基于嵌入式的光伏逆變器監(jiān)控平臺(tái)的研究

劉海妹

(湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151)

基于嵌入式的光伏逆變器監(jiān)控平臺(tái)的研究

劉海妹

(湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151)

結(jié)合光伏發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行情況，利用嵌入式技術(shù)，開(kāi)發(fā)了通過(guò)無(wú)線串口通訊的遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)光伏逆變器監(jiān)控系統(tǒng)。該方案采用分布式處理，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏逆變器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線自動(dòng)采集及存儲(chǔ)的功能。利用嵌入式平臺(tái)構(gòu)建Web服務(wù)器，構(gòu)建出具有主動(dòng)告警機(jī)制的光伏逆變器監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，所采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以為太陽(yáng)能裝置的運(yùn)行提供可靠的分析。

光伏系統(tǒng)；嵌入式；監(jiān)控；無(wú)線傳輸

光伏發(fā)電具有綠色、環(huán)保、可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，但是太陽(yáng)能的不均衡性為光伏發(fā)電的發(fā)展帶來(lái)了不小的阻力。為了加強(qiáng)光伏電能的利用，對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控已經(jīng)成為一種必然。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電的監(jiān)控已經(jīng)取得了許多研究成果。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的各種設(shè)備中，光伏逆變器具有舉足輕重的作用，因此對(duì)它的監(jiān)控是重點(diǎn)。過(guò)去，對(duì)光伏逆變器的監(jiān)控常常采用8位或16位的單片機(jī)進(jìn)行控制，但是這些芯片功能簡(jiǎn)單、性能相對(duì)較差，同時(shí)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，難以保證對(duì)光伏逆變器實(shí)現(xiàn)有效的智能監(jiān)控。因此，采用更加完善的技術(shù)對(duì)光伏逆變器進(jìn)行監(jiān)控，是保證太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)正常、可靠、高效運(yùn)行的保障。

1 光伏逆變器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

逆變器是一種把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷碾娏ρb置[1]。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列所輸出的電能是直流電，但是大多數(shù)電氣設(shè)備所使用的都是交流電，因此需要逆變器將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變成電器可使用的交流電。

光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的專用設(shè)備，必須適應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本特性，因此，其結(jié)構(gòu)也有一定的要求：(1)光伏逆變器應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)光伏電池輸出電壓的波動(dòng)范圍，具有一定范圍的耐壓力；(2)具有較高的轉(zhuǎn)換效率；(3)輸出電壓具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，抗干擾能力強(qiáng)。

圖1所示是一種具有較高效率的正弦波光伏逆變器。圖中，太陽(yáng)能光伏陣列的輸出電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)電容濾波后輸入主功率模塊，主功率模塊由四個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管組成，構(gòu)成了一個(gè)全橋逆變電路，全橋逆變的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電感后，利用變壓器生成各種幅值不同的交流電。

圖1 光伏逆變器的基本結(jié)構(gòu)

2 光伏逆變器監(jiān)控平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

本監(jiān)控平臺(tái)主要由兩大部分組成，一部分是下位機(jī)數(shù)據(jù)采集電路組成，主要功能是利用各種傳感器感知光伏逆變器各部件的電壓、電流、溫度、濕度等信息，并利用無(wú)線短距離通信方式將所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至監(jiān)控平臺(tái)的主控芯片；監(jiān)控平臺(tái)的另一部分是下位機(jī)的主控電路，主要由核心控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、下位機(jī)人機(jī)交互、以太網(wǎng)接口、無(wú)線通信接口、JTAG系統(tǒng)調(diào)試接口組成。主控電路的主要作用是形成下位機(jī)數(shù)據(jù)處理的中心，將采集單元傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理和分析，利用有效的預(yù)警算法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行預(yù)估，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)利用遠(yuǎn)程傳送網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

3 監(jiān)控平臺(tái)硬件電路設(shè)計(jì)

本監(jiān)控平臺(tái)的核心采用ARM處理器。相比較8位或16位的單片機(jī)，32位的ARM微處理器具有更為豐富的片上外設(shè)和更強(qiáng)的功能，可以提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，ARM芯片相比于PC機(jī)而言，體積小、攜帶方便，是構(gòu)成監(jiān)控平臺(tái)的良好選擇。

本設(shè)計(jì)采用32位S3C6410作為RISC微處理器，采用64位內(nèi)部總線架構(gòu)，由AXI、AHB和APB總線組成，還具有強(qiáng)大的硬件加速器，可方便地移植Linux操作系統(tǒng)，帶有豐富的USB接口及網(wǎng)卡接口，完全可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

本監(jiān)控平臺(tái)的主控芯片硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能監(jiān)控平臺(tái)核心電路設(shè)計(jì)框圖

核心板利用串口與下位機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，下位機(jī)采集系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式體系，每個(gè)分布式體系的核心是一個(gè)光伏控制器，光伏控制器的運(yùn)行參數(shù)由各種傳感器采集后，傳至Zig-Bee芯片CC2530。CC2530是帶有8051單片機(jī)的短距離射頻芯片，符合ZigBee協(xié)議棧要求，自帶A/D轉(zhuǎn)換接口，可以連接多種傳感器，利用C語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集及繼電器的動(dòng)作[2]。每個(gè)分布式體系構(gòu)成一個(gè)星形的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，處于終端的是半功能設(shè)備，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和向上傳送，處于星形中心的是全功能ZigBee協(xié)調(diào)器，帶有一定的數(shù)據(jù)處理和路由功能，ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)利用串口上傳至核心板。

4 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集采用中斷的方式，整體的驅(qū)動(dòng)框架如圖4所示。

監(jiān)控平臺(tái)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信采用以太網(wǎng)連接至Internet。本設(shè)計(jì)采用CS8900以太網(wǎng)控制器來(lái)完成靈活的組網(wǎng)功能。

圖4 數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的光伏逆變器監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)以無(wú)線短距離通信ZigBee技術(shù)為核心技術(shù)，以CC2530為底層數(shù)據(jù)采集芯片，并采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將各光伏逆變器所采集的分布式數(shù)據(jù)，利用串口傳送至嵌入式芯片S3C6410。S3C6410芯片將處理后的數(shù)據(jù)利用以太網(wǎng)卡CS8900連接至Internet網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性高，是一種良好的分布式光伏控制監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011：3-5.

[2] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：124-125.

Research of photovoltaic inverter based on embedded platform

LIU Hai-mei

Based on the operation situation of photovoltaic power generation equipment, and using the embedded PV inverter technology, the wireless photovoltaic inverter real-time remote monitoring system was developed which communicated through the wireless serial ports. The distributed processing was adopted, achieving real-time wireless automatic data acquisition and storage of the photovoltaic inverter. Besides, Web server was built through the embedded platform and the PV inverter control system with active warning mechanism was built. Experiments show that the system performance is stable, the accuracy of collected data is high, the real-time performance is strong, and can provide reliable analysis for the operation of the solar installation.

photovoltaic systems; embedded; monitoring; wireless transmission

TM 464

A

1002-087 X(2015)04-0830-02

2015-01-05

劉海妹(1981—)，女，河北省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信。