光伏組件積塵清洗測(cè)試儀設(shè)計(jì)

陳固勝

（中船重工海為（新疆）新能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

光伏電站建成后，其發(fā)電量基本取決于光照、溫度和光伏組件（Photovoltaic，PV）表面污染程度。光伏組件表面污染主要是灰塵造成的[1]。在光伏組件表面積塵清潔時(shí)，無論采用人工方式還是機(jī)械方式，都會(huì)產(chǎn)生一定的清洗費(fèi)用。如果清洗頻率過高，清洗費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清洗后多發(fā)電所帶來的收益；如果清洗頻率過低，光伏組件表面積塵，影響光伏組件的發(fā)電效率，最終影響光伏電站的總體收益[2]。目前，光伏電站清洗頻率主要依靠光伏電站運(yùn)維人員的主觀判斷，并沒有數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的支撐。

在大型地面光伏電站內(nèi)，選取兩塊與光伏電站同規(guī)格型號(hào)的光伏組件，其中一塊組件每天清洗，另一塊組件與光伏電站其他組件同步清洗，光伏組件積塵清洗測(cè)試儀采用霍爾元件精確測(cè)量?jī)蓧K光伏組件輸出的實(shí)時(shí)電壓、電流，通過對(duì)組件實(shí)時(shí)功率差、一定時(shí)限內(nèi)總電量差、并網(wǎng)電價(jià)、光伏電站規(guī)模和清洗費(fèi)用等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，規(guī)劃合理的清洗頻率，從而實(shí)現(xiàn)光伏電站收益最大化[3]。

2 總體方案

光伏組件積塵清洗測(cè)試儀主要包括兩塊光伏組件、主回路、主控電路、顯控系統(tǒng)等4 個(gè)部分，其中主控電路包括模擬/數(shù)字（A/D）采樣、數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）主控器件、增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制（Enhanced Pulse Width Modulation，EPWM）模塊、通信單元。光伏組件積塵清洗測(cè)試儀總體方案見圖1。光伏組件積塵清洗測(cè)試儀通過霍爾元件實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蓧K光伏組件的輸出電壓、電流，并通過A/D 采樣送至DSP 處理。DSP主控器件實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）以及各種保護(hù)功能，并將實(shí)時(shí)直流電壓/電流、光伏組件積塵清洗測(cè)試儀內(nèi)部溫度、實(shí)時(shí)功率、總發(fā)電量等值送至顯控裝置。顯控裝置通過與光伏電站規(guī)模及清洗費(fèi)用的對(duì)比，給出光伏電站是否需要清洗的建議，確保光伏電站收益最大化。

圖1 光伏組件積塵清洗測(cè)試儀總體方案圖

3 主回路器件選型

光伏組件積塵清洗測(cè)試儀可以分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種模式，其中光伏組件、控制回路及顯控裝置等在兩種模式下基本相同，并網(wǎng)型和離網(wǎng)型的本質(zhì)區(qū)別在于主回路和控制算法，而控制算法很大程度上取決于主回路。本文選型計(jì)算以離網(wǎng)型為主，同時(shí)兼顧并網(wǎng)型的升級(jí)需要。光伏組件采用市場(chǎng)主流組件，功率范圍為0～300 W，最大直流側(cè)電壓為50 V，最大短路電流為10 A。為了提高系統(tǒng)的可信度，兩塊光伏組件在使用前應(yīng)該進(jìn)行初步篩選，盡量選擇參數(shù)一致性較好的組件。

3.1 光伏組件輸出電壓/電流采樣器件選型

主回路的電壓/ 電流對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，因此電壓/電流采樣精度要求比較高，為了減小測(cè)量誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，光伏組件積塵清洗測(cè)試儀采用LV25-P 型霍爾電壓傳感器和TBC30SY 型霍爾電流傳感器。其中LV25-P 測(cè)量范圍為10～1 500 V，測(cè)量精度為0.8%；TBC30SY 測(cè)量范圍為0～30 A，測(cè)量精度為0.5%。

3.2 光伏組件輸出濾波電容選型

光伏組件輸出濾波電路主要由濾波電容組成，用來減小輸入端電壓的脈動(dòng)，假設(shè)變換器傳輸最大功率為Pmax，由輸入輸出功率相等可以得到一個(gè)周期內(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為

式中：η 為逆變電路的效率；f 為全控器件的工作頻率。將Pmax=3 W，η=0.90，f=20 kHz 代入式（1）可得Win=0.016 7 J，每半個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為

