朱海凌

太陽能微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)通信方式分析

朱海凌

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院 廣東 深圳 518055）

通過對微逆變器系統(tǒng)的研究，探索此系統(tǒng)的通信方式，對比了太陽能微逆變器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的2種傳送方式，一種是以電力線傳輸方式，性能穩(wěn)定，效率高成本低易于實現(xiàn)，但需要鋪設(shè)網(wǎng)線；另一種是通過無線方式實現(xiàn)，借助于運營商，通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸，不受地域限制，但這種方式成本高，受天氣周圍環(huán)境影響．

微逆變器; 光伏發(fā)電系統(tǒng); 監(jiān)控；電力線

隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，再生能源和環(huán)保能源越來越受關(guān)注，太陽能發(fā)電已成為全球關(guān)注的熱點．IHS預(yù)測：2013年全球光伏系統(tǒng)裝機(jī)量將達(dá)到35 GW，而2014年的安裝量將增加15%，達(dá)到40 GW左右．中國發(fā)改委2014年規(guī)劃光伏系統(tǒng)裝機(jī)量12 GW目標(biāo)，其中分布式光伏的規(guī)模占8 GW．2014年，日本、拉丁美洲和東南亞等新興市場將進(jìn)一步促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展．在光伏投資方面，IHS預(yù)測2014年全球在光伏設(shè)備和產(chǎn)量上的投資將增長42%[1]．而英國預(yù)計在2030年全部取消燃煤發(fā)電[2]．大規(guī)模的投資有力地推動了技術(shù)進(jìn)步，從而使太陽能光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，而對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的管理就尤為重要．太陽能微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)，即分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是每塊太陽能電池板都連接微逆變器將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，單獨記錄每個微逆變器的發(fā)電量及工作狀況并將此參數(shù)傳送到監(jiān)控器，通過監(jiān)控器實時觀察每塊太陽能板、微逆變器的狀態(tài)．本文對基于電力線傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞竭M(jìn)行了闡述．

1 太陽能微逆變器系統(tǒng)的特點

太陽能微逆變器是小功率逆變器，它直接接至每一塊太陽能電池組件將其輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電．微逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于各組件之間相互獨立，它可以減少因不匹配造成的功率損失，使光伏系統(tǒng)設(shè)計更加簡單和靈活，而且沒有高壓部分也不需要使用直流設(shè)備，可以降低成本和提高安全性．此系統(tǒng)采用的是分布式并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大的特點是功率相對較小，利用存在于用戶附近的各種能源像就近發(fā)電并網(wǎng)，可以有效利用當(dāng)?shù)刭Y源．系統(tǒng)的優(yōu)化和監(jiān)控都達(dá)到了組件級，從而在整體上給系統(tǒng)提供了更優(yōu)的性能．同時，這也增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展．

2 太陽能微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)通信方式

太陽能微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)可以概括為：逆變系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示．逆變系統(tǒng)就是從太陽能發(fā)電板上采集到的直流電通過微逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電，完成D/A轉(zhuǎn)換；其次是信息采集系統(tǒng)，根據(jù)每個逆變器采集到逆變回來電壓電流信號的強(qiáng)度計算出功率和發(fā)電量，將其數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并按照一定的通信協(xié)議用字節(jié)表述；傳輸系統(tǒng)就是將采集到的數(shù)字信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端；監(jiān)控系統(tǒng)則是將傳輸來的每個逆變器的信息通過軟硬件解析出來用顯示器展示，從而可以監(jiān)控到每個微逆變器的狀態(tài)及發(fā)電量．信息采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)每一部分都有多種軟硬件方案，在此討論其傳輸系統(tǒng)的2種通信方式：電力線傳輸通信和無線傳輸通信．

圖1 微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.1 電力線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?/p>

電力線傳輸就是利用電網(wǎng)進(jìn)行電力線載波通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸．這種通信方式無需重新布線，具有實用、方便、成本低等優(yōu)點[3]．圖2是基于電力線傳輸?shù)奈⒛孀兤鞅O(jiān)控系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)從太陽能發(fā)電板上采集到的直流電通過微逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電，完成D/A轉(zhuǎn)換，在市電網(wǎng)中并網(wǎng)傳輸．信息采集系統(tǒng)根據(jù)每個逆變器采集到逆變回來電壓電流信號的強(qiáng)度計算出功率和發(fā)電量，將其數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并按照一定的通信協(xié)議用字節(jié)表述．?dāng)?shù)據(jù)信息包括采集時間、逆變器信息、電壓、電流、功率、發(fā)電量、溫度、濕度等．傳輸系統(tǒng)就是將采集到的數(shù)字信息通過正交調(diào)制的方式在電力線中傳輸；監(jiān)控系統(tǒng)則是將電力線傳輸來的每個逆變器的信息通過軟硬件解析出來用顯示器展示，從而可以監(jiān)控到每個微逆變器的狀態(tài)及發(fā)電量．可以在監(jiān)控系統(tǒng)接收端引入媒體網(wǎng)關(guān)將媒體網(wǎng)關(guān)接入傳輸系統(tǒng)并接入公共網(wǎng)，從而使每個具有授權(quán)的用戶都可以都通過網(wǎng)絡(luò)觀測到微逆變器的狀態(tài)，這就是電力線傳輸通信系統(tǒng)．

