基于傳感器的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)

張婷婷

（合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230000）

在各種高科技產品及設備更新換代的今天，人們享受著巨大便利，用電量也隨之日益增加。而與之相矛盾的是，作為發(fā)電主體方式--火力發(fā)電，其原料：煤、碳、石油、天然氣等不可再生資源的大幅度消耗和對環(huán)境的污染后果日益凸顯。曾經眾人矚目的核能發(fā)電也因為其安全隱患和高防護技術要求而被民眾所排斥，難以普及。這時，太陽能作為最清潔最環(huán)保分布最廣的可持續(xù)自然能源之一，受到各國科學家的青睞，如何將太陽能轉換為之所用的相關技術也在不斷攻克之中。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽能的使用領域一般有三種方式：太陽能的熱利用、太陽能熱發(fā)電、太陽能光發(fā)電。

太陽能的熱利用是最普通的方式，它是利用太陽光的照射所產生的熱能直接加以使用，如大家最常見的太陽能熱水器。太陽能熱發(fā)電是指用吸收到的太陽能加熱水產生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，這種方式遵循了傳統(tǒng)的發(fā)電模式。最后一種太陽能光發(fā)電方式，是基于半導體光生伏特效應，利用太陽光照射半導體晶片制成的太陽能電池，直接將太陽輻射轉換成電能，這是目前研究最多的方式，也就是通常說的光伏發(fā)電。

當然作為一個完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，光靠組件完成光電效應是遠遠不夠的，因為光伏組件經過光電效應后轉換成的電能是直流電，而實際傳輸和使用的電網應該為交流電，所以我們還需要直流變交流的環(huán)節(jié)，即逆變控制。除此之外，作為發(fā)電系統(tǒng)，人們最注重的是效益性和安全性，因此完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)應該包括：光伏組件、逆變控制器、交直流配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等。

二、光伏發(fā)電監(jiān)測的必要性

事實上，在發(fā)展和推廣光伏發(fā)電系統(tǒng)的進程中，最大的阻礙來自于其極高的價格成本。而在通過改進相應技術進步降低成本的同時，降低價格的更快更有效的途徑就在于提高相同成本下系統(tǒng)的使用壽命，即保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行時間和維護水平，提高電網的穩(wěn)定可靠性。這要求必須建立起監(jiān)測系統(tǒng)，精確測量環(huán)境因素，增加監(jiān)控參量，再將數據傳送給監(jiān)控系統(tǒng)記錄、處理和分析，提高監(jiān)控量水平，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、有效、穩(wěn)定的運行。所以說在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，監(jiān)測結果直接影響到系統(tǒng)的使用壽命，非常重要。

三、監(jiān)測系統(tǒng)的構成

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)由信號變送、數據采集、處理診斷三大部分構成。

（一）信號變送

為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行和數據分析，延長系統(tǒng)的使用壽命，我們通常需要監(jiān)測反映發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)的物理量，如直流端電流、電壓、交流端電流、電壓、輸出功率等，以及諸如太陽輻射強度、溫度、照度、風速等可能影響系統(tǒng)安全運行的環(huán)境因素。然而這些物理量一般很難直接測量，而且不易處理，所以我們需要將其轉換成容易測量處理的電量，此即信號變送，這一功能就是由傳感器實現的。傳感器是利用傳感元件將各種各樣的物理量按照一定規(guī)律轉變成電參數（如電阻、電感、電容、頻率等）的檢測裝置。一般的光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用最多的傳感器主要有下述幾種：

1、電流傳感器

在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中涉及到逆變控制器，有直流端和交流端兩組電流數據的測量，因此要用到兩種電流傳感器。首先在直流端的電流測量中，可采用高精度直流大電流傳感器。這種傳感器是利用半導體的霍爾效應原理，將直流端導電母線穿過互感器鐵芯，其電流在鐵芯中會產生一個與其成一定比例的感應磁場，而安裝在鐵芯氣隙中的霍爾元件可以感應到磁場，并輸出與磁場成正比的霍爾電壓，從而完成將直流端電流轉變成穩(wěn)定電壓輸出，它精確反映了被測直流端電流值，并可傳輸結果。另外它還能起到一個隔離作用，避免直流信號引入電網。而在交流端的電流測量中，一般采用電流互感器，利用磁平衡原理將被測電流轉成0mA～50mA標準信號電流，再經過外加取樣電路轉變成電壓信號輸出，便于分析。

2、電壓傳感器

電壓傳感器與上述相類似，主要用于采集直流端和交流端的電壓數據，同樣采用電磁調制型隔離原理來有效的克服直流漂移。

3、光強傳感器

光伏發(fā)電的能源均來自于太陽能，而太陽光的強度和光伏組件表面光強直接關系到光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此監(jiān)測一個光伏系統(tǒng)是否有足夠的光照高效發(fā)電，陽光輻射照度的測量尤為關鍵，一般我們可采用光強傳感器來完成測量。光強傳感器是利用光電池的輸出短路電流與光照輻度成正比的原理，選取一塊標定過標準光強的光電池，通過測量其短路電流和表面溫度，即可計算出當時其表面所承受的光照輻度。

