分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

程　潔， 席自強(qiáng)， 王方偉

(1 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430068;

2 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局， 云南 曲靖 655000)

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分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

程潔1， 席自強(qiáng)1， 王方偉2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430068;

2 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局， 云南 曲靖 655000)

[摘要]介紹了一種單相戶用型分布式太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。該裝置具有對(duì)并網(wǎng)前的電能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能，能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果傳到用戶端。對(duì)電能參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了描述，對(duì)裝置的硬件結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了說(shuō)明。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出的裝置能對(duì)并網(wǎng)前的電能質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)。

[關(guān)鍵詞]太陽(yáng)能； 并網(wǎng)； 電能質(zhì)量； DSP； 監(jiān)測(cè)

隨著國(guó)家新能源戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施，單相戶用型太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)已經(jīng)成為新能源發(fā)電的一種重要途徑[1-2]。并網(wǎng)前的電能質(zhì)量對(duì)電力系統(tǒng)影響很大，有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP TMS320F282335的適用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

本裝置具有電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的功能，適用于居民用戶安裝的太陽(yáng)能發(fā)電裝置[3]。本裝置還可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量參數(shù)的數(shù)據(jù)、波形、FFT分析后的頻譜圖實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在VGA顯示屏上。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄用裼脩舻目梢暯K端或電網(wǎng)公司的可視化終端。當(dāng)用戶的發(fā)電端出現(xiàn)了故障，該系統(tǒng)還可以調(diào)出其SD卡所存儲(chǔ)的歷史記錄，方便對(duì)故障發(fā)生原因的分析和檢修。

1電能檢測(cè)參數(shù)

本裝置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)部分不僅能實(shí)時(shí)提供并網(wǎng)前的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、真功率因數(shù)等電能質(zhì)量的基本參數(shù)[4]，還可以依托DSP TMS320F282335的強(qiáng)大處理能力對(duì)并網(wǎng)前的電壓電流進(jìn)行諧波分析，得到諧波含有率、電壓、電流總畸變率等電能指標(biāo)。

1.1電壓偏差計(jì)算

1.2電壓、電流有效值的計(jì)算

電壓、電流有效值的計(jì)算方法，Un表示電壓的各點(diǎn)采樣值，In表示電流的各點(diǎn)采樣值，電壓有效值

電流有效值

1.3各諧波含有率及總畸變率的算法分析

圖 1　FFT算法流程圖

采用2M點(diǎn)FFT算法對(duì)并網(wǎng)前的電壓電流信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到電壓電流頻譜圖，得到各頻率成分占有的分量，從而計(jì)算各諧波含有率及總畸變率，F(xiàn)FT算法流程見(jiàn)圖1。

電壓諧波總畸變率

電流諧波總畸變率

1.4視在功率、有功功率、無(wú)功功率、真功率因數(shù)的計(jì)算

視在功率

S=U×I

有功功率

無(wú)功功率

真功率因數(shù)

2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置功能

2.1電能質(zhì)量參數(shù)、電壓電流波形、頻譜圖顯示

本裝置建立在DSP TMS320F282335的基礎(chǔ)上，采用了VGA實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)電壓電流的波形、FFT分析后的電壓電流的頻譜圖[5]，并通過(guò)鍵盤(pán)控制波形的采樣頻率和控制電壓電流的顯示，顯示內(nèi)容較多，可切換界面的12864液晶顯示電能質(zhì)量參數(shù)。

2.2SD卡存儲(chǔ)歷史記錄功能

裝置中使用4G容量的SD卡來(lái)存儲(chǔ)電能參數(shù)，數(shù)據(jù)記錄更為方便，結(jié)合時(shí)鐘芯片DS1302，用時(shí)間作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件名記錄電網(wǎng)參數(shù)，便于清晰地記錄電壓驟升、電流驟升、電壓驟降、電流驟降、過(guò)壓欠壓等暫態(tài)事件，同時(shí)它記錄的時(shí)間信息也為電能的計(jì)量提供了有力的依據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信

