摘  要： 目前光伏發(fā)電已經(jīng)進入智能化管理階段，其中的檢測工作主要由匯流箱完成，檢測電流、電壓以及溫濕度等信息。然而匯流箱只能檢測串聯(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用表到現(xiàn)場測量。設(shè)計了一種分布式光伏發(fā)電的檢測管理系統(tǒng)，能夠檢測每塊光伏組件，并且檢測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，由上位機查看發(fā)電情況，以及判斷光伏組件是否正常發(fā)電。

　　關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電；分布式系統(tǒng)；霍爾傳感器；匯流箱；無線傳輸

0 引言

　　近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，主要得益于國家和地方政府對施工安裝以及發(fā)電的補貼。雖然光伏發(fā)電站運行良好，但是隨著時間的推移，光伏發(fā)電的管理維護問題就會凸顯出來。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)電站在這方面會做一些優(yōu)化設(shè)計，對電池做統(tǒng)一的管理，而對于分布式的發(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)的檢測主要是由匯流箱完成的[1-5]，通過匯流箱檢測電流電壓、溫濕度等信息[6-8]，然后通過RS-485等方式傳輸數(shù)據(jù)到上位機進行相應判斷[9-12]。但是匯流箱只能檢測到串聯(lián)回路單元，對位于匯流箱之下的幾十個光伏組件則沒有進行檢測管理，而這些管理必然產(chǎn)生額外的費用。因此，有必要實現(xiàn)光伏發(fā)電的智能管理。通過增加相應的模塊，監(jiān)控每塊光伏組件的發(fā)電狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)問題，有針對性地進行檢修?；谏鲜鏊悸?，本文提出一種檢測方案，描述了對分布式發(fā)電的智能化管理。

1 基本原理

　　當前分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由10~20個光伏組件串聯(lián)成一個回路來增加電壓，幾個串聯(lián)的回路在匯流箱處進行匯流以增加電流，其檢測系統(tǒng)如圖1所示。匯流箱對每個串聯(lián)的回路單元進行檢測，然后通過RS-485等方式將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控室的上位機進行管理[9-12]。為了實現(xiàn)檢測每塊光伏組件，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留有空間，設(shè)計的模塊可以嵌入在接線盒中。

2 檢測設(shè)計

　　光伏組件的檢測節(jié)點設(shè)計如圖2所示，設(shè)計的內(nèi)容主要包括電源的設(shè)計、電壓檢測、電流檢測?？刂菩酒捎肕SP430，工作狀態(tài)指示燈用來指示當前發(fā)電狀態(tài)，無線模塊用來傳輸采集到的數(shù)據(jù)，通過撥碼開關(guān)設(shè)計無線模塊的地址。

　　對于電源的設(shè)計，可以直接從光伏組件取電。光伏組件工作電壓可以達到30 V以上，因此，在設(shè)計時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等電路，其電路圖如圖3所示。

　　發(fā)電的檢測，一般檢測電壓和電流。電壓的檢測電路如圖4所示，使用兩個高精度的電阻串聯(lián)分壓，產(chǎn)生1/16的分壓，這個電壓進入單片機AD端口進行采樣。

　　電流檢測使用基于霍爾感應原理的電流檢測芯片ACS712進行檢測[13]，電路如圖5所示。ACS712根據(jù)檢測電流的大小分為3種型號，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，其檢測范圍為-20 A~+20 A。該芯片檢測電流受溫度影響小，對于安裝于戶外溫差變化大的光伏組件，檢測產(chǎn)生的偏差較小。

　　ACS712-20A輸出電壓為：

　　Vout=2.5+0.1×IP（1）

　　采樣參考電壓使用MSP430單片機的內(nèi)部參考電壓2.5 V，而ACS712-20A輸出電壓大于2.5 V，因此在輸出端加上兩個等阻值的高精度電阻將其電壓分出一半，即Vout=1/2×（2.5+0.1×IP）=1.25+0.05×IP，然后進入單片機的采樣端口。