在此信息采集系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)的方式有多種，本方案采用Mi200E芯片完成，這是一款專門針對低壓電力線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的高集成度高性能的電力線載波通信芯片，外圍電路簡單．當(dāng)然也可以通過單片機(jī)或DSP完成，這種通信方式適合遠(yuǎn)距離傳輸信號．每塊太陽能板位置ID，發(fā)端傳輸數(shù)據(jù)通過協(xié)議發(fā)送接收點可以知曉每個ID的狀態(tài)；通過媒體網(wǎng)關(guān)，將采集到的信號通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸，遠(yuǎn)程將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器上，通過網(wǎng)絡(luò)終端實時觀察到每個逆變器的狀態(tài)，如圖3所示．其優(yōu)點是遠(yuǎn)程監(jiān)控性能穩(wěn)定，只要有電網(wǎng)就可以傳送信號．缺點是對大量太陽能板監(jiān)控必須要利用媒體網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器，如圖4所示，這種監(jiān)控要有公共網(wǎng)絡(luò)存在，否則無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控．

圖2 基于電力線傳輸通信的微逆變器監(jiān)控系統(tǒng)

圖3 電力線傳輸?shù)奈⒛孀兤魍ㄐ畔到y(tǒng)

圖4 電力線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)圖

在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，每個太陽能電池板都連接一塊微逆變器，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以檢測多個微逆變器，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心服務(wù)器進(jìn)行存儲，從而可以通過網(wǎng)絡(luò)觀察到每個監(jiān)控網(wǎng)關(guān)乃至每塊太陽能電池板的發(fā)電狀態(tài)．這種就是基于電力線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)．

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

此系統(tǒng)也包括逆變系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4部分．逆變系統(tǒng)包括太陽能電池板，微逆變器，負(fù)責(zé)將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電的功能．信息采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議方式編碼；而傳輸系統(tǒng)則將采集到的信息通過GPRS模塊調(diào)制傳輸；通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心相連的GPRS模塊，負(fù)責(zé)收集各個監(jiān)測站點上傳的監(jiān)控信息，并發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測站點的行為[4]．

這種監(jiān)控系統(tǒng)適合于無人值守的，少維護(hù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的光伏地區(qū)，無需鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，借助于無線通信系統(tǒng)，將太陽能板的環(huán)境、工作狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心．但其穩(wěn)定性受到天氣等外界的影響，成本較高．

圖5 無線傳輸系統(tǒng)

3 監(jiān)控軟件配置

用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的軟件有多種：①可以采用Visual B軟件進(jìn)行編程，系統(tǒng)完整，基于所采集的信息已經(jīng)存入數(shù)據(jù)庫中，面向?qū)ο蟮目梢暬缑?，美觀大方，從系統(tǒng)檢測、數(shù)據(jù)處理、信息查詢3個基本界面和用戶管理、參數(shù)設(shè)置、幫助等界面組成，每個界面都完成一定的功能，但它是一個功能豐富的虛擬系統(tǒng)[5]．②可以用C++ builder進(jìn)行編寫監(jiān)控程序[4]，高性能可視化集成開發(fā)工具，有對象觀察器、控件板、工程管理器、集成編輯器和調(diào)試器等一系列可視化快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）工具，可以很輕松地建立和管理自己的程序和資源．③用Labview軟件進(jìn)行，這是通過圖形化編程的語言，可以比較容易的組建監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)造人機(jī)友好界面，開發(fā)維護(hù)方便，無需編寫繁瑣的計算機(jī)代碼，簡化程序設(shè)計，而且檢測者可以直觀、形象、方便的觀察到檢測的狀態(tài)[6]．④還可以采用java軟件進(jìn)行編寫，直接將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，快速、方便，界面簡潔，后臺維護(hù)方便．

[1] 2014年全球光伏安裝量將超40GW[OL]．http://www. nea.gov.cn/2014-01/09/c_133030576.htm[2014-01-09].

[2] 2030年英國可能取消全部燃煤發(fā)電[OL]．http://www. in-en.com/finance/html/energy_09160916902112027.html [2014-01-14]．

[3] 邵祥兵，溫秀蘭，唐桂富，等．基于電力線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)型溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．研究與開發(fā)，2011，30（12）：41-43．

[4] 彭繼慎，李文帥，李秋香．太陽能光伏發(fā)電無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]．計算機(jī)測量與控制，2012（12）：3228-3231．

[5] 王淼．太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]．電氣技術(shù)，2011（12）：59-62．

[6] 高立艾，唐娟，于華麗．基于太陽能的無線室溫環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（1）：372-374．

Communication Mode of Solar Micro-Inverters Monitoring System

ZHU Hailing

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055,China）

Communication mode of micro inverter system is dealt with. After a theoretical analysis, a comparative study of two types of data transmission of the solar micro inverter system is made. The one transmitted on power line is characterized by stable performance, high efficiency, low cost and easy realization, but it is cable-based; the other one transmitted on the wireless way transmits data by GPRS with the help of operators, it’s regional-free, and easily influenced by weather and surroundings, but it is expensive.

microinverter; photovoltaic system; monitor; power line

TM464

A

1672-0318（2014）03-0021-03

2013-11-18

朱海凌（1965-），江蘇人，副教授，主要研究方向為移到通信技術(shù)．