基于LabVIEW的中國(guó)效率自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李宗原，任高全，郭寅遠(yuǎn)，陳卓，韓聰

（許昌開(kāi)普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南許昌461000）

隨著檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室遇到的問(wèn)題主要包含：測(cè)試成本不斷增加、測(cè)試系統(tǒng)越來(lái)越來(lái)龐雜以及測(cè)試結(jié)束后數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，由此引發(fā)測(cè)試效率低下。因此，如何保證測(cè)試效率以及降低測(cè)試成本成為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的首要問(wèn)題。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CGC/GF 035：2013人工操作測(cè)試時(shí)間約為32 h，處理數(shù)據(jù)時(shí)間及整理測(cè)試報(bào)告時(shí)間約為8 h。測(cè)試時(shí)需人工對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行操作，每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)均需要重復(fù)設(shè)置直流源下發(fā)最大功率點(diǎn)跟蹤曲線(xiàn)（maximum power point tracking，MPPT）、設(shè)置功率分析儀（存儲(chǔ)及導(dǎo)出數(shù)據(jù)）。中國(guó)效率共有靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)80個(gè)，動(dòng)態(tài)測(cè)試點(diǎn)17個(gè)。以上重復(fù)操作次數(shù)為共計(jì)97次，操作十分繁瑣。那么使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備再次開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)從而提高測(cè)試效率，縮減測(cè)試時(shí)間，節(jié)約人力成本勢(shì)在必行。

近年來(lái)，諸多院校和企業(yè)都在使用LabVIEW軟件進(jìn)行教學(xué)或科研研究[1-8]，文獻(xiàn)[1]介紹基于LabVIEW與TestSand開(kāi)發(fā)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠顯著提高測(cè)試效率與測(cè)試質(zhì)量。文獻(xiàn)[2]介紹基于LabVIEW與AVR32的逆變器結(jié)溫采集系統(tǒng)，比傳統(tǒng)方式采集有更高的精度和測(cè)量速度。文獻(xiàn)[3-8]介紹了基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)室以及各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由此證明了Lab?VIEW軟件強(qiáng)大的兼容性和擴(kuò)展性。本文對(duì)基于LabVIEW的中國(guó)效率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[9-10]進(jìn)行了研究，介紹了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成、軟件編程方法以及開(kāi)發(fā)完成后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)的構(gòu)成

眾所周知，儀器設(shè)備功能的先進(jìn)性以及設(shè)備的采樣或輸出精度越高，越能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，因此測(cè)試平臺(tái)選用WT3000功率分析儀。該功率分析儀是一款高精度功率分析儀，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)品研發(fā)工作，主要功能為可對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行電壓、電流、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控采集，其基本精度為讀數(shù)的0.01%，基本功率精度為讀數(shù)的0.02%，交流接線(xiàn)方式可滿(mǎn)足單相、三相三線(xiàn)以及三相四線(xiàn)制光伏逆變器。62000H可程控直流電源供應(yīng)器可模擬不同溫度計(jì)輻照度下的太陽(yáng)能電池陣列模擬I—V曲線(xiàn)，具有I—V曲線(xiàn)自動(dòng)編程功能。61860可回收式電網(wǎng)模擬電源具有高精度、高可靠性，可具備單相或三相輸出，可控制電壓和頻率調(diào)節(jié)，可為光伏逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定且干凈的模擬電網(wǎng)。

測(cè)試系統(tǒng)利用GPIB接口卡將每一個(gè)儀器設(shè)備連接起來(lái)，每個(gè)設(shè)備均有一個(gè)0～30之間的GPIB地址，使計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB-USB接口卡連接到WT3000功率分析儀、62000H可程控直流電源供應(yīng)器以及61860可回收式電網(wǎng)模擬電源，測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 中國(guó)效率自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.1 China efficiency automatic test platform system diagram

