基于LabVIEW的光伏并網(wǎng)逆變器溫升自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 棟, 王鈞銘, 鮑安平, 顧凱鳴

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中認(rèn)新能源技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用技術(shù)的一個(gè)重要方面，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，所以并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量直接關(guān)系著光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定可靠運(yùn)行[1]。而溫升測試是評估逆變器是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的一個(gè)重要的安全指標(biāo)[2]。目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試基本上還是使用溫度采集裝置自帶的通用軟件進(jìn)行測量，主要缺點(diǎn)是測試軟件沒有針對光伏逆變器溫升試驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在測試過程中逆變器各測點(diǎn)的溫度還要靠測試人員監(jiān)控，耗時(shí)耗力，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試，測試效率較低。因此構(gòu)建一個(gè)功能完善的逆變器溫升自動(dòng)測試系統(tǒng)，用來快速、準(zhǔn)確地采集監(jiān)控測試過程中的溫度參數(shù)顯得尤為重要。

本文基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了光伏并網(wǎng)逆變器溫升自動(dòng)測試系統(tǒng)[3-4]，該系統(tǒng)可以進(jìn)行多通道溫度采集和測量控制，從計(jì)算機(jī)界面上直觀地得到逆變器測試過程中的溫度值和曲線圖，待逆變器溫度穩(wěn)定后會(huì)自動(dòng)提醒測試結(jié)束，出具溫升測試結(jié)果報(bào)告，系統(tǒng)界面友好且使用方便，大大節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了測試效率。

1 逆變器溫升測試方法和要求

測試方法依據(jù)國家發(fā)布的認(rèn)證技術(shù)規(guī)范CNCA/CTS0004-2009A《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)條件》5.16章節(jié)溫升試驗(yàn)的要求，在全功率條件下，在逆變器會(huì)引起危險(xiǎn)的零部件和可接觸部位上布置溫度采集點(diǎn)(測溫點(diǎn))，當(dāng)各測溫點(diǎn)溫度變化每小時(shí)不超過1 K時(shí)即認(rèn)為逆變器達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫升試驗(yàn)結(jié)束。此時(shí)記錄下各測溫點(diǎn)的溫度值，看是否超過了技術(shù)規(guī)范中要求的最低限值[5]。

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試系統(tǒng)由測試平臺(tái)、Agilent 34970A[6]數(shù)據(jù)采集器、YOKOGAWA WT3000[7]功率分析儀和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

測試平臺(tái)選用霍爾傳感器HIOKI CT6863、Omega K型熱電偶和NI公司的PXIe-1082工控機(jī)等部分組成。

系統(tǒng)采用Omega公司的K型熱電偶作為測溫傳感器，型號(hào)為TT-K-30，測量的溫度范圍為-200 ℃～260 ℃。

Agilent 34970A是一種性價(jià)比較高的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)單元，適用于數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)采集和一般的開關(guān)與控制應(yīng)用，可完成溫度、交直流電壓電流、電阻等測量功能。儀器后面板配有3個(gè)插槽，可安裝Agilent 34901A 20路銜鐵式多路復(fù)用器。光伏逆變器溫升測試每次需要測量大約40個(gè)測溫點(diǎn)，所以只需使用2塊34901A板卡就可以滿足測試要求。測量精度可達(dá)到0.001 ℃。

本系統(tǒng)采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器作為整個(gè)測試系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過Omega K型熱電偶實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場溫度信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過采集器內(nèi)部調(diào)理后，接收工控機(jī)系統(tǒng)軟件的控制命令并向其提供數(shù)據(jù)。Agilent 34970A使用的通信接口有GPIB和RS232兩種。在測試系統(tǒng)調(diào)試階段，分別對這兩種接口進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RS232雖然價(jià)格便宜，但是傳輸速度較慢，尤其在34970A掃描速率較高、測試通道數(shù)多的情況下，經(jīng)常造成儀器與工控機(jī)之間的通信沒有響應(yīng)，因此不宜選擇RS232作為高精度、高可靠性的測試通信接口。本文選用GPIB接口進(jìn)行通信，GPIB的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可以達(dá)到1.5 Mb/s，傳輸距離較遠(yuǎn)，可靠性較好，連接方式為總線并行式，儀器直接并聯(lián)在總線上，可與符合國際標(biāo)準(zhǔn)的各類程控儀器連接構(gòu)成自動(dòng)化測試系統(tǒng)[8-9]。