4、溫度傳感器

在光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的過程中，我們需實時監(jiān)測環(huán)境溫度和組件的溫度，分析系統(tǒng)是否正常運行。這個一般是選用精密鉑電阻溫度傳感器。這種電阻式傳感器是利用高強度的鉑電阻絲有穩(wěn)定的正溫度系數這一特點制成。在溫度發(fā)生變化時，鉑電阻的阻值也會隨之發(fā)生變化，這樣就可以將溫度變化轉變成阻值的變化，然后通過電橋法將阻值變化最終變成輸出電壓電信號輸出。故在本系統(tǒng)中，可采用兩個溫度傳感器分別對光伏組件表面的溫度和周圍環(huán)境的溫度進行測量，測量結果轉成電信號傳輸到后續(xù)單元。

5、風速傳感器

大型的光伏系統(tǒng)一般會設置在空曠光照好的區(qū)域，但這些區(qū)域一般也會有大風天氣。為了保證光伏發(fā)電設備的安全，系統(tǒng)應該有自動防風保護功能，即在風力過高如八級以上時能讓光伏組件快速收平，等風速下降后，再延遲解除防風狀態(tài)，恢復正常工作，這就用到了風速傳感器。風速傳感器是以風杯旋轉架為感應元件，用多齒轉盤和光電斷器將轉子速度轉變成與風速成正比的頻率電信號，通過頻率/電壓轉換電路最終變成與風速成正比的標準電壓信號輸出。

經過上述幾種傳感器就可以實現信號變送功能，對監(jiān)測物理量進行變送，將電信號傳送給后續(xù)單元。這一環(huán)節(jié)是安裝在光伏發(fā)電設備現場的。

（二）數據采集

數據采集是一個中間過程，它采集來自傳感器的各種電信號，并將其送往數據處理和診斷系統(tǒng)，以便對監(jiān)測到的數據進行進一步地分析處理。經過前期預處理的電信號是連續(xù)的模擬量，而送入主控室微機進行處理分析的信號應該是離散的數字信號，必須將傳感器輸出的信號進行A/D轉換，而A/D轉換器就是數據采集的核心，要滿足轉換速度和準確度兩方面的要求。此外，為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度，還需要采取一些抗干擾措施，以提高信號的信噪比，因此，在傳感器變送信號時，一般還會加入預處理。比如，將電量參數變成具有一定驅動和傳輸能力的電信號；將信號的幅度調整到合適的電平；對混疊的干擾采用硬件電路進行抑制，大大削弱信號傳輸過程中的干擾，統(tǒng)一構成數據采集電路。

現代的數據采集多采用單片機或者工控機對采集系統(tǒng)進行控制，并且對采集的數據利用專門的處理軟件進行分析處理和存儲。這一環(huán)節(jié)一般設在光伏發(fā)電設備附近，也在現場。

（三）處理診斷

在經過數據采集之后所要做的就是對前面采集的數據進行處理和分析，如對獲取的數字信息做時域分析，利用軟件濾波、平均處理等技術，對信號作進一步的處理，提高信噪比，從而獲取反映設備狀態(tài)的特征值，為診斷提供有效的數據和信息。

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)具體的數據信息包括：①光伏組件運行時的直流電流值、電壓值、功率值，以及經過逆變器變換以后輸出的交流電參數；②采集太陽的輻照度、光伏組件表面和周圍環(huán)境的溫度以及風速值；③計算每個系統(tǒng)的實時發(fā)電量、有功、無功輸出、功率因素等；④通過一定時期內采集的數據計算累計發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數值。隨后根據這些處理后的數據信息，將其和歷史數據、判據及其他信息進行比較分析后，對設備的狀態(tài)進行分析以作出診斷，是否正常運行，是否有故障，是否需要改變運行方式等?？梢哉f，信號處理和診斷系統(tǒng)，實際上就是一臺微型計算機和監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，位置在距現場約數十至數百米的主控室內。

根據上述內容，可將光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)歸納成如下圖所示的組成框圖，在加入適當軟件技術以后還可通過互聯網實現遠程數據監(jiān)測。

四、結語

本文將傳感器技術應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數據監(jiān)測，構建了一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種發(fā)電特性及周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測，從而得到可靠的監(jiān)測數據來監(jiān)控運行過程。本文主要研究了信號變送部分內容，選用了適合本系統(tǒng)的各類傳感器及變換器，并簡述了建立數據采集和數據處理系統(tǒng)的方法。在需要研究其他運行特性的時候可以很方便地進行擴充，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，而且具有成本低，使用方便的特點，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應用前景。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2]王昌長，李福祺，高勝友.電力設備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]彭傳誨，蘇建徽，劉文濤.大功率光伏陣列輸出特性現場測試技術[J].低壓電器，2012，（1）.