任朝陽(yáng)，曹自平，楊 鋒（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

分布式光伏發(fā)電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

任朝陽(yáng)，曹自平，楊 鋒
（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

目前光伏發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入智能化管理階段，其中的檢測(cè)工作主要由匯流箱完成，檢測(cè)電流、電壓以及溫濕度等信息。然而匯流箱只能檢測(cè)串聯(lián)回路單元，具體哪塊光伏組件出現(xiàn)問題，則需要檢修人員拿萬(wàn)用表到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。設(shè)計(jì)了一種分布式光伏發(fā)電的檢測(cè)管理系統(tǒng)，能夠檢測(cè)每塊光伏組件，并且檢測(cè)模塊是嵌入在光伏組件的接線盒里，減少施工安裝工作。采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸給匯流箱，匯流箱再通過RS-485等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)查看發(fā)電情況，以及判斷光伏組件是否正常發(fā)電。

光伏發(fā)電；分布式系統(tǒng)；霍爾傳感器；匯流箱；無(wú)線傳輸

0 引言

近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，主要得益于國(guó)家和地方政府對(duì)施工安裝以及發(fā)電的補(bǔ)貼。雖然光伏發(fā)電站運(yùn)行良好，但是隨著時(shí)間的推移，光伏發(fā)電的管理維護(hù)問題就會(huì)凸顯出來(lái)。不論是大型的光伏發(fā)電站，還是分布式的發(fā)電系統(tǒng)，都需要額外的管理。自2006年IBM公司提出“智能電網(wǎng)”解決方案，電網(wǎng)進(jìn)入了智能化階段，光伏發(fā)電也已經(jīng)步入智能管理階段。大型光伏發(fā)電站在這方面會(huì)做一些優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)電池做統(tǒng)一的管理，而對(duì)于分布式的發(fā)電系統(tǒng)，由于比較分散，問題不好處理。目前分布式發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)主要是由匯流箱完成的［1-5］，通過匯流箱檢測(cè)電流電壓、溫濕度等信息［6-8］，然后通過RS-485等方式傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)判斷［9-12］。但是匯流箱只能檢測(cè)到串聯(lián)回路單元，對(duì)位于匯流箱之下的幾十個(gè)光伏組件則沒有進(jìn)行檢測(cè)管理，而這些管理必然產(chǎn)生額外的費(fèi)用。因此，有必要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的智能管理。通過增加相應(yīng)的模塊，監(jiān)控每塊光伏組件的發(fā)電狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，有針對(duì)性地進(jìn)行檢修?；谏鲜鏊悸罚疚奶岢鲆环N檢測(cè)方案，描述了對(duì)分布式發(fā)電的智能化管理。

1 基本原理

當(dāng)前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由10～20個(gè)光伏組件串聯(lián)成一個(gè)回路來(lái)增加電壓，幾個(gè)串聯(lián)的回路在匯流箱處進(jìn)行匯流以增加電流，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。匯流箱對(duì)每個(gè)串聯(lián)的回路單元進(jìn)行檢測(cè)，然后通過RS-485等方式將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控室的上位機(jī)進(jìn)行管理［9-12］。為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)每塊光伏組件，只需在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加采集和傳輸模塊。采集模塊主要采集光伏組件的電壓、電流等數(shù)據(jù)，光伏組件與匯流箱之間的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式，這些數(shù)據(jù)再由匯流箱傳輸出去。光伏組件的接線盒預(yù)留有空間，設(shè)計(jì)的模塊可以嵌入在接線盒中。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2 檢測(cè)設(shè)計(jì)

光伏組件的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括電源的設(shè)計(jì)、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)。控制芯片采用MSP430，工作狀態(tài)指示燈用來(lái)指示當(dāng)前發(fā)電狀態(tài)，無(wú)線模塊用來(lái)傳輸采集到的數(shù)據(jù)，通過撥碼開關(guān)設(shè)計(jì)無(wú)線模塊的地址。

圖2 組件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于電源的設(shè)計(jì)，可以直接從光伏組件取電。光伏組件工作電壓可以達(dá)到30 V以上，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要選用寬電壓輸入的DC-DC芯片，本文采用了TI公司的TPS54062芯片將電壓穩(wěn)定在 3.3 V作為電源輸出給單片機(jī)等電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 電源設(shè)計(jì)

圖4 電壓檢測(cè)電路

電流檢測(cè)使用基于霍爾感應(yīng)原理的電流檢測(cè)芯片ACS712進(jìn)行檢測(cè)［13］，電路如圖5所示。ACS712根據(jù)檢測(cè)電流的大小分為3種型號(hào)，光伏組件的電流比較大，因此選用ACS712-20A芯片。ACS712-20A是一種輸出電壓與輸入電流成正比的器件，其內(nèi)阻為 1.2 mΩ，具有較低的功耗，其檢測(cè)范圍為-20 A～+20 A。該芯片檢測(cè)電流受溫度影響小，對(duì)于安裝于戶外溫差變化大的光伏組件，檢測(cè)產(chǎn)生的偏差較小。