式中：Vinmin為最小的輸入直流電壓；ΔVinmin一般取3%Vinmin。在本設(shè)計(jì)中Vinmin=20 V，代入式（2）可得C=3 132 μF，選用2 200 μF、63V 的濾波電容。為了保證光伏組件工作的連續(xù)性以及濾波效果，光伏組件積塵清洗測(cè)試儀主回路中采用2 組2 200 μF、63V 的濾波電容并聯(lián)使用。為增強(qiáng)濾波效果，光伏組件積塵清洗測(cè)試儀主回路中又并聯(lián)了1 個(gè)0.1 μF 的小電容。

3.3 開關(guān)管選型

開關(guān)管需要能夠承受光伏組件的最大直流電壓50 V，通過的電流滿足

電流I 的峰值電流為

由于光伏電站的場(chǎng)站分布廣泛，為提高光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的適應(yīng)性，開關(guān)管選型要綜合考慮使用環(huán)境、海拔等因素。在高海拔、高溫環(huán)境中，影響器件散熱，半導(dǎo)體器件應(yīng)降額使用。本文充分考慮電壓、電流的工作余量，開關(guān)管選型為IRFS52N15D，該器件使用溫度范圍為-40～+60 ℃，可承受150 V 電壓和60 A 電流，滿足使用要求。

3.4 負(fù)載電阻選型及MPPT 實(shí)現(xiàn)原理

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）實(shí)際上是一個(gè)電路動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配的過程，本文的實(shí)現(xiàn)方法是在光伏組件與負(fù)載之間接一個(gè)直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)外界條件變化引起最大功率點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，只要調(diào)節(jié)DC/DC 變換電路（BUCK 電路）的開關(guān)占空比，使外電路等效電阻始終等于光伏組件的內(nèi)電阻，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配，就可以得到光伏組件的最大功率輸出。雖然光伏組件和DC/DC 變換電路特性都是非線性的，但是在極短的時(shí)間內(nèi)，可以按照線性處理。

在BUCK 電路中，輸入電壓Ui和輸出穩(wěn)定電壓Uo之間的關(guān)系為

式中：D 為占空比。顯然，調(diào)整D 可以改變輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的關(guān)系。BUCK 電路的輸入電壓即為光伏組件的輸出電壓，設(shè)輸出穩(wěn)定電壓Uo加在純電阻負(fù)載兩端，從光伏組件端口看進(jìn)去，虛線后的BUCK 電路和負(fù)載可視為一個(gè)等效電阻Req，且它在數(shù)值上等于Ui和Ii的比值。若以理想情況考慮，忽略中間環(huán)節(jié)的能量損耗，設(shè)光電輸出100%轉(zhuǎn)換為負(fù)載消耗，則由功率平衡可得

而純電阻負(fù)載消耗的功率可表示為Po=UoIo=可得

稍作變形，即可得

由此可見，改變D就可改變電路輸入端的等效電阻值，相當(dāng)于改變了負(fù)載特性曲線的斜率，于是負(fù)載曲線與光伏組件I-U 曲線的交點(diǎn)也隨著改變，而此交點(diǎn)正是光伏組件的工作點(diǎn)。因此，通過調(diào)節(jié)D，就可在限定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光伏組件的輸出電壓，使其有最大功率輸出。由于R=Uo2/P，離網(wǎng)時(shí)輸出電壓Uo=20 V，光伏組件的最大功率為300 W，因此

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電阻應(yīng)選擇符合要求且型號(hào)正確的最小值，選用1 Ω、300 W的電阻。

3.5 BUCK 電路的電感/電容計(jì)算

BUCK 電路中電流波形尖鋒毛刺很大，有可能影響功率計(jì)量的精度，電感L 主要用來蓄能、平滑電流曲線，濾波電容C 可輔助電感LC，續(xù)流二極管在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)提供回路。由于輸出電壓為20 V，輸入電壓為22～50 V，因此占空比D 的取值范圍是電感取值不能太小，以防止電路工作在電感電流斷續(xù)狀態(tài)。電感LC取決于電阻R、開關(guān)頻率f 及占空比D，將R、f、D 代入公式

可得LC=(1－D)=0.015 mH。只要電感大于此值，即可保證電感電流的連續(xù)。由于本文的光伏組件積塵清洗測(cè)試儀為離網(wǎng)型設(shè)備，能量均由電阻消耗掉，為了兼容后續(xù)升級(jí)為并網(wǎng)型設(shè)備，同時(shí)計(jì)算并網(wǎng)模式下的濾波電感為10 mH，完全可以滿足離網(wǎng)需求，因此本文中電感取10 mH。濾波電容C=其中ΔUo為紋波電壓，取電壓Uo的2%。計(jì)算可得C=0.7 μF，取C=1 μF 完全可以滿足需要。

4 控制回路設(shè)計(jì)

控制回路主要完成主回路控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)、通信等功能，包括最大功率跟蹤控制、故障保護(hù)、顯示控制及與上位機(jī)的通信功能等。