為了遠(yuǎn)程監(jiān)控并網(wǎng)前的電能質(zhì)量狀況及電能使用量，設(shè)計(jì)了一個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸線將下位機(jī)的參數(shù)信息發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)端設(shè)計(jì)了專門(mén)顯示接受數(shù)據(jù)的軟件界面，以便進(jìn)行分析。

2.4系統(tǒng)框圖

如圖2所示，電壓霍爾用于將并網(wǎng)前的的高電壓轉(zhuǎn)換為小信號(hào)，電流霍爾用于將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，AD采樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，SD卡存儲(chǔ)電能質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，VGA顯示電壓、負(fù)載電流波形圖及其頻譜圖，實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于顯示當(dāng)前日期、時(shí)間，12864液晶顯示電能質(zhì)量參數(shù)信息，上位機(jī)與DSP TMS320F282335實(shí)現(xiàn)雙向通信[6]。

圖 2　系統(tǒng)框圖

3裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1進(jìn)線控制電路

本裝置通過(guò)在進(jìn)線入口處安置一個(gè)繼電器，并且通過(guò)上位機(jī)發(fā)送啟停信號(hào)來(lái)遠(yuǎn)程控制家用供電的啟停。該電路設(shè)計(jì)是通過(guò)上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)命令信號(hào)，下位機(jī)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖給與之相連的TLP250控制輸入端，來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器斷開(kāi)進(jìn)線(圖3)。

圖 3　入口控制電路

3.2電路參數(shù)設(shè)計(jì)

測(cè)量電壓時(shí)，為使電壓霍爾型傳感器達(dá)到最佳測(cè)量精度，應(yīng)在回路中串入一個(gè)輸入電阻Ri，該電阻阻值的選擇應(yīng)遵循一個(gè)規(guī)則，即使得回路電流盡量接近10 mA。因?yàn)榛魻栞敵鰹殡娏餍盘?hào)，而AD采樣只能采電壓信號(hào)，所以必須在輸出串入一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)的大小取決于輸出電阻的阻值。輸出電壓與輸入電壓關(guān)系

測(cè)量電流時(shí)，電流型霍爾傳感器的輸入端連線的不同方式對(duì)應(yīng)于電流測(cè)量的不同范圍，本電路選用的是額定電流為8A的接線方式。同電壓型霍爾一樣，電流型霍爾也需外串電阻來(lái)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以進(jìn)行AD采樣。輸出電壓與輸入電流的關(guān)系V0=Ii×0.003×RM。

3.3發(fā)電端信號(hào)采集電路

為了得到準(zhǔn)確的基波電壓和基波電流的相位差，采用兩個(gè)使用方便、測(cè)量精度高的高速AD轉(zhuǎn)換芯片MAX197對(duì)電壓電流同時(shí)采樣[7]，同時(shí)進(jìn)行FFT分析，圖4為信號(hào)采集電路總圖。

圖 4　信號(hào)采集電路總圖

裝置采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，以滿足系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性。同時(shí)，本芯片采用雙電源供電，可以在系統(tǒng)斷電的情況下使用備用電池給芯片供電，從而保證了裝置時(shí)間的準(zhǔn)確性，而且芯片功耗小，電池的使用時(shí)間長(zhǎng)。

3.4SD卡模塊

裝置以SD卡記錄系統(tǒng)工作日志，結(jié)合時(shí)鐘芯片DS1302，以實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間給文件命名，為SD卡移植了FAT16文件系統(tǒng)，從而方便用戶查找某一時(shí)間的歷史記錄。FAT16文件系統(tǒng)把存儲(chǔ)卡劃分為幾個(gè)區(qū)，包括DBR扇區(qū)、保留扇區(qū)、FAT表1、FAT表2、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)，保留扇區(qū)包含MBR扇區(qū)，這里把DBR標(biāo)注出來(lái)是為了強(qiáng)調(diào)它的重要性。

3.5網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)裝置的交互功能，本裝置使用了DSP TMS320F282335支持的增強(qiáng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)模塊來(lái)作為網(wǎng)卡接入的接口，根據(jù)官方提供的驅(qū)動(dòng)，使用了(eCAN)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.6VGA顯示

