摘 要： 目前光伏發電已經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回路單元，具體哪塊光伏組件出現問題，則需要檢修人員拿萬用表到現場測量。設計了一種分布式光伏發電的檢測管理系統，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。采集的數據以無線方式傳輸給匯流箱，匯流箱再通過RS-485等方式將數據傳輸到上位機，由上位機查看發電情況，以及判斷光伏組件是否正常發電。
關鍵詞： 光伏發電；分布式系統；霍爾傳感器；匯流箱；無線傳輸
0 引言
近年來，光伏產業發展迅猛，主要得益于國家和地方政府對施工安裝以及發電的補貼。雖然光伏發電站運行良好，但是隨著時間的推移，光伏發電的管理維護問題就會凸顯出來。不論是大型的光伏發電站，還是分布式的發電系統，都需要額外的管理。自2006年IBM公司提出“智能電網”解決方案，電網進入了智能化階段，光伏發電也已經步入智能管理階段。大型光伏發電站在這方面會做一些優化設計，對電池做統一的管理，而對于分布式的發電系統，由于比較分散，問題不好處理。目前分布式發電系統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等方式傳輸數據到上位機進行相應判斷[9-12]。但是匯流箱只能檢測到串聯回路單元，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，而這些管理必然產生額外的費用。因此，有必要實現光伏發電的智能管理。通過增加相應的模塊，監控每塊光伏組件的發電狀態并及時發現問題，有針對性地進行檢修。基于上述思路，本文提出一種檢測方案，描述了對分布式發電的智能化管理。
1 基本原理
當前分布式光伏發電系統一般由10~20個光伏組件串聯成一個回路來增加電壓，幾個串聯的回路在匯流箱處進行匯流以增加電流，其檢測系統如圖1所示。匯流箱對每個串聯的回路單元進行檢測，然后通過RS-485等方式將數據傳給監控室的上位機進行管理[9-12]。為了實現檢測每塊光伏組件，只需在現有系統的基礎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、電流等數據，光伏組件與匯流箱之間的數據傳輸采用無線方式，這些數據再由匯流箱傳輸出去。光伏組件的接線盒預留有空間，設計的模塊可以嵌入在接線盒中。
2 檢測設計
光伏組件的檢測節點設計如圖2所示，設計的內容主要包括電源的設計、電壓檢測、電流檢測。控制芯片采用MSP430，工作狀態指示燈用來指示當前發電狀態，無線模塊用來傳輸采集到的數據，通過撥碼開關設計無線模塊的地址。
對于電源的設計，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分壓，產生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設定，這一設定在安裝之時完成，單片機上電后讀取撥碼開關的值，并將該值設定為無線模塊的本機地址。MSP430的采樣精度為12位，因此AD采樣的數據需要用2 B傳輸，采集電壓和電流數據共占據4 B。數據由無線接收后，在匯流箱一端通過RS-485等方式傳輸到上位機。分布式發電系統，上位機對采集到的電壓電流數據稍做比較處理即可知道光伏組件是否正常發電，并且能夠知道哪塊光伏組件出現問題。
接收端嵌入到匯流箱之中，一個接收端作為中心節點管理10~20個光伏組件節點的數據。通過組成星形網絡來管理，通信協議時序如圖6所示。
首先由位于匯流箱處的中心節點發送開始采集數據的命令，各個組件節點都能接收到這個命令，然后進行多次采集數據求平均，得到電流電壓數據。中心節點等待一段時間之后，開始輪詢各個組件節點，組件節點判斷接收地址是否與本機地址相符，若是，則提交數據，否則繼續等待輪詢。不同匯流箱的中心節點使用不同頻率與各自的組件節點進行數據交換，這樣可以避免數據的沖突。
4 結論
隨著國家加大對光伏產業的扶持力度，光伏發電正在從“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。本文設計了一種光伏組件的檢測管理系統，這種設計主要用于對分布式發電系統進行檢測。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。匯流箱中心節點與光伏組件節點的通信使用無線傳輸方式，無線傳輸的組網采用星形網絡。匯流箱與上位機之間的通信方式使用RS-485，電壓電流數據交由上位機進行處理，然后做相應的判斷和保護。
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