2 軟件編程

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件基于Labview開(kāi)發(fā)，采用模塊化的編程思想，有益于平臺(tái)軟件升級(jí)擴(kuò)展。軟件用戶(hù)UI接收用戶(hù)輸入，通過(guò)流程管理模塊控制硬件；流程管理模塊根據(jù)CGC/CF 035：2013，預(yù)設(shè)測(cè)試流程，通過(guò)GPIB接口控制WT3000，61860和62000H輸出功率或采集信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊從流程管理模塊獲取采集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中；測(cè)試流程結(jié)束后，結(jié)果計(jì)算模塊讀取數(shù)據(jù)文件，并計(jì)算結(jié)果；結(jié)果通過(guò)Office COM組件寫(xiě)入Word原始試驗(yàn)記錄中；用戶(hù)UI利用DSOframer.ocx插件，顯示W(wǎng)ord原始記錄文檔。全部測(cè)試結(jié)束后，軟件可根據(jù)原始記錄與報(bào)告的對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)出符合格式要求的報(bào)告文檔。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure

2.2 流程管理

依據(jù)CGC/CF 035：2013，測(cè)試由靜態(tài)MPPT效率測(cè)試、靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試、動(dòng)態(tài)MPPT效率測(cè)試和加權(quán)效率測(cè)試組成。其中，靜態(tài)MPPT效率測(cè)試、靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試流程一致，可同時(shí)測(cè)試；加權(quán)效率測(cè)試結(jié)果可由靜態(tài)MPPT效率測(cè)試和靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果計(jì)算獲得；動(dòng)態(tài)MPPT測(cè)試，測(cè)試17條曲線(xiàn)已經(jīng)提前編程好，內(nèi)置在62000H可程控直流電源供應(yīng)器中，軟件只需給62000H開(kāi)始測(cè)試信號(hào)，并下發(fā)測(cè)試曲線(xiàn)序號(hào)（1～17）。測(cè)試結(jié)束后，從功率分析儀中讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果。因中國(guó)效率評(píng)級(jí)中動(dòng)態(tài)MPPT效率不參與最終結(jié)果計(jì)算，因此流程管理模塊主要體現(xiàn)靜態(tài)MPPT效率測(cè)試和靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試的自動(dòng)流程管理。

依據(jù)CGC/CF 035：2013，靜態(tài)MPPT 效率測(cè)試和靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試測(cè)試條件包括晶硅組件和薄膜組件，每種組件下有5組測(cè)試電壓，每個(gè)測(cè)試電壓下有8組測(cè)試功率點(diǎn)。流程管理模塊負(fù)責(zé)每種測(cè)試條件下的條件設(shè)置及特定時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集。流程管理如圖3所示。

圖3 測(cè)試流程Fig.3 Testing process

2.3 軟件界面

軟件界面用于接收用戶(hù)輸入并向用戶(hù)展示采樣數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

界面共分為3個(gè)區(qū)域：

區(qū)域1：菜單區(qū)域，試驗(yàn)配置可對(duì)被測(cè)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、交直流源設(shè)置、功率分析儀設(shè)置，執(zhí)行視圖可觀(guān)察試驗(yàn)進(jìn)程數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)等，諧波視圖可觀(guān)察0～50次諧波分量。

（1）底泥粘、粉、濕，在理化性質(zhì)方面，底泥與粗顆粒的有機(jī)肥料有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，可改善土壤結(jié)構(gòu)、增加營(yíng)養(yǎng)元素含量。

區(qū)域2：數(shù)據(jù)及執(zhí)行區(qū)域，用來(lái)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試流程。

區(qū)域3：試驗(yàn)總進(jìn)度條，當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)進(jìn)度條會(huì)隨著試驗(yàn)流程緩慢增加，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，進(jìn)度為滿(mǎn)格（100%）。

2.4 計(jì)算過(guò)程

2.4.1 靜態(tài)MPPT效率

根據(jù)CGC/CF 035：2013，自動(dòng)測(cè)試軟件通過(guò)WT3000功率分析儀進(jìn)行采集相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行二次計(jì)算，其中靜態(tài)MPPT效率數(shù)據(jù)依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ηMPPTstat，i為電壓下的靜態(tài) MPPT 效率；UDC為輸入電壓采樣值；IDC為輸入電流采樣值；PMPP，PV為光伏陣列模擬器理論輸出的功率值；ΔT為采樣間隔，標(biāo)準(zhǔn)中推薦為100 ms；n為采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，（n·ΔT）為3 min共1 800組數(shù)據(jù)。

計(jì)算的數(shù)據(jù)自動(dòng)填寫(xiě)至靜態(tài)MPPT效率表格。

2.4.2 轉(zhuǎn)換效率

各功率測(cè)試點(diǎn)下功率分析儀所采集的相關(guān)轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ηcon，i為電壓下的轉(zhuǎn)換效率；UAC為輸出電壓采樣值；IAC為輸出電流采樣值。