本裝置采用的顯示標(biāo)準(zhǔn)是640×480、60 Hz，VGA控制模塊的時(shí)鐘頻率為25 MHz，在控制顯示部分主要設(shè)為：同步模塊、VGA控制顯示模塊、PLL模塊、鍵盤(pán)模塊，數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換模塊。同步控制模塊控制顯示標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)為640×480，同時(shí)還向VGA控制模塊提供坐標(biāo)。VGA控制模塊是設(shè)計(jì)的核心，控制屏幕的色彩。鍵盤(pán)模塊控制波形的采樣頻率和控制電壓電流的顯示，數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換模塊將選擇電流數(shù)據(jù)或者電壓數(shù)據(jù)， 輸入到VGA控制模塊。

4電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的模擬裝置，用本文設(shè)計(jì)出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.1參數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1顯示值為本文設(shè)計(jì)的裝置測(cè)量(圖5)結(jié)果，實(shí)際值為用示波器、萬(wàn)用表等儀器的測(cè)量結(jié)果。

表1　參數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖 5　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電能參數(shù)

4.2波形圖對(duì)比結(jié)果

示波器觀察結(jié)果：圖6顯示的是電能電壓波形，圖7為電壓頻譜，圖8是負(fù)載電流波形，圖9所示為電流頻譜，圖10是電能電壓、負(fù)載電流的VGA顯示。

圖 6　電能電壓波形圖

圖 7　電能電壓頻譜圖

圖 8　負(fù)載電流波形圖

圖 9　負(fù)載電流頻譜圖

圖10　電能電壓、負(fù)載電流的VGA顯示

液晶屏顯示的有效值、功率等顯示值與實(shí)際測(cè)量值相比較，大部分參數(shù)接近實(shí)際值。但無(wú)功功率相差較多，可能是由于硬件電路部分不夠穩(wěn)定所致，有待后續(xù)改善。通過(guò)示波器對(duì)電能電壓和負(fù)載電流的波形和頻譜實(shí)際測(cè)量值的比較，可以看出用VGA顯示的圖像信息，能夠比較準(zhǔn)確地反映電能的動(dòng)態(tài)特性，比較準(zhǔn)確地觀察到電能質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)的趨勢(shì)。

5結(jié)束語(yǔ)

本裝置采用了DSP TMS320F282335處理器，能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)單相戶用型太陽(yáng)能發(fā)電的電能質(zhì)量基本參數(shù)的監(jiān)測(cè)，能達(dá)到較高的精度，并且能實(shí)時(shí)的用VGA顯示用戶端電壓和電流波形及其頻譜圖，同時(shí)也可以將監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的可視化監(jiān)測(cè)。但受采樣速率限制，F(xiàn)FT分析分辨率還不夠高。

目前，在我國(guó)大力發(fā)展清潔能源的趨勢(shì)下，在居民用戶端安裝分布式太陽(yáng)能發(fā)電裝置必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電，電能質(zhì)量怎么樣，能不能達(dá)到并網(wǎng)要求，不僅是用戶，更是電網(wǎng)公司需要第一時(shí)間得到的信息。未來(lái)的工作可以以此展開(kāi)，對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)裝置與電網(wǎng)公司間的通信以及互動(dòng)進(jìn)行更深入的研究。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Design of Distributed PV Grid-connected System Power Quality Monitoring Device

CHENG Jie1XI Ziqiang1WANG Fangwei2

(1HubeiCollaborativeInnovationCenterforHighefficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2QujingBureauEHVTransmissionCompaniesChinaSouthernGridCorp,Qujing655000,China)

Abstract：This paper presents a single-phase household type of distributed PV grid-connected system of power quality monitoring device. The device has the function to monitor the quality of grid electricity before grid connection, which can monitor power quality parameters, analyse data, and transmit the real-time monitoring results to the client. The electricity parameter calculation , the device hardware structure and functions are also described. Test results show that the designed device can accurately monitor the related parameters of the power quality before grid connection.

Keywords：solar energy; grid connection; power quality; DSP; monitoring

[中圖分類號(hào)]TM933.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0059-04

[作者簡(jiǎn)介]程潔(1989-)， 女，湖北崇陽(yáng)人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樘?yáng)能微電網(wǎng)

[收稿日期]2015-04-25