光伏電站集成檢測系統設計*

方 白 ，卜劍秋 ，孟 婥 ，陳玉潔

（1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.北華大學 電氣信息工程學院，吉林 吉林 132013）

太陽能作為理想的可再生能源和綠色環保能源是緩解目前能源危機的最可持續途徑。光伏電站作為利用的主要形式具有工作環境復雜多變，系統工作狀況受環境因素影響巨大的特點。其中光輻照量、環境溫度和組件溫度的準確檢測為監控光伏電站運行狀況及預測未來發電能力提供了可靠的量化依據，對提高系統的安全性、可靠性有十分重要的意義。目前，采用的檢測方式大多系統復雜、成本昂貴，制約了推廣和使用。實踐證明，在許多系統應用中以較低成本達到±5%的檢測精度比通過高成本達到±2%的檢測精度更為可取[1]。因此本設計采用了基于單片機的光伏電站檢測系統，運用成本低廉的光伏電池作為光輻照量檢測傳感器，完成了以下主要功能：檢測光伏電站實時接受的光輻照量、工作環境溫度和系統組件溫度，并將以上數據輸送到上位機儲存和顯示。系統采用友好的人機界面，提供直觀的數據顯示，具有成本低、安裝維護方便等優點。

1 系統總體結構

根據光伏電站的工作需求，該集成檢測系統針對光輻照量、環境溫度和組件溫度參數進行采集、記錄并輸送到上位機進行儲存和顯示，為監測光伏發電系統的工作狀況及光伏電站的發電量提供依據。系統采用上下位機形式，上下位機之間采用RS-485總線通信。總體結構如圖1所示。

系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統完成數據采集、處理和轉換。主控上位機為中央監控計算機，安裝了自行開發的檢測軟件，可連接1個或多個下位機。下位機為自行研制的單片機集成檢測器，具有規范化接口，可以根據需要修改下位機軟件以改變系統。上下位機之間采用RS-485總線通信。其結構具有不封閉網絡的特點，可方便地添加新節點，上下位機之間通過總線通信，速度快；當某個節點發生故障時不干擾其他節點工作，保證了系統不因為局部工作不正常而癱瘓。

2 光輻照量檢測原理及校正

2.1 光輻照量檢測原理

傳統的光輻照度測量方法主要是測輻射熱劑等熱探測器。其工作溫度范圍小、成本昂貴、后期維護費用高等缺點制約了推廣使用。因此，實際應用中越來越多采用成本低廉的光伏電池等光電探測器作為傳感元件。

光伏電池作為光輻照量檢測元件是利用其內光電響應即伏安特性，如圖2所示。光電池的短路電流與入射光輻照量具有良好的線性關系。因此，可利用檢測短路電流來反映光輻照量值。短路電流受溫度和光譜變化的影響很大，會導致測量誤差，因此要進行溫度校正和譜校正[2]。

2.2 溫度校正

硅光電池的伏安特性受溫度影響大，如圖3所示，溫度上升，短路電流顯著增加。檢測光伏電池多數是在光輻照度為 1 000 W/m2、溫度為 25℃、標準譜分布的標準測試環境中進行。這與光伏電站實際工作環境差別很大，實際工作環境中光伏電池工作溫度接近50℃。這種差別會產生重大的檢測誤差。

為了消除溫度的瞬時影響，應用Blaesser方法使在實驗室條件下的測量結果推廣到不同環境溫度下[3-4]。

式中，α為電流溫度校正因子，I1為實驗環境中的短路電流（mA），T1為實驗環境中的短路溫度（℃），E1為實驗環境中的短路輻照量（W/m2），I2為工作環境中的短路電流（mA），T2為工作環境中的短路溫度（℃），E2為工作環境中的短路輻照量（W/m2）。

將式（1）中模塊溫度進一步修正為對短路電流變化影響更為直接的節點溫度Tj以保證更高的準確性[5]。

式中，Tj為節點溫度（℃），Ta為環境溫度（℃），Tn為光輻照量為1 000 W/m2、環境溫度為 25℃時的組件溫度（℃），E為測量時的光輻照量強度（W/m2）。

2.3 譜校正

除了溫度外，太陽光譜變化也會導致光伏電池的短路電流響應變化。美國材料與試驗學會（American Society for Testing and Materials）已給出了光伏設備譜密度補償的標準方法。任意測試譜分布下的短路電流通過譜校正參數M校正為標準太陽譜分布的響應。因此，可將標準測試環境中的短路電流響應推廣到實際工作環境中[5]。

式中，Isct為工作環境中的短路電流 （mA），E*為直射條件下熱輻射計測得的光輻照量 （W/m2），E0*為直射條件下、AM=1.5時熱輻射計測得的光輻照量（W/m2），Iscto為直射條件下、25℃、AM=1.5時的短路電流（mA）。

大氣質量AM為太陽在任何位置與在天頂時通過大氣到達觀測點的路徑之比。

式中Zs為太陽天頂角（°）。

式（4）中校正參數AMa是通過將大氣質量修正為與測試地點緯度相關的絕對大氣質量，以補償測量地點緯度不為海平面而造成的誤差，作為獨立變量用于校正連續變化的光譜。絕對大氣質量由太陽天頂角和緯度決定[5]。

