多通道光伏匯流箱在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

陳鳴+麥倩屏

摘 要： 光伏匯流箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備，對(duì)光伏匯流箱監(jiān)測(cè)可以提高光伏電站運(yùn)維水平。該文采用遞推最小二乘法來(lái)測(cè)量光伏陣列電流，減小了隨機(jī)測(cè)量誤差的干擾，使測(cè)量值更加接近真值，提高了測(cè)量精度，并利用 LabVIEW對(duì)光伏匯流箱設(shè)計(jì)一個(gè)多通道在線光伏陣列電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)監(jiān)控界面能同時(shí)實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存、故障警示等，可有效地觀測(cè)出每一路組件的工作情況。

關(guān)鍵詞： 光伏匯流箱； 多通道電流巡檢； 遞推最小二乘法； 匯流支路故障定位

中圖分類號(hào)： TN948.64?34； TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0172?04

Abstract： The photovoltaic （PV） combiner box is an essential device of photovoltaic power generation system， and monitoring for it can improve the operation and maintenance level of PV power plant. The recursive least square （RLSE） method is used to measure the current of PV array， which can reduce the interference of random measurement error， make the measured value closer to the true value， and improve the measurement accuracy. The LabVIEW is used to design a multi?channel online PV array current data acquisition system for PV combiner box. The experimental results demonstrate that the monitoring interface of the system can realize the real?time display， data storage and fault alarm for 8?channel current data simultaneously， and the system can observe the working condition of the components of each channel.

Keywords： photovoltaic combiner box； multi?channel current inspection； recursive least square method； fault location of combining branch

0 引 言

在傳統(tǒng)化石能源不斷減少的今天，同時(shí)人們認(rèn)識(shí)到火力發(fā)電排放大量的污染物對(duì)環(huán)境造成了十分嚴(yán)重的危害，為了降低污染物的排放，采用新能源發(fā)電是減小污染物排放的一個(gè)重要途徑。 而光伏發(fā)電[1]作為一種高度清潔的能源技術(shù)，幾乎不產(chǎn)生污染物，越來(lái)越得到大家的重視。隨著光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大，由于太陽(yáng)電池的串并聯(lián)特性[2]，使光伏匯流箱的應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用。特別是大型屋頂光伏電站，由于云層、飛鳥(niǎo)、塵土遮擋等引起光伏組件熱斑效應(yīng)以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使導(dǎo)線的絕緣受到破壞，引起匯流支路的故障，進(jìn)而造成光伏發(fā)電站的發(fā)電量降低，所以對(duì)光伏匯流箱的監(jiān)控就變得尤為重要。文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析該匯流箱組串電流離散率，定位電流偏低和電流值的異常組串，但不能做到在線實(shí)時(shí)判斷異常組串。文獻(xiàn)[4]通過(guò)單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)故障光伏組串的投入和切除，可是沒(méi)有實(shí)時(shí)保存運(yùn)行數(shù)據(jù)。本文在研究光伏匯流箱[5?7]的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種多通道光伏匯流箱在線監(jiān)控系統(tǒng)，采用遞推最小二乘法算法來(lái)測(cè)量光伏陣列電流，減少測(cè)量誤差，使測(cè)量值更加接近真值，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于LabVIEW的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每路引到匯流箱的匯流支路電流和電壓，由于光伏組件的反向并聯(lián)二極管和匯流支路中的二極管的鉗位作用[8]，各匯流支路匯流后的電壓是相同的，即所有陣列電壓是相同的，同時(shí)在線處理大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，判斷和定位故障光伏組串。

1.2 利用Matlab的仿真計(jì)算

利用Matlab語(yǔ)言強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因?yàn)槭欠抡嬖诰€測(cè)量，所以利用三角波模擬測(cè)量信號(hào)，同時(shí)根據(jù)所需辨識(shí)的參數(shù)只有一個(gè)參量，取測(cè)量矩陣的維數(shù)為1×1。圖1是參數(shù)辨識(shí)的結(jié)果，圖2是參數(shù)辨識(shí)誤差。

圖1中實(shí)線是在線輸入的測(cè)量值，虛線是參數(shù)估計(jì)真值，從圖2中可以看出，隨著量測(cè)次數(shù)的增大，辨識(shí)精度逐步提高，并到達(dá)一個(gè)工程上可以接受的范圍。圖2中的小圖是辨識(shí)精度放大后的情況，可以看出在三角波模擬測(cè)量值的情況下其辨識(shí)精度達(dá)到±0.012。從仿真計(jì)算中看到，遞推最小二乘算法能快速準(zhǔn)確地估計(jì)出需測(cè)量的參數(shù)真值，獲得較好的辨識(shí)結(jié)果，同時(shí)計(jì)算量沒(méi)有大幅增加，說(shuō)明這種辨識(shí)方法更適用于計(jì)算機(jī)在線辨識(shí)。

