(cè)輻射熱劑等熱探測(cè)器。其工作溫度范圍小、成本昂貴、后期維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)制約了推廣使用。因此，實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越多采用成本低廉的光伏電池等光電探測(cè)器作為傳感元件。

光伏電池作為光輻照量檢測(cè)元件是利用其內(nèi)光電響應(yīng)即伏安特性，如圖2所示。光電池的短路電流與入射光輻照量具有良好的線性關(guān)系。因此，可利用檢測(cè)短路電流來(lái)反映光輻照量值。短路電流受溫度和光譜變化的影響很大，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此要進(jìn)行溫度校正和譜校正[2]。

2.2 溫度校正

硅光電池的伏安特性受溫度影響大，如圖3所示，溫度上升，短路電流顯著增加。檢測(cè)光伏電池多數(shù)是在光輻照度為 1 000 W/m2、溫度為 25℃、標(biāo)準(zhǔn)譜分布的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行。這與光伏電站實(shí)際工作環(huán)境差別很大，實(shí)際工作環(huán)境中光伏電池工作溫度接近50℃。這種差別會(huì)產(chǎn)生重大的檢測(cè)誤差。

為了消除溫度的瞬時(shí)影響，應(yīng)用Blaesser方法使在實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)量結(jié)果推廣到不同環(huán)境溫度下[3-4]。

式中，α為電流溫度校正因子，I1為實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的短路電流（mA），T1為實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的短路溫度（℃），E1為實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的短路輻照量（W/m2），I2為工作環(huán)境中的短路電流（mA），T2為工作環(huán)境中的短路溫度（℃），E2為工作環(huán)境中的短路輻照量（W/m2）。

將式（1）中模塊溫度進(jìn)一步修正為對(duì)短路電流變化影響更為直接的節(jié)點(diǎn)溫度Tj以保證更高的準(zhǔn)確性[5]。

式中，Tj為節(jié)點(diǎn)溫度（℃），Ta為環(huán)境溫度（℃），Tn為光輻照量為1 000 W/m2、環(huán)境溫度為 25℃時(shí)的組件溫度（℃），E為測(cè)量時(shí)的光輻照量強(qiáng)度（W/m2）。

2.3 譜校正

除了溫度外，太陽(yáng)光譜變化也會(huì)導(dǎo)致光伏電池的短路電流響應(yīng)變化。美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（American Society for Testing and Materials）已給出了光伏設(shè)備譜密度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方法。任意測(cè)試譜分布下的短路電流通過(guò)譜校正參數(shù)M校正為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)譜分布的響應(yīng)。因此，可將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中的短路電流響應(yīng)推廣到實(shí)際工作環(huán)境中[5]。

式中，Isct為工作環(huán)境中的短路電流 （mA），E*為直射條件下熱輻射計(jì)測(cè)得的光輻照量 （W/m2），E0*為直射條件下、AM=1.5時(shí)熱輻射計(jì)測(cè)得的光輻照量（W/m2），Iscto為直射條件下、25℃、AM=1.5時(shí)的短路電流（mA）。

大氣質(zhì)量AM為太陽(yáng)在任何位置與在天頂時(shí)通過(guò)大氣到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的路徑之比。

式中Zs為太陽(yáng)天頂角（°）。

式（4）中校正參數(shù)AMa是通過(guò)將大氣質(zhì)量修正為與測(cè)試地點(diǎn)緯度相關(guān)的絕對(duì)大氣質(zhì)量，以補(bǔ)償測(cè)量地點(diǎn)緯度不為海平面而造成的誤差，作為獨(dú)立變量用于校正連續(xù)變化的光譜。絕對(duì)大氣質(zhì)量由太陽(yáng)天頂角和緯度決定[5]。