圖5 電流檢測(cè)電路

ACS712-20A輸出電壓為：

目前匯流箱電壓和電流的檢測(cè)都只檢測(cè)一次，瞬間的抖動(dòng)會(huì)造成采集電壓和電流誤差。因此，為了消除瞬間抖動(dòng)的影響，對(duì)光伏組件的檢測(cè)采用多次采樣求平均的方法。

3 通信設(shè)計(jì)

單片機(jī)采集的電壓電流信息，通過無(wú)線傳輸給匯流箱。無(wú)線通信的本機(jī)地址通過撥碼開關(guān)設(shè)定，這一設(shè)定在安裝之時(shí)完成，單片機(jī)上電后讀取撥碼開關(guān)的值，并將該值設(shè)定為無(wú)線模塊的本機(jī)地址。MSP430的采樣精度為12位，因此AD采樣的數(shù)據(jù)需要用2 B傳輸，采集電壓和電流數(shù)據(jù)共占據(jù)4 B。數(shù)據(jù)由無(wú)線接收后，在匯流箱一端通過RS-485等方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。分布式發(fā)電系統(tǒng)，上位機(jī)對(duì)采集到的電壓電流數(shù)據(jù)稍做比較處理即可知道光伏組件是否正常發(fā)電，并且能夠知道哪塊光伏組件出現(xiàn)問題。

接收端嵌入到匯流箱之中，一個(gè)接收端作為中心節(jié)點(diǎn)管理10～20個(gè)光伏組件節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通過組成星形網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理，通信協(xié)議時(shí)序如圖6所示。

圖6 通信協(xié)議時(shí)序圖

首先由位于匯流箱處的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始采集數(shù)據(jù)的命令，各個(gè)組件節(jié)點(diǎn)都能接收到這個(gè)命令，然后進(jìn)行多次采集數(shù)據(jù)求平均，得到電流電壓數(shù)據(jù)。中心節(jié)點(diǎn)等待一段時(shí)間之后，開始輪詢各個(gè)組件節(jié)點(diǎn)，組件節(jié)點(diǎn)判斷接收地址是否與本機(jī)地址相符，若是，則提交數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待輪詢。不同匯流箱的中心節(jié)點(diǎn)使用不同頻率與各自的組件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以避免數(shù)據(jù)的沖突。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家加大對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，光伏發(fā)電正在從“補(bǔ)充能源”過渡到“替代能源”，而智能化管理對(duì)這個(gè)過程起到很大作用。本文設(shè)計(jì)了一種光伏組件的檢測(cè)管理系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)主要用于對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。光伏組件主要檢測(cè)電壓和電流，本文對(duì)這兩個(gè)物理量的采集都是使用AD采樣方式進(jìn)行，為減小瞬間抖動(dòng)產(chǎn)生的誤差，使用多次采樣求平均。電壓檢測(cè)使用電阻分壓后，進(jìn)入AD采樣；電流檢測(cè)首先利用霍爾傳感器將其轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再通過電阻分壓，然后進(jìn)行AD采樣。匯流箱中心節(jié)點(diǎn)與光伏組件節(jié)點(diǎn)的通信使用無(wú)線傳輸方式，無(wú)線傳輸?shù)慕M網(wǎng)采用星形網(wǎng)絡(luò)。匯流箱與上位機(jī)之間的通信方式使用RS-485，電壓電流數(shù)據(jù)交由上位機(jī)進(jìn)行處理，然后做相應(yīng)的判斷和保護(hù)。

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A detection management system design of distributed photovoltaic pow er generation

Ren Chaoyang，Cao Ziping，Yang Feng
（College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

So far，photovoltaic power generation has stepped into intelligent management stage，and the detection work including detecting current，voltage，temperature and humidity is mostly done by combiner box.However，combiner box can only detect series circuit，and maintenance personnel should take a multimeter to find out which photovoltaic module is bad.This paper designed a detection management system of distributed photovoltaic power generation，which can detect each photovoltaic module，and the detection module is embedded in the junction box of photovoltaic module，reducing installation work.The collected data is transmitted to junction box in wireless way，and to upper computer through RS-485 and other ways.Upper computer can view the status of power generation，and judge whether a photovoltaic module is normal.

photovoltaic power generation；distributed system；Hall sensor；combiner box；wireless transmission

TM914.4

A

1674-7720（2015）24-0060-03

任朝陽(yáng)，曹自平，楊鋒.分布式光伏發(fā)電檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（24）：60-62.

2015-08-24）

任朝陽(yáng)（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：能量采集和傳感技術(shù)。

曹自平（1974-），通信作者，男，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：能量自維護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)及綠色無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)。E-mail：caozp@njupt.edu.cn。

楊鋒（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：能量采集和傳感技術(shù)。IEEE VTS 53rd Vehicular Technology Conference，VTC 2001 Spring，2001，4：3022-3026.

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-13-0871）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61372044）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（14KJA510002）