4.1 控制回路電源設(shè)計(jì)

電源模塊的功能是為控制板上各元器件供電，同時(shí)也擔(dān)負(fù)部分主回路上檢測(cè)元器件的供電，如主回路霍爾電流傳感器TBC30SY/SYW 和溫度傳感器AD592 的±15 V。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性，排除干擾，控制回路電源采用220 V 交流輸入。經(jīng)過交流/直流（AC/DC）變換，電源模塊將220 V 交流電變換為+24 V 直流電，+24 V 直流電經(jīng)過DC/DC變換為+5 V 直流電，為控制回路中的集成器件如運(yùn)放等提供電源支持，同時(shí)+5 V 直流電又經(jīng)過DC/DC 變換生成+3.3 V 直流電和+1.8 V 直流電為主控芯片DSP 供電，同時(shí)+5 V 直流電還通過DC/DC隔離變換生成±15 V 直流電為主回路傳感器和IR2110 驅(qū)動(dòng)電路供電。

4.2 主控芯片及外圍設(shè)計(jì)

控制電路主要是通過對(duì)采樣信號(hào)的處理完成控制和保護(hù)功能。主控板包括采樣信號(hào)處理單元、主控器件和通信單元。其中采樣信號(hào)處理單元主要是對(duì)霍爾傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行一系列處理，使其能夠直接送入主控器件或者外部A/D 處理。外部A/D 選用AD7938，該器件有8 路12 位高速A/D，可以將采集的各類模擬信號(hào)（如直流側(cè)電壓、電流等），快速轉(zhuǎn)換為DSP 可以處理的數(shù)字信號(hào)，參與控制策略的形成；主控器件選擇DSP TMS320 F28335，DSP 作為控制核心主要完成主電路控制、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)、系統(tǒng)通信等功能，該芯片為浮點(diǎn)型32 位DSP 芯片，可以很方便的使用C/C++等高級(jí)計(jì)算機(jī)語言來編制控制軟件和算法。DSP 綜合MPPT、正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）以及其他功能型控制策略產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，PWM 信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)兩路主回路中的開關(guān)管，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來改變占空比D，實(shí)現(xiàn)MPPT?？刂瓢逯芯哂锌刂破骶钟蚓W(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線通信接口，從而方便與外部設(shè)備之間進(jìn)行通信。

4.3 主控軟件設(shè)計(jì)

光伏組件積塵清洗測(cè)試儀有啟動(dòng)、待機(jī)、運(yùn)行、故障、關(guān)機(jī)5 種工作模式。主控軟件運(yùn)行時(shí)，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化是對(duì)主控軟件中重要的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置；初始化完畢后，主控軟件進(jìn)入定時(shí)中斷，定時(shí)中斷按照數(shù)模轉(zhuǎn)換，故障檢測(cè)過程控制和MPPT 順序執(zhí)行。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行濾波預(yù)處理。故障檢測(cè)模塊根據(jù)采集的狀態(tài)變量判斷光伏組件積塵清洗測(cè)試儀是否處于故障狀態(tài)，如果處于故障或異常狀態(tài)進(jìn)行處理，并將故障代碼發(fā)送至顯控裝置。過程控制模塊決定光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的工作狀態(tài)，控制光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的運(yùn)行狀態(tài)。MPPT 模塊實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，采用全局搜索的方法找到最大功率點(diǎn)出現(xiàn)的區(qū)間，再用干擾觀察法找到具體的最大功率點(diǎn)。離網(wǎng)型光伏組件積塵清洗測(cè)試儀具有短路保護(hù)、過熱保護(hù)、防反放電保護(hù)、過載保護(hù)以及直流過壓保護(hù)等功能。