工控機(jī)PXIe-1082是基于LabVIEW的測試平臺(tái)，是整個(gè)測試系統(tǒng)的控制單元，負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示，并出具溫升測試報(bào)告。

YOKOGAWA WT3000功率分析儀負(fù)責(zé)讀取逆變器直流側(cè)和交流側(cè)的電參數(shù)值，如電流、電壓、功率和頻率等，調(diào)節(jié)光伏陣列模擬器確保逆變器在滿功率下進(jìn)行溫升測試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

軟件采用LabVIEW2012版本作為溫升測試系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW是由美國NI公司推出的虛擬儀器設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，具有圖形化編程容易入門、豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫和分析子程序，使之在開發(fā)虛擬儀器上具有獨(dú)特優(yōu)勢[10]。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，調(diào)用了Agilent 34970A提供的LabVIEW的第三方驅(qū)動(dòng)函數(shù)，不需要使用LabVIEW的VISA函數(shù)編寫底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，使用起來方便快捷，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間[11]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為使測試系統(tǒng)具有良好的儀器擴(kuò)展性便于升級(jí)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的方法[12]，功能程序和驅(qū)動(dòng)程序相對獨(dú)立。軟件包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)配置、測試通道配置、溫度采集和數(shù)據(jù)保存等模塊。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶啟動(dòng)測試系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)和測試通道配置，接著對配置的測試通道進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，如果各通道溫度值在半小時(shí)內(nèi)不超過1K，則彈出對話框和語音提醒，提示測試結(jié)束停止溫度采集，同時(shí)保存測試數(shù)據(jù)值。最終測試系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖3 測試系統(tǒng)軟件界面

軟件的主框架采用了生產(chǎn)者-消費(fèi)者架構(gòu)[13-17]進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。生產(chǎn)者循環(huán)和消費(fèi)者循環(huán)之間采用隊(duì)列技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，生產(chǎn)者循環(huán)負(fù)責(zé)軟件界面人機(jī)交互時(shí)的動(dòng)作響應(yīng)，消費(fèi)者循環(huán)負(fù)責(zé)響應(yīng)后的數(shù)據(jù)處理。

圖4 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.3 軟件關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

(1) 系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)。初始化設(shè)計(jì)在程序消費(fèi)者循環(huán)中實(shí)現(xiàn)，含Init、Init global、Init UI等3個(gè)子程序完成對使用的全局變量和用戶界面控件進(jìn)行初始化設(shè)置，如測試通道配置樹形控件、測試曲線控件等。

(2) 系統(tǒng)參數(shù)配置設(shè)計(jì)。在軟件的系統(tǒng)配置中設(shè)有仿真選項(xiàng)，在程序中用全局變量來進(jìn)行控制，便于在無Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器的條件下仿真編寫并調(diào)試測試系統(tǒng)軟件。

(3) 溫度值即時(shí)查看功能設(shè)計(jì)。主界面溫度顯示曲線圖中，沿著曲線圖移動(dòng)鼠標(biāo)可以察看各點(diǎn)的溫度值，便于測試人員監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。如圖5所示為此功能設(shè)計(jì)的部分程序框圖。程序中使用了引用節(jié)點(diǎn)Map Coordinates To XY和屬性節(jié)點(diǎn)Cursor Mode、Active Plot。

(4) 通信錯(cuò)誤。當(dāng)計(jì)算機(jī)與Agilent 34970A通信發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，軟件會(huì)彈出對話框提醒，并顯示錯(cuò)誤碼。如圖6所示程序框圖。

圖5 溫度即時(shí)查看設(shè)計(jì)部分程序框圖

圖6 通信錯(cuò)誤碼功能程序框圖

(5) 通道名稱。軟件中采用樹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測試通道配置程序，并且可以在通道號(hào)上雙擊鼠標(biāo)彈出對話框，給各個(gè)測試通道標(biāo)識(shí)測試名稱，如圖7所示測試通道名稱輸入前面板。

圖7 測試通道名稱輸入前面板

(6) 試驗(yàn)結(jié)束。軟件會(huì)以TDMS格式自動(dòng)保存測試數(shù)據(jù)，以便測試人員查看歷史測試數(shù)據(jù)，如圖8所示程序框圖。