式中，P為工作環(huán)境氣壓 （Pa），PO為海平面標(biāo)準(zhǔn)氣壓（Pa），h 為工作地點(diǎn)的緯度（°）。

太陽(yáng)天頂角Zs可由下式推得[6]：

式中，Zs為太陽(yáng)天頂角（°），θA為太陽(yáng)高度角（°），θD為太陽(yáng)赤緯（°），θL為地理緯度（°），θH為以正午太陽(yáng)為原點(diǎn)的小時(shí)角（°），N為為日數(shù)（自 1月 1日開始計(jì)算），hour為24小時(shí)制測(cè)量時(shí)刻。

如圖4所示，光伏電池的短路電流響應(yīng)與絕對(duì)大氣質(zhì)量有密切關(guān)系。由于非晶硅只能對(duì)小于900 nm波長(zhǎng)的光譜分量產(chǎn)生響應(yīng)，其輻照響應(yīng)隨絕對(duì)大氣質(zhì)量的上升而大幅度減少。因此，在不同譜校正的情況下進(jìn)行輻照量測(cè)量會(huì)產(chǎn)生重大誤差。

2.4 校正后光輻照量響應(yīng)

經(jīng)溫度校正和譜校正后得出校正后光輻照量與短路電流的關(guān)系如式（12）：

式中，Et為太陽(yáng)輻照量 （W/m2），U為光電池響應(yīng)（mV），E0為參考輻照量水平，E0=1 000 W/m2，α為溫度系數(shù)（1/℃），T為組件溫度（℃），T0為參考溫度，T0=25℃。

利用式（13）對(duì)多晶硅的短路電流進(jìn)行校正可以看出，校正后的輻照量響應(yīng)與輻照量間具有良好的線性相關(guān)性，如圖5所示。因此，可以通過(guò)測(cè)量短路電流精確地反映系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收的輻照量。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用上下位機(jī)的形式，下位機(jī)以單片機(jī)為控制核心，加外圍擴(kuò)展電路，具有檢測(cè)和儲(chǔ)存對(duì)象信號(hào)的功能，并且擴(kuò)展了485通信接口，可將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。三路傳感器檢測(cè)通路分別測(cè)量光輻照量、環(huán)境溫度和組件溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，單片機(jī)響應(yīng)上位機(jī)的通信請(qǐng)求后將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)儲(chǔ)存和顯示。本系統(tǒng)采用了單片A/D轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)通過(guò)模擬開關(guān)控制各時(shí)刻送入A/D的數(shù)據(jù)種類，降低了成本。

3.1 光輻照及溫度檢測(cè)通路硬件設(shè)計(jì)

采用以AD623A為放大器的調(diào)理電路，前級(jí)經(jīng)濾波、電流電壓轉(zhuǎn)化輸入放大器進(jìn)行信號(hào)放大。之后，信號(hào)送入模擬開關(guān)MC14433，由單片機(jī)控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通，確保某一時(shí)刻只有確定的一路檢測(cè)信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化。光輻照量檢測(cè)通路的硬件電路圖如圖6所示。

圖6 光輻照量檢測(cè)通路

本系統(tǒng)的溫度檢測(cè)包括環(huán)境溫度檢測(cè)和組件溫度檢測(cè)。所檢測(cè)的數(shù)據(jù)不僅用于儲(chǔ)存和顯示以反映系統(tǒng)工作環(huán)境，還用于光輻照量檢測(cè)的校正，精確度要求較高。采用Pt100溫度傳感器，其硬件電路如圖7所示。

圖7 溫度檢測(cè)通路

采用三線式接法消除引線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，選用三根等效電阻相等即Rr1=Rr2=Rr3的引線，將鉑電阻作為不平衡電橋的一個(gè)橋臂，將其中一根導(dǎo)線Rr1接到電橋的電源端，其余兩根導(dǎo)線Rr2和Rr3分別接到鉑電阻所在橋臂及其相鄰橋臂上，則兩橋臂引入了相同阻值的引線電阻，從而使得電橋處于平衡狀態(tài)，引線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響會(huì)相互抵消。