2 光伏匯流箱在線監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 電流巡檢電路

根據(jù)流入?yún)R流箱的電流是直流電流的特點(diǎn)，電流巡檢電路采用直流分流器來(lái)采集電流信號(hào)，直流分流器實(shí)際就是一個(gè)阻值很小的電阻，當(dāng)有直流電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生壓降，測(cè)量電壓正比于被測(cè)電流，具有良好的準(zhǔn)確度、線性度和穩(wěn)定性。一般直流分流器的滿負(fù)荷電壓是75 mV，其滿量程是15 A分流器的電阻值為0.075 =0.005 Ω，最大功率損失是1.125 W。由于電流信號(hào)是通過(guò)分流器得到的，其數(shù)值是小于1 V的，為低電平信號(hào)，為了抑制接地回路感應(yīng)誤差，同時(shí)在一定程度上抑制拾取環(huán)境噪聲，采用差分測(cè)試系統(tǒng)。圖3所示是一個(gè)8通道差分測(cè)試調(diào)理電路，通過(guò)三個(gè)地址端A2，A1，A0控制8選1模擬開(kāi)關(guān)CD4051，可以確定工作通道。使用運(yùn)算放大電路可以減小模擬開(kāi)關(guān)的誤差。

當(dāng)改變電阻的比值，可以改變式（9）中的量測(cè)比值，同時(shí)符合電流分流器的要求，使測(cè)量的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際數(shù)值。差分測(cè)試調(diào)理電路與計(jì)算機(jī)連接采用NI公司的 USB?6009多功能數(shù)據(jù)采集卡，它具有8個(gè)模擬輸入通道和12條數(shù)字I/O線，利用其中3條數(shù)字I/O線可以通過(guò)軟件確定A2，A1，A0的數(shù)值。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用LabVIEW。LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，又稱G語(yǔ)言[12]，其包含大量用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)的工具和函數(shù)。根據(jù)遞推最小二乘算法的公式，每一次新的量測(cè)真值的估計(jì)值計(jì)算，是利用新的采集數(shù)據(jù)對(duì)前一次的估計(jì)值進(jìn)行修正，這樣需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多個(gè)公式組成，在軟件實(shí)現(xiàn)上使用LabVIEW提供的公式節(jié)點(diǎn)，圖4是利用公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遞推最小二乘算法的程序框圖。因?yàn)樵诰€測(cè)量8路光伏陣列電流，系統(tǒng)設(shè)計(jì)前面板上放置8個(gè)波形圖控件和報(bào)警控件，分別實(shí)時(shí)顯示8路光伏組件電流量測(cè)真值的估計(jì)值變化和報(bào)警提示。由于檢測(cè)系統(tǒng)是采用多路復(fù)用的調(diào)理電路，同時(shí)確定每路的電流采樣頻率是1 次/s，對(duì)8路通道測(cè)量，需每隔125 ms轉(zhuǎn)換一路，可以用LabVIEW的定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，每125 ms產(chǎn)生一個(gè)順序改變測(cè)量通道信號(hào)。通過(guò) USB?6009多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O線控制調(diào)理電路的采集通道，同時(shí)通道信號(hào)連接對(duì)應(yīng)的通道程序框圖，每個(gè)通道的程序框圖中都含有遞推最小二乘算法的公式節(jié)點(diǎn)，用于處理電流的采樣數(shù)值。這樣系統(tǒng)對(duì)每一通道光伏陣列電流的情況，每1 s自動(dòng)保存一個(gè)新數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，1 min保存60個(gè)電流測(cè)量真值估計(jì)值數(shù)據(jù)，并且以當(dāng)日的監(jiān)測(cè)日期作為文件名保存測(cè)試結(jié)果，并在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示，這些電流數(shù)據(jù)為日后故障檢測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了大量有用的信息，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在預(yù)設(shè)的路徑中，極大地提高了工作效率。同時(shí)使用LabVIEW的數(shù)組功能，每分鐘判斷每路電流測(cè)量值的差別，當(dāng)一路光伏陣列電流連續(xù)10 min測(cè)得數(shù)據(jù)小于其他光伏支路的電流，說(shuō)明該條光伏支路有故障，在前面板上給出故障支路編號(hào)信息，進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O線進(jìn)行控制，使出現(xiàn)嚴(yán)重故障的光伏支路脫離匯流箱，其軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖5。

圖6主要反映最近2 min內(nèi)第3支路光伏陣列電流的變化情況。從圖6可以看出，在這段時(shí)間被測(cè)光伏電流變化不是很大，說(shuō)明采用遞推最小二乘算法可以很好地反應(yīng)出被測(cè)量的真值，減小了隨機(jī)測(cè)量誤差的干擾。

3 結(jié) 論

通過(guò)采用遞推最小二乘法使在線測(cè)量的電流更接近真值，并利用 LabVIEW對(duì)光伏匯流箱設(shè)計(jì)一個(gè)多通道在線光伏陣列電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。監(jiān)控界面能同時(shí)實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存、故障警示和匯流支路故障定位等，對(duì)光伏電池組件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效地觀測(cè)出每一路組件的工作情況。若匯流支路出現(xiàn)開(kāi)路、漏電等故障，進(jìn)行匯流支路故障定位，這樣可縮小巡檢組件陣列故障的范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以完成長(zhǎng)時(shí)間采集，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失問(wèn)題，并且可以根據(jù)實(shí)際的需要擴(kuò)充至更多通道的實(shí)時(shí)采樣和分析并附加控制功能。

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