圖8 TDMS保存數(shù)據(jù)程序框圖

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)目前已應(yīng)用在南京中認(rèn)南信檢測技術(shù)有限公司的光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試中，節(jié)省了大量的人力物力，提高了測試效率，經(jīng)過半年現(xiàn)場試用后于2012年12月最后調(diào)試、驗(yàn)收通過。同時(shí)，隨著用戶需求的變化和新設(shè)備的出現(xiàn)，可以在系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下，快速進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的升級(jí)開發(fā)，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 郭 放，李大中. 光伏并網(wǎng)逆變器性能檢測技術(shù)及智能檢測平臺(tái)系統(tǒng)研究[J]. 電力學(xué)報(bào)，2012，27(5)：498-501.

GUO Fang,LI Da-zhong.Photovoltaic Grid-connected Inverter Performance Testing Technology and Smart Detection System Research[J]. Journal of Electric Power, 2012，27(5)：498-501.

[2] 中國質(zhì)量認(rèn)證中心. CNCA/CTS0006-2010，光伏發(fā)電系統(tǒng)用電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的安全 第1部分：通用要求[S].北京：中國質(zhì)量認(rèn)證中心，2010.

[3] Robert H. Bishop. LabVIEW 8 Student Edition[M]. 喬瑞萍，林欣，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008：1-5.

[4] 宋 波，陳一民. 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境的比較研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(12)：2971-2976.

SONG Bo,CHEN Yi-min.Comparison and choice about virtual instrument's development environment[J]. Computer Engineering And Design, 2007，28(12)：2971-2976.

[5] 北京覽衡認(rèn)證中心. CNCA/CTS0004-2009A，并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)條件[S].北京：北京覽衡認(rèn)證中心，2011.

[6] Agilent Technologies. Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集開關(guān)單元用戶指南[M].2003-07.

[7] 日本橫河公司.WT3000用戶手冊[M].2013.

[8] 周軍濤，陳懷民，吳成富，等. 基于GPIB和Agilent34970A的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2007，26(4)：71-73.

ZHOU Jun-tao，CHEN Huai-min，WU Cheng-fu，etal.Design of Data Collection System Software Based on GPIB and Agilent34970A[J].Measurement & Control Technology,2007，26(4)：71-73.

[9] 余文芳，趙文敏. 基于Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2004，25(10)：46-48.

YU Wen-fang,ZHAO Wen-min.The Computerized Monitoring System Composed of Agilent34970A Data Collector[J].Process Automation Instrumentation, 2004，25(10)：46-48.

[10] Johnson G W. LabVIEW Graphical Programming [M]. McGraw-Hill, New York, 1997.

[11] 潘德祥. VISA在LabVIEW中的靈活應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2007(6)：43-45.

PAN De-xiang.The flexible Application of VISA in Labview[J].Instrument Standardization & Metrology，2007(6):43-45.

[12] 邢亞坤, 吳國慶. 基于PXI總線的電臺(tái)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2009(1): 46-48.

XING Ya-kun,WU Guo-qing.Study And Achievement of Radio Test System Which is Based on PXIbus[J].Computer Measurement & Control, 2009(1): 46-48.

[13] https://decibel.ni.com/content/docs/DOC-14758

[14] 王維喜，李 智. 基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的連續(xù)音頻信號(hào)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(7)：129-132.

WANG Wei-xi,LI Zhi. Continuous Sound Signal Acquisition System with Real-time Control Based on Producer/Consumer Design Pattern[J].Modern Electronics Technique, 2009(7)：129-132.

[15] 雷晏瑤，李 智. 基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械，2011(9)：39-43.

LEI Yan-yao,LI Zhi.Design of data Acquisition system based on producer/consumer[J]. Machinery, 2011(9)：39-43.

[16] 唐進(jìn)元，李 松，邵 文. 基于LabVIEW生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的齒輪傳動(dòng)振動(dòng)測試系統(tǒng)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011，35(1)：5-7.

TANG Jin-yuan,LI Song,SHAO Wen.Gear Transmissi on Vibration Test System Based On the Producer/Consumer Model of LabVIEW[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2011，35(1)：5-7.

[17] Blume.Peter A. The LabVIEW style book[M]. Prentice-Hall,Inc, 2007.