　　目前匯流箱電壓和電流的檢測都只檢測一次，瞬間的抖動會造成采集電壓和電流誤差。因此，為了消除瞬間抖動的影響，對光伏組件的檢測采用多次采樣求平均的方法。

3 通信設(shè)計

　　單片機采集的電壓電流信息，通過無線傳輸給匯流箱。無線通信的本機地址通過撥碼開關(guān)設(shè)定，這一設(shè)定在安裝之時完成，單片機上電后讀取撥碼開關(guān)的值，并將該值設(shè)定為無線模塊的本機地址。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)由無線接收后，在匯流箱一端通過RS-485等方式傳輸?shù)缴衔粰C。分布式發(fā)電系統(tǒng)，上位機對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，一個接收端作為中心節(jié)點管理10~20個光伏組件節(jié)點的數(shù)據(jù)。通過組成星形網(wǎng)絡(luò)來管理，通信協(xié)議時序如圖6所示。

　　首先由位于匯流箱處的中心節(jié)點發(fā)送開始采集數(shù)據(jù)的命令，各個組件節(jié)點都能接收到這個命令，然后進行多次采集數(shù)據(jù)求平均，得到電流電壓數(shù)據(jù)。中心節(jié)點等待一段時間之后，開始輪詢各個組件節(jié)點，組件節(jié)點判斷接收地址是否與本機地址相符，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)點使用不同頻率與各自的組件節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，這樣可以避免數(shù)據(jù)的沖突。

4 結(jié)論

　　隨著國家加大對光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，光伏發(fā)電正在從“補充能源”過渡到“替代能源”，而智能化管理對這個過程起到很大作用。本文設(shè)計了一種光伏組件的檢測管理系統(tǒng)，這種設(shè)計主要用于對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行檢測。光伏組件主要檢測電壓和電流，本文對這兩個物理量的采集都是使用AD采樣方式進行，為減小瞬間抖動產(chǎn)生的誤差，使用多次采樣求平均。電壓檢測使用電阻分壓后，進入AD采樣；電流檢測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，然后進行AD采樣。匯流箱中心節(jié)點與光伏組件節(jié)點的通信使用無線傳輸方式，無線傳輸?shù)慕M網(wǎng)采用星形網(wǎng)絡(luò)。匯流箱與上位機之間的通信方式使用RS-485，電壓電流數(shù)據(jù)交由上位機進行處理，然后做相應的判斷和保護。

參考文獻

　　[1] 毛伙南，陳峰，崔傳芹，等.小型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].機電工程技術(shù)，2011（12）：46-48.

　　[2] 彭江.光伏并網(wǎng)的原理及其電站監(jiān)測系統(tǒng)模塊設(shè)計[D].蘭州：蘭州大學，2006.

　　[3] 苑鵬.小型光伏電站實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：華中科技大學，2013.

　　[4] 劉莉敏.并網(wǎng)光伏電站分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2004.

　　[5] 潘峰.光伏發(fā)電直流側(cè)狀態(tài)智能檢測系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學，2013.

　　[6] 張婷婷.基于傳感器的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)[J].滁州職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，11（3）：64-66.

　　[7] 楊然，李宇.基于RS-485通信和單片機的太陽能光伏組件溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2012（2）：50-51.

　　[8] 劉宏，陳慧玲，龐勝利.光伏并網(wǎng)電站數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)[J].可再生能源，2006（5）：74-76.

　　[9] 李凌銳，董文斌，郭小堅，等.光伏電站遠程監(jiān)測系統(tǒng)通信模式的研究與設(shè)計[J].機械制造與自動化，2008，37（5）：157-159.

　　[10] 孫廣輝.遠程自修復光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用，2015，34（3）：47-49.

　　[11] 孟令博，陳忠輝.光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中電力載波通信模塊的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2012（12）：17-19.

　　[12] 馬巍.基于DSP/GPRS的光伏能源監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].錦州：遼寧工業(yè)大學，2011.

　　[13] 王香婷，蘇曉龍.基于霍爾傳感器的電流檢測系統(tǒng)[J].工礦自動化，2008（2）：74-76.