基于LabVIEW的光伏并網(wǎng)逆變器溫升自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

陳 棟, 王鈞銘, 鮑安平, 顧凱鳴

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中認(rèn)新能源技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用技術(shù)的一個重要方面，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，所以并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量直接關(guān)系著光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定可靠運(yùn)行[1]。而溫升測試是評估逆變器是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的一個重要的安全指標(biāo)[2]。目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試基本上還是使用溫度采集裝置自帶的通用軟件進(jìn)行測量，主要缺點(diǎn)是測試軟件沒有針對光伏逆變器溫升試驗的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，在測試過程中逆變器各測點(diǎn)的溫度還要靠測試人員監(jiān)控，耗時耗力，沒有實現(xiàn)自動化測試，測試效率較低。因此構(gòu)建一個功能完善的逆變器溫升自動測試系統(tǒng)，用來快速、準(zhǔn)確地采集監(jiān)控測試過程中的溫度參數(shù)顯得尤為重要。

本文基于LabVIEW平臺設(shè)計開發(fā)了光伏并網(wǎng)逆變器溫升自動測試系統(tǒng)[3-4]，該系統(tǒng)可以進(jìn)行多通道溫度采集和測量控制，從計算機(jī)界面上直觀地得到逆變器測試過程中的溫度值和曲線圖，待逆變器溫度穩(wěn)定后會自動提醒測試結(jié)束，出具溫升測試結(jié)果報告，系統(tǒng)界面友好且使用方便，大大節(jié)省了人力和時間，提高了測試效率。

1 逆變器溫升測試方法和要求

測試方法依據(jù)國家發(fā)布的認(rèn)證技術(shù)規(guī)范CNCA/CTS0004-2009A《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)條件》5.16章節(jié)溫升試驗的要求，在全功率條件下，在逆變器會引起危險的零部件和可接觸部位上布置溫度采集點(diǎn)(測溫點(diǎn))，當(dāng)各測溫點(diǎn)溫度變化每小時不超過1 K時即認(rèn)為逆變器達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫升試驗結(jié)束。此時記錄下各測溫點(diǎn)的溫度值，看是否超過了技術(shù)規(guī)范中要求的最低限值[5]。

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試系統(tǒng)由測試平臺、Agilent 34970A[6]數(shù)據(jù)采集器、YOKOGAWA WT3000[7]功率分析儀和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

測試平臺選用霍爾傳感器HIOKI CT6863、Omega K型熱電偶和NI公司的PXIe-1082工控機(jī)等部分組成。

系統(tǒng)采用Omega公司的K型熱電偶作為測溫傳感器，型號為TT-K-30，測量的溫度范圍為-200 ℃～260 ℃。

Agilent 34970A是一種性價比較高的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)單元，適用于數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)采集和一般的開關(guān)與控制應(yīng)用，可完成溫度、交直流電壓電流、電阻等測量功能。儀器后面板配有3個插槽，可安裝Agilent 34901A 20路銜鐵式多路復(fù)用器。光伏逆變器溫升測試每次需要測量大約40個測溫點(diǎn)，所以只需使用2塊34901A板卡就可以滿足測試要求。測量精度可達(dá)到0.001 ℃。

本系統(tǒng)采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器作為整個測試系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過Omega K型熱電偶實時采集現(xiàn)場溫度信號，信號經(jīng)過采集器內(nèi)部調(diào)理后，接收工控機(jī)系統(tǒng)軟件的控制命令并向其提供數(shù)據(jù)。Agilent 34970A使用的通信接口有GPIB和RS232兩種。在測試系統(tǒng)調(diào)試階段，分別對這兩種接口進(jìn)行了大量的試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RS232雖然價格便宜，但是傳輸速度較慢，尤其在34970A掃描速率較高、測試通道數(shù)多的情況下，經(jīng)常造成儀器與工控機(jī)之間的通信沒有響應(yīng)，因此不宜選擇RS232作為高精度、高可靠性的測試通信接口。本文選用GPIB接口進(jìn)行通信，GPIB的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可以達(dá)到1.5 Mb/s，傳輸距離較遠(yuǎn)，可靠性較好，連接方式為總線并行式，儀器直接并聯(lián)在總線上，可與符合國際標(biāo)準(zhǔn)的各類程控儀器連接構(gòu)成自動化測試系統(tǒng)[8-9]。

工控機(jī)PXIe-1082是基于LabVIEW的測試平臺，是整個測試系統(tǒng)的控制單元，負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示，并出具溫升測試報告。

