光伏電站抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置分析與設(shè)計(jì)

陸振宇，馬 健

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044）

光伏發(fā)電是能源結(jié)構(gòu)體中的重要組成部分。而我國(guó)是一個(gè)臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，惡劣天氣會(huì)對(duì)光伏電站的安全性能產(chǎn)生很大影響。而光伏組件作為光伏電站的核心模塊，在安裝時(shí)其穩(wěn)定性就存在客觀性差異，再經(jīng)歷長(zhǎng)期的野外工作后，導(dǎo)致光伏組件安裝孔位的穩(wěn)定性不斷降低，久而久之可能導(dǎo)致光伏組件發(fā)生松動(dòng)，甚至出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。這對(duì)光伏電站的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響，使我國(guó)因此遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，我國(guó)對(duì)光伏電站的研究中關(guān)于光伏組件的檢測(cè)方案類的研究較少，校驗(yàn)系統(tǒng)與裝備均處于起步階段，對(duì)其安全性能的校驗(yàn)也不盡完善，所以為光伏電站的定期檢測(cè)提供技術(shù)手段與裝備具有必要性與緊迫性的實(shí)踐意義。

因此，本文以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足為研究目的，設(shè)計(jì)出了一種光伏電站抗風(fēng)性能監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)設(shè)置光伏組件上的震動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏組件震動(dòng)系數(shù)，同時(shí)測(cè)量光伏電站現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速和風(fēng)向，將光伏組件震動(dòng)與環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合獲得光伏電站的整體抗風(fēng)性能，提高光伏電站的安全性，解決光伏電站長(zhǎng)期運(yùn)行中的抗風(fēng)安全性問(wèn)題[1]。

1 抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置原理分析

光伏電站的抗風(fēng)性能監(jiān)測(cè)主要體現(xiàn)在太陽(yáng)能板震動(dòng)系數(shù)與環(huán)境風(fēng)速比值的曲線關(guān)系上。該裝置通過(guò)安裝在太陽(yáng)能電池板背面的震動(dòng)傳感器和電站內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，對(duì)太陽(yáng)能電池板的震動(dòng)系數(shù)以及環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行采集；監(jiān)測(cè)各太陽(yáng)能板震動(dòng)系數(shù)與風(fēng)速之比，對(duì)松動(dòng)的太陽(yáng)能板進(jìn)行警報(bào)；對(duì)風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，記錄不同風(fēng)向區(qū)間內(nèi)同等風(fēng)速對(duì)太陽(yáng)能電池板抗風(fēng)性能指數(shù)的影響，同時(shí)將太陽(yáng)能電池板警報(bào)時(shí)抗風(fēng)性能指數(shù)存儲(chǔ)，預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池板所能承受最大風(fēng)力，從而對(duì)太陽(yáng)能板的安全性能進(jìn)行全面預(yù)估與評(píng)測(cè)[2]。

2 抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置流程分析

采集器將風(fēng)向傳感器輸出的0～360°風(fēng)向數(shù)據(jù)平均劃分為8個(gè)區(qū)間，如圖1所示。

圖1 風(fēng)向區(qū)間分度表Fig.1 Wind interval indexing table

1）光伏電站內(nèi)太陽(yáng)能電池板的數(shù)量不固定，每塊太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)一個(gè)采集器，即每一塊太陽(yáng)能電池板配有一個(gè)采集器對(duì)其抗風(fēng)性能指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

2）采集器每分鐘對(duì)各參數(shù)進(jìn)行十次數(shù)據(jù)采集，得出各參數(shù)平均值，包括震動(dòng)數(shù)據(jù)（V_m）、平均風(fēng)速（WS_m）、平均風(fēng)向(WD_m)，m為采樣分鐘值(m=1,2,3…)；

3）采集器根據(jù)當(dāng)前風(fēng)向值（WD_m），判斷組件所屬風(fēng)向區(qū)間(A-H)；

4）采集器將第m分鐘內(nèi)震動(dòng)數(shù)據(jù) (V_m)與風(fēng)速（WS_m）相比，得到第m分鐘太陽(yáng)能電池板抗風(fēng)性能指數(shù)（V_m/WS_m），將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，繼續(xù)采樣，得出第m+1分鐘內(nèi)抗風(fēng)性能指數(shù)（V_m+1/WS_m+1)；

5）若第m+1分鐘風(fēng)向 （WD_m+1）與第m分鐘風(fēng)向(WD_m)所屬風(fēng)向區(qū)間相同，對(duì)比太陽(yáng)能電池板在第m+1分鐘和第m分鐘內(nèi)抗風(fēng)性能指數(shù)大小。

6）若太陽(yáng)能電池板在第m+1分鐘內(nèi)的抗風(fēng)性能指數(shù)大于第m分鐘內(nèi)抗風(fēng)性能指數(shù)(V_m/WS_m

7）若第 m+1分鐘風(fēng)向 （WD_m+1）與第m分鐘風(fēng)向(WD_m)所屬風(fēng)向區(qū)間不同，判斷第m+1分鐘風(fēng)向（WD_m+1）所屬風(fēng)向區(qū)間是否有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，若沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將第m+1分鐘內(nèi)抗風(fēng)性能指數(shù)（V_m+1/WS_m+1)存儲(chǔ)；若有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，則將所存數(shù)據(jù)與第m+1分鐘內(nèi)抗風(fēng)性能指數(shù)比較后取較大值存儲(chǔ)；

8）綜上所述，采集器得出每日各風(fēng)向區(qū)間內(nèi)太陽(yáng)能電池板抗風(fēng)性能指數(shù)最大值，記作歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，若某風(fēng)向區(qū)間未進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，則記0處理；