計(jì)算的數(shù)據(jù)自動(dòng)填寫(xiě)至靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率表格。

2.4.3 平均加權(quán)總效率

按照中國(guó)典型太陽(yáng)能資源區(qū)的效率權(quán)重系數(shù)，計(jì)算出不同輸入電壓下的加權(quán)總效率如下式所示：

對(duì)不同電壓下的加權(quán)總效率求平均之后得出逆變器平均加權(quán)總效率為

式中：N為測(cè)試序列數(shù)。

權(quán)重系數(shù)aCGC-i如表1所示。

表1 中國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)光伏并網(wǎng)逆變器加權(quán)效率的權(quán)重系數(shù)表Tab.1 Table of weighting coefficients for weighted efficiency of photovoltaic grid-connected inverters in China's solar energy resource areas

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計(jì)算后，自動(dòng)填寫(xiě)至平均加權(quán)效率表格。

2.4.4 動(dòng)態(tài)MPPT效率

動(dòng)態(tài)MPPT效率所采集的數(shù)據(jù)依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ηMPPTdyn，i為第i序列的動(dòng)態(tài)MPPT效率；PMPP，PVS，j為6200H程控直流電源供應(yīng)器的MPP功率；ΔTj為理論計(jì)算值的周期。

動(dòng)態(tài)MPPT效率的整體評(píng)估如下式：

式中：ηMPPTdyn為平均動(dòng)態(tài)MPPT效率。

計(jì)算出結(jié)果后自動(dòng)填寫(xiě)至動(dòng)態(tài)MPPT效率表格。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證其功能現(xiàn)對(duì)某光伏逆變器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)參數(shù)為單相AC 220 V，功率為6 kW，MPPT范圍為DC 280～480 V。為保證采集數(shù)據(jù)過(guò)程中光伏逆變器輸出功率保持穩(wěn)定，設(shè)定等待光伏逆變器達(dá)到指定功率點(diǎn)時(shí)間為60 s，采集時(shí)間為180 s，采集間隔100 ms。設(shè)置功率分析儀接線(xiàn)方式為1P2W-1P2W，設(shè)置CT變比為1 500∶1。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試圖如圖5所示。

圖5中各設(shè)備如下：序號(hào)1為61860交流模擬電網(wǎng)電源；序號(hào)2為62000H可程控直流電壓供應(yīng)器；序號(hào)3為光伏逆變器；序號(hào)4為CT傳感器箱；序號(hào)5為WT3000功率分析儀；序號(hào)6為計(jì)算機(jī)（自動(dòng)測(cè)試軟件）。

圖5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試Fig.5 Experimental verification test

測(cè)試流程執(zhí)行完畢，將自動(dòng)生成中國(guó)效率測(cè)試報(bào)告，共生成測(cè)試報(bào)告11頁(yè)，包括薄膜組件和晶硅組件全部靜態(tài)MPPT效率、轉(zhuǎn)換效率以及晶硅組件下的動(dòng)態(tài)MPPT效率。生成數(shù)據(jù)自動(dòng)描繪曲線(xiàn)圖，因測(cè)試報(bào)告頁(yè)數(shù)過(guò)多僅展示最終測(cè)試加權(quán)效率，如表2、圖6、圖7所示。

表2 平均加權(quán)總效率表格Tab.2 Average weighted total efficiency table

圖6 薄膜加權(quán)效率曲線(xiàn)Fig.6 Thin film weighted efficiency curve

圖7 晶硅加權(quán)效率曲線(xiàn)Fig.7 Crystalline silicon weighted efficiency curve

4 結(jié)論

本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CGC/CF 035：2013光伏逆變器中國(guó)效率技術(shù)條件而設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不僅具有實(shí)用性而且易于操作和維護(hù)，能夠滿(mǎn)足單相以及三相光伏并網(wǎng)逆變器的測(cè)試，且能夠最大化地保證測(cè)試精度及測(cè)試穩(wěn)定性。能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)測(cè)試及快速生成測(cè)試報(bào)告，平均中國(guó)效率測(cè)試試驗(yàn)周期縮短至20 h以?xún)?nèi)，大大提高了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試效率和自動(dòng)化管理水平。