3.2 系統(tǒng)控制主模塊的選擇

本系統(tǒng)控制器基本控制電路如8所示。系統(tǒng)的串口通信由專用芯片ISO3080完成。CPU電路由STC12C5A160S2作為中央處理器加外圍電路組成。系統(tǒng)具有自動(dòng)上電復(fù)位電路和掉電保護(hù)的低電壓檢測(cè)電路。單片機(jī)的主要作用是控制每個(gè)時(shí)刻送入A/D轉(zhuǎn)換芯片的檢測(cè)對(duì)象；將A/D轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)中；響應(yīng)上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，將存在單片機(jī)中的數(shù)據(jù)輸入總線最終送達(dá)上位機(jī)；在掉電時(shí)將片內(nèi)RAM中尚未送入上位機(jī)的數(shù)據(jù)存入EPROM。根據(jù)以上的功能要求，確立了3級(jí)中斷即掉電中斷、A/D數(shù)據(jù)傳輸中斷、串口通信中斷，各中斷的中斷優(yōu)先級(jí)依次降低。單片機(jī)分時(shí)掃描各I/O口，以確定中斷產(chǎn)生并控制系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、掉電保護(hù)子程序、串口通信子程序、輻照量校正子程序，軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

主程序分時(shí)檢測(cè)光電池板短路電流、環(huán)境溫度和組件溫度并分別送入A/D轉(zhuǎn)換，在檢測(cè)信號(hào)完成A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)中儲(chǔ)存。

輻照量校正子程序?qū)z測(cè)到的光電池短路電流Isc通過(guò)溫度校正和譜校正轉(zhuǎn)化為光輻照量的實(shí)時(shí)值并儲(chǔ)存到單片機(jī)中。

當(dāng)系統(tǒng)在意外情況掉電時(shí)調(diào)用掉電保護(hù)子程序，將儲(chǔ)存在單片機(jī)RAM中的掉電時(shí)間、掉電時(shí)刻光輻照量值和溫度值等數(shù)據(jù)存到EEPROM中，并在上電后將數(shù)據(jù)再次讀出輸送到上位機(jī)。

當(dāng)有上位機(jī)通信請(qǐng)求時(shí)調(diào)用串口通信子程序，進(jìn)行串口通信，將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)上位機(jī)需要傳輸?shù)缴衔粰C(jī)儲(chǔ)存或顯示。

本文設(shè)計(jì)的光伏電站集成檢測(cè)系統(tǒng)成本低、體積小、安裝方便、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高，可在全天候條件下、不同溫度和不同光譜分布環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精確度的光輻照量檢測(cè)，可長(zhǎng)時(shí)間自主穩(wěn)定運(yùn)行，安裝后基本不需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。本光伏電站集成檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于對(duì)光伏電站工作環(huán)境的檢測(cè)，為監(jiān)控光伏電站運(yùn)行狀況及預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)電能力提供可靠的量化依據(jù)。

[1]KING D，BOYSON W，HANSEN B.Improved accuracy for low-cost irradiance sensors[C].Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion， Vienna， Austria， 1998.

[2]SINGH P， SINGH S N， LAL M， etal.Temperature dependence of I-V characteristics and performance parameters of silicon solar Cell[J].Solar Energy Materials& Solar Cells， 2008， （92）：1611-1616.

[3]BLAESSER G.PV system measurement and monitoring：the european experience [C].Proceedingsof9th International Photovoltaic Science and Engineering Conference， Miyazaki，1996：13-15.

[4]BLAESSER G， ROSSI E. Extrapolation of outdoor measurements of PV array I-V characteristics to standard test conditions[J].Solar Cells， 1988， 25：91-96.

[5]KING D， KRATOCHVIL JA， BOYSON W E， etal.Field experience with a new performance characterization procedure for photovoltaic arrays[C].Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion， Vienna， Austria， 1998.

[6]KING D， KRATOCHVIL JA， BOYSON W E， etal.Applied photovoltaics[M].London： Earthscan， 2008：172-17.