4.4 顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯控系統(tǒng)是光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的人機(jī)交互子系統(tǒng)。顯控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)顯示光伏組件積塵清洗測(cè)試儀主回路的運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)、向光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的DSP 下發(fā)指令和控制參數(shù)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)交互等功能，并根據(jù)下位機(jī)反饋瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行兩組光伏組件發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，經(jīng)特定算法處理后根據(jù)設(shè)定條件為光伏電站清洗提供最佳的清洗方案建議。顯控系統(tǒng)采用EVIEW 系列MT5323T 型號(hào)觸摸屏。顯控系統(tǒng)人機(jī)界面（Human-Machine Interface，HMI）通過CAN 總線通信與光伏組件積塵清洗測(cè)試儀主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，顯控系統(tǒng)下發(fā)指令參數(shù)對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)主控系統(tǒng)將運(yùn)行狀態(tài)反饋給HMI 進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)的中斷式功率累計(jì)算法，能夠有效準(zhǔn)確地計(jì)算光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的功率統(tǒng)計(jì)、天發(fā)電量、月發(fā)電量和總發(fā)電量統(tǒng)計(jì)；結(jié)合光伏電站容量、并網(wǎng)電價(jià)等光伏電站消息，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)為光伏電站清洗提供最佳的清洗方案建議；在最優(yōu)化方案算法中，預(yù)留了電場(chǎng)發(fā)電量與光伏組件積塵清洗測(cè)試儀發(fā)電量的擬合算法接口，能夠有效彌補(bǔ)光伏電站具體發(fā)電量與光伏組件積塵清洗測(cè)試儀中電場(chǎng)理論發(fā)電量之間的偏差，以達(dá)到清洗建議較高的可信度。設(shè)計(jì)了上位機(jī)、下位機(jī)特有的握手策略，使光伏組件積塵清洗測(cè)試儀支持在線零點(diǎn)校正、系數(shù)更改、離/并網(wǎng)狀態(tài)設(shè)置等功能，解決了光伏組件積塵清洗測(cè)試儀在調(diào)試過程中反復(fù)的在線、燒寫程序的繁瑣過程，大大優(yōu)化了光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的調(diào)試步驟，提高了光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的生產(chǎn)調(diào)試效率。

4.5 其他設(shè)計(jì)

由于光伏組件輸出電壓值為開關(guān)機(jī)控制的條件之一，因此當(dāng)光伏組件可輸出功率較低、主控回路檢測(cè)到組件虛電壓達(dá)到開機(jī)運(yùn)行條件時(shí)，設(shè)備容易出現(xiàn)頻繁重啟現(xiàn)象。為解決該問題，首先在主回路中添加小功率消耗電阻通路，當(dāng)光伏組件的功率較小時(shí)，關(guān)斷主回路的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)消耗電阻回路中的開關(guān)管，使光伏組件保持連續(xù)的工作狀態(tài)，降低組件的虛電壓，避免重啟；其次優(yōu)化開機(jī)控制算法，只有當(dāng)電壓為增加方向且連續(xù)多次記錄值均大于某一門限值，設(shè)備才會(huì)自動(dòng)喚醒。光伏組件積塵清洗測(cè)試儀從硬件和軟件上同時(shí)開展的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了由于光伏組件虛電壓跳變引起的頻繁開關(guān)機(jī)問題。

5 箱體和安裝設(shè)計(jì)

光伏組件積塵清洗測(cè)試儀的控制箱尺寸為850 mm×540 mm×253 mm，控制箱是由箱體、主控板、開關(guān)電源、電阻器和顯示屏組成，防護(hù)等級(jí)為IP65，為戶外使用型，安裝效果見圖2。

圖2 光伏組件積塵清洗測(cè)試儀安裝效果圖

控制箱的進(jìn)出線方式采用了下進(jìn)下出的結(jié)構(gòu)形式，分別為電池板、電阻器、電源及通信留有進(jìn)線端和出線端，同時(shí)設(shè)置了2 個(gè)預(yù)留進(jìn)出線端口，進(jìn)線端和出線端均采用了尼龍防水接頭，以滿足戶外使用要求。由于設(shè)備運(yùn)行過程中，電阻發(fā)熱，而箱體上不能開散熱孔，因此選用戶外型電阻，并將電阻安裝在箱體外部，利用自然散熱方式將電阻發(fā)出的熱排出，同時(shí)避免了電阻發(fā)熱對(duì)主控板的不利影響。在控制箱正面設(shè)置有顯示屏，以便觀察設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。控制箱的安裝方式為壁掛式，在箱體背部設(shè)置有4 個(gè)安裝腳，每個(gè)安裝腳上開有長(zhǎng)腰孔，采用M8 螺栓固定。光伏支架采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括底座和托架，采用銷軸將兩部分連接在一起，并通過螺紋連接方式，將托架和地面間的夾角鎖定為33°。托架上可安裝兩塊同型號(hào)電池板，電池板與托架通過螺栓連接在一起。底座上安裝有兩個(gè)平行槽鋼，用來固定控制箱，底座底板上開有4 個(gè)直徑為18 mm 的通孔，采用M14 或M16 螺栓將底座與底面固定。

6 結(jié)束語

光伏電站清洗頻率主要依靠光伏電站運(yùn)維人員的主觀判斷，沒有數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的支撐。光伏組件積塵清洗測(cè)試儀通過對(duì)比清潔組件和未清潔組件的實(shí)時(shí)功率差、一定時(shí)間內(nèi)的總電量差、光伏電站規(guī)模、清洗費(fèi)用等參數(shù)，給出了合理的清洗建議，提高了光伏電站組件清洗的經(jīng)濟(jì)效益，使光伏電站收益最大化。