式中，P為工作環境氣壓 （Pa），PO為海平面標準氣壓（Pa），h 為工作地點的緯度（°）。

太陽天頂角Zs可由下式推得[6]：

式中，Zs為太陽天頂角（°），θA為太陽高度角（°），θD為太陽赤緯（°），θL為地理緯度（°），θH為以正午太陽為原點的小時角（°），N為為日數（自 1月 1日開始計算），hour為24小時制測量時刻。

如圖4所示，光伏電池的短路電流響應與絕對大氣質量有密切關系。由于非晶硅只能對小于900 nm波長的光譜分量產生響應，其輻照響應隨絕對大氣質量的上升而大幅度減少。因此，在不同譜校正的情況下進行輻照量測量會產生重大誤差。

2.4 校正后光輻照量響應

經溫度校正和譜校正后得出校正后光輻照量與短路電流的關系如式（12）：

式中，Et為太陽輻照量 （W/m2），U為光電池響應（mV），E0為參考輻照量水平，E0=1 000 W/m2，α為溫度系數（1/℃），T為組件溫度（℃），T0為參考溫度，T0=25℃。

利用式（13）對多晶硅的短路電流進行校正可以看出，校正后的輻照量響應與輻照量間具有良好的線性相關性，如圖5所示。因此，可以通過測量短路電流精確地反映系統實時接收的輻照量。

3 系統硬件設計

本系統采用上下位機的形式，下位機以單片機為控制核心，加外圍擴展電路，具有檢測和儲存對象信號的功能，并且擴展了485通信接口，可將采集的數據傳輸到總線上，實現與上位機的數據交換。三路傳感器檢測通路分別測量光輻照量、環境溫度和組件溫度，經A/D轉換后輸入單片機，單片機響應上位機的通信請求后將檢測數據傳輸至上位機儲存和顯示。本系統采用了單片A/D轉換芯片，單片機通過模擬開關控制各時刻送入A/D的數據種類，降低了成本。

3.1 光輻照及溫度檢測通路硬件設計

采用以AD623A為放大器的調理電路，前級經濾波、電流電壓轉化輸入放大器進行信號放大。之后，信號送入模擬開關MC14433，由單片機控制模擬開關的導通，確保某一時刻只有確定的一路檢測信號送入A/D轉換芯片進行數模轉化。光輻照量檢測通路的硬件電路圖如圖6所示。

圖6 光輻照量檢測通路

本系統的溫度檢測包括環境溫度檢測和組件溫度檢測。所檢測的數據不僅用于儲存和顯示以反映系統工作環境，還用于光輻照量檢測的校正，精確度要求較高。采用Pt100溫度傳感器，其硬件電路如圖7所示。

圖7 溫度檢測通路

采用三線式接法消除引線線路電阻帶來的測量誤差，選用三根等效電阻相等即Rr1=Rr2=Rr3的引線，將鉑電阻作為不平衡電橋的一個橋臂，將其中一根導線Rr1接到電橋的電源端，其余兩根導線Rr2和Rr3分別接到鉑電阻所在橋臂及其相鄰橋臂上，則兩橋臂引入了相同阻值的引線電阻，從而使得電橋處于平衡狀態，引線電阻的變化對測量結果產生的影響會相互抵消。

3.2 系統控制主模塊的選擇

本系統控制器基本控制電路如8所示。系統的串口通信由專用芯片ISO3080完成。CPU電路由STC12C5A160S2作為中央處理器加外圍電路組成。系統具有自動上電復位電路和掉電保護的低電壓檢測電路。單片機的主要作用是控制每個時刻送入A/D轉換芯片的檢測對象；將A/D轉換完畢的數據存入單片機中；響應上位機數據傳輸請求，將存在單片機中的數據輸入總線最終送達上位機；在掉電時將片內RAM中尚未送入上位機的數據存入EPROM。根據以上的功能要求，確立了3級中斷即掉電中斷、A/D數據傳輸中斷、串口通信中斷，各中斷的中斷優先級依次降低。單片機分時掃描各I/O口，以確定中斷產生并控制系統進行響應。

4 系統軟件設計

系統軟件包括主程序、掉電保護子程序、串口通信子程序、輻照量校正子程序，軟件結構如圖9所示。

圖9 系統軟件結構

主程序分時檢測光電池板短路電流、環境溫度和組件溫度并分別送入A/D轉換，在檢測信號完成A/D轉換后送入單片機中儲存。

輻照量校正子程序將檢測到的光電池短路電流Isc通過溫度校正和譜校正轉化為光輻照量的實時值并儲存到單片機中。

當系統在意外情況掉電時調用掉電保護子程序，將儲存在單片機RAM中的掉電時間、掉電時刻光輻照量值和溫度值等數據存到EEPROM中，并在上電后將數據再次讀出輸送到上位機。

當有上位機通信請求時調用串口通信子程序，進行串口通信，將采集的數據根據上位機需要傳輸到上位機儲存或顯示。

本文設計的光伏電站集成檢測系統成本低、體積小、安裝方便、運行可靠、性價比高，可在全天候條件下、不同溫度和不同光譜分布環境中實現高精確度的光輻照量檢測，可長時間自主穩定運行，安裝后基本不需要現場維護。本光伏電站集成檢測系統可廣泛應用于對光伏電站工作環境的檢測，為監控光伏電站運行狀況及預測未來發電能力提供可靠的量化依據。

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