9）若同一風(fēng)向區(qū)間內(nèi)，太陽(yáng)能抗風(fēng)性能指數(shù)超出歷史數(shù)據(jù)（非0）平均值的50%，則可推斷太陽(yáng)能電池板出現(xiàn)松動(dòng)，采集器發(fā)出警報(bào)信號(hào)；

10）主控制器將每日各個(gè)采集器所存數(shù)據(jù)匯總上傳至PC機(jī)繪圖顯示，使監(jiān)測(cè)更加直觀。

3 抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置硬件分析

3.1 抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置框圖分析

如圖2所示，光伏電站抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置主要由主控制部分、信號(hào)采集處理部分和數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)部分組成。其主控制電路以單片機(jī)MSP430F149為核心處理器,實(shí)現(xiàn)了震動(dòng)、風(fēng)速、風(fēng)向信號(hào)的采集、處理和傳輸功能；存儲(chǔ)器選用AT25080用于保存一個(gè)月內(nèi)各風(fēng)向區(qū)間太陽(yáng)能板抗風(fēng)性能指數(shù)，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能；通訊接口采用RS485接口，用于與PC機(jī)的遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)采集和數(shù)據(jù)集中管理；本文將在下面兩小節(jié)中對(duì)震動(dòng)系數(shù)采集電路與環(huán)境要素采集理電路進(jìn)行重點(diǎn)分析[3-4]。

圖2 光伏電站抗風(fēng)監(jiān)測(cè)原理框圖Fig.2 Block diagram of wind monitoring device photovoltaic power plant

3.2 震動(dòng)系數(shù)采集電路

如圖3所示，震動(dòng)傳感器輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，由于其內(nèi)阻極高(10～1 000 MΩ)，本設(shè)計(jì)方案采用Analog公司的運(yùn)放AD8476作為前端放大隔離電路 （AD8476為專門用于傳感器輸入端高輸入阻抗的運(yùn)算放大器）。隔離放大后，因震動(dòng)傳感器輸出信號(hào)±5 V滿足所選A/D轉(zhuǎn)換裝置，故將AD8476輸出端經(jīng)RC濾波后直接與A/D轉(zhuǎn)換裝置輸入端相連即可。所選A/D轉(zhuǎn)換裝置為AD7705（AD7705為16位差分放大器，具有抑制輸入端共模干擾等特點(diǎn)），此AD采用5 V供電時(shí)，轉(zhuǎn)換范圍滿足震動(dòng)傳感器輸出信號(hào)要求，因此，模擬通道未進(jìn)行電壓增益設(shè)計(jì)，其放大倍數(shù)為1；AD輸入端采用RC濾波，可使輸出電壓更穩(wěn)定，紋波電壓波動(dòng)更小[5]。

3.3 環(huán)境要素采集電路

如圖4所示，風(fēng)向傳感器與風(fēng)速傳感器輸出信號(hào)為5 V脈沖信號(hào)，而MSP430內(nèi)部計(jì)數(shù)器允許接收的脈沖信號(hào)門限為3.3 V，所以由傳感器輸出后，先經(jīng)由上拉電阻確保傳感器輸出信號(hào)始終保持在高電平，以提高脈沖信號(hào)的抗干擾性和穩(wěn)定性；后接入1 μF電容，隔直通交，過(guò)濾雜波；最后與LM293比較器相連，與0電平進(jìn)行比較，LM293具有2 V至36 V的寬工作電壓范圍和較好的噪聲抑制能力，采用3.3 V進(jìn)行供電時(shí)，輸出信號(hào)滿足單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入范圍，最終達(dá)到脈沖整形的目地[6]。

4 抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置軟件分析

圖3 震動(dòng)傳感器調(diào)理電路Fig.3 Vibration sensor conditioning circuit

圖4 風(fēng)向風(fēng)速傳感器調(diào)理電路Fig.4 The wind sensor conditioning circuit

光伏電站抗風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置以MSP430的IAR軟件為平臺(tái)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，整個(gè)編程過(guò)程全部采用模塊化設(shè)計(jì)。該監(jiān)測(cè)裝置的主要組成部分包括系統(tǒng)初始化部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)分析計(jì)算部分、數(shù)據(jù)顯示報(bào)警部分和數(shù)據(jù)傳輸部分，其主要工作任務(wù)為：1)對(duì)光伏電站中各太陽(yáng)能板震動(dòng)系數(shù)及環(huán)境進(jìn)行采集；2)對(duì)采集到的風(fēng)向信號(hào)進(jìn)行區(qū)間劃分，并對(duì)各太陽(yáng)能板抗風(fēng)性能指數(shù)進(jìn)行計(jì)算；3)對(duì)太陽(yáng)能電池板安全狀況異?；虮O(jiān)測(cè)量超限的組件進(jìn)行報(bào)警；4)定時(shí)將光伏電站內(nèi)各太陽(yáng)能板抗風(fēng)性能發(fā)送至監(jiān)控中心。具體流程如圖5所示。

圖5 軟件流程框圖Fig.5 Software flow diagram

5 結(jié)束語(yǔ)

光伏電站抗風(fēng)性能監(jiān)測(cè)裝置主要通過(guò)在太陽(yáng)能電池板上設(shè)置震動(dòng)傳感器，避免太陽(yáng)能電池板在惡劣天氣中出現(xiàn)緊固螺絲松動(dòng)的現(xiàn)象，消除電站的安全隱患，并對(duì)光伏電站長(zhǎng)期運(yùn)行中的抗風(fēng)安全性問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高光伏電站長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

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