YOKOGAWA WT3000功率分析儀負(fù)責(zé)讀取逆變器直流側(cè)和交流側(cè)的電參數(shù)值，如電流、電壓、功率和頻率等，調(diào)節(jié)光伏陣列模擬器確保逆變器在滿功率下進(jìn)行溫升測試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)平臺

軟件采用LabVIEW2012版本作為溫升測試系統(tǒng)開發(fā)平臺。LabVIEW是由美國NI公司推出的虛擬儀器設(shè)計開發(fā)平臺，具有圖形化編程容易入門、豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫和分析子程序，使之在開發(fā)虛擬儀器上具有獨(dú)特優(yōu)勢[10]。在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，調(diào)用了Agilent 34970A提供的LabVIEW的第三方驅(qū)動函數(shù)，不需要使用LabVIEW的VISA函數(shù)編寫底層硬件的驅(qū)動程序，使用起來方便快捷，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)時間[11]。

3.2 軟件設(shè)計

為使測試系統(tǒng)具有良好的儀器擴(kuò)展性便于升級，在軟件設(shè)計時采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的方法[12]，功能程序和驅(qū)動程序相對獨(dú)立。軟件包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)配置、測試通道配置、溫度采集和數(shù)據(jù)保存等模塊。程序設(shè)計流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶啟動測試系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)和測試通道配置，接著對配置的測試通道進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，如果各通道溫度值在半小時內(nèi)不超過1K，則彈出對話框和語音提醒，提示測試結(jié)束停止溫度采集，同時保存測試數(shù)據(jù)值。最終測試系統(tǒng)軟件界面設(shè)計如圖3所示。

圖2 程序設(shè)計流程圖

圖3 測試系統(tǒng)軟件界面

軟件的主框架采用了生產(chǎn)者-消費(fèi)者架構(gòu)[13-17]進(jìn)行設(shè)計，如圖4所示。生產(chǎn)者循環(huán)和消費(fèi)者循環(huán)之間采用隊列技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，生產(chǎn)者循環(huán)負(fù)責(zé)軟件界面人機(jī)交互時的動作響應(yīng)，消費(fèi)者循環(huán)負(fù)責(zé)響應(yīng)后的數(shù)據(jù)處理。

圖4 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.3 軟件關(guān)鍵部分設(shè)計

(1) 系統(tǒng)初始化設(shè)計。初始化設(shè)計在程序消費(fèi)者循環(huán)中實現(xiàn)，含Init、Init global、Init UI等3個子程序完成對使用的全局變量和用戶界面控件進(jìn)行初始化設(shè)置，如測試通道配置樹形控件、測試曲線控件等。

(2) 系統(tǒng)參數(shù)配置設(shè)計。在軟件的系統(tǒng)配置中設(shè)有仿真選項，在程序中用全局變量來進(jìn)行控制，便于在無Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器的條件下仿真編寫并調(diào)試測試系統(tǒng)軟件。

(3) 溫度值即時查看功能設(shè)計。主界面溫度顯示曲線圖中，沿著曲線圖移動鼠標(biāo)可以察看各點(diǎn)的溫度值，便于測試人員監(jiān)控數(shù)據(jù)。如圖5所示為此功能設(shè)計的部分程序框圖。程序中使用了引用節(jié)點(diǎn)Map Coordinates To XY和屬性節(jié)點(diǎn)Cursor Mode、Active Plot。

(4) 通信錯誤。當(dāng)計算機(jī)與Agilent 34970A通信發(fā)生錯誤時，軟件會彈出對話框提醒，并顯示錯誤碼。如圖6所示程序框圖。

圖5 溫度即時查看設(shè)計部分程序框圖

圖6 通信錯誤碼功能程序框圖

(5) 通道名稱。軟件中采用樹結(jié)構(gòu)設(shè)計測試通道配置程序，并且可以在通道號上雙擊鼠標(biāo)彈出對話框，給各個測試通道標(biāo)識測試名稱，如圖7所示測試通道名稱輸入前面板。

圖7 測試通道名稱輸入前面板

(6) 試驗結(jié)束。軟件會以TDMS格式自動保存測試數(shù)據(jù)，以便測試人員查看歷史測試數(shù)據(jù)，如圖8所示程序框圖。

圖8 TDMS保存數(shù)據(jù)程序框圖

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)目前已應(yīng)用在南京中認(rèn)南信檢測技術(shù)有限公司的光伏并網(wǎng)逆變器溫升測試中，節(jié)省了大量的人力物力，提高了測試效率，經(jīng)過半年現(xiàn)場試用后于2012年12月最后調(diào)試、驗收通過。同時，隨著用戶需求的變化和新設(shè)備的出現(xiàn)，可以在系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下，快速進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的升級開發(fā)，具有良好的應(yīng)用前景。

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