智能光伏匯流箱的設(shè)計(jì)

王曉東，楊文琪，劉伸

（1山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250014；2威海中玻光電有限公司，山東威海 264205）

經(jīng)驗(yàn)交流

智能光伏匯流箱的設(shè)計(jì)

王曉東1，楊文琪2，劉伸1

（1山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250014；2威海中玻光電有限公司，山東威海 264205）

通過設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件，通過RS485通訊方式，使得智能光伏匯流箱能夠通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)較全面的監(jiān)測保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)光伏電站的智能化、數(shù)字化。

光伏匯流箱；監(jiān)控軟件；遠(yuǎn)程控制

1 前言

太陽能是一種低密度的平面能源，需要數(shù)量巨大的太陽能電池板陣列進(jìn)行串并聯(lián)組合來達(dá)到所需功率［1］。光伏匯流箱是光伏發(fā)電的重要組成部分，主要用于太陽能光伏組件與直流控制柜間的連接。為了減少光伏電池組件與逆變器之間的連接線，方便光伏電站的施工和維護(hù)工作，需要將光伏陣列發(fā)出的電能通過分段連接、逐級匯流的方式進(jìn)行一次和二次匯流，這里便需使用光伏匯流箱。采用在光伏匯流箱內(nèi)加裝智能監(jiān)測單元模塊的方式，能夠很好地監(jiān)測每一路光伏組件串聯(lián)回路的工作電流、電壓等工作狀態(tài)，并通過通訊模塊與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

為了進(jìn)一步提高太陽能光伏電站的智能化、數(shù)字化水平，山東省冶金科學(xué)研究院從提高光伏匯流箱的智能化程度入手，研發(fā)設(shè)計(jì)的智能光伏匯流箱具有較全面的監(jiān)測保護(hù)功能，設(shè)計(jì)光伏匯流箱與上位機(jī)的通訊，能夠通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)光伏匯流箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 智能光伏匯流箱的設(shè)計(jì)

光伏電池組件接收太陽光輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為直流電能，通過串聯(lián)組合進(jìn)入智能光伏匯流箱中，經(jīng)過光伏熔斷器的保護(hù)作用，并聯(lián)接至匯流母排，再經(jīng)由直流斷路器通斷控制及保護(hù)作用，輸出到直流柜或光伏逆變器。智能光伏匯流箱的基本組成如圖1所示。智能光伏匯流箱主要由高防護(hù)殼體、直流熔斷器、匯流銅排、直流斷路器、浪涌保護(hù)器、智能檢測單元等部件組成。

2.1 匯流箱一次線路

圖1 智能光伏匯流箱基本組成

智能光伏匯流箱一次線路由直流熔斷器、匯流銅排、直流斷路器組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)各回路光伏陣列直流電能的匯集和保護(hù)。

在智能光伏匯流箱中，直流熔斷器應(yīng)選用額定工作電壓為直流1 000 V的產(chǎn)品。它的主要功能是在該路光伏陣列回路中出現(xiàn)電流過大的情況時(shí)能夠及時(shí)斷開回路，避免對其他光伏陣列回路造成損害。

直流斷路器主要功能是根據(jù)需要控制該光伏匯流箱輸出的通斷，要求工作電壓達(dá)到直流1 000 V，分?jǐn)鄷r(shí)間短，具備極好的短路限流能力。

2.2 匯流箱防雷功能

由于智能光伏匯流箱大部分是安裝在戶外，所以必須考慮增加防雷擊保護(hù)設(shè)備。為此，在智能光伏匯流箱的直流輸出部分并聯(lián)了1個(gè)光伏直流專用的浪涌保護(hù)器。在發(fā)生雷擊情況時(shí)，浪涌保護(hù)器迅速把過大的電能泄放掉，從而保證智能光伏匯流箱內(nèi)各元器件正常工作不受損壞。同時(shí)，需在浪涌保護(hù)器的上端增加熔斷器，其作用是防止因雷擊而產(chǎn)生的續(xù)流對浪涌保護(hù)器及其線路造成損壞；在維護(hù)浪涌保護(hù)器時(shí)，直接斷開熔斷器即可對浪涌保護(hù)器進(jìn)行操作；防止因浪涌保護(hù)器老化而造成線路故障。

2.3 智能監(jiān)測單元

由于光伏電池組件造價(jià)高，光伏陣列的占地面積大，光伏組件布置相對分散，對光伏組件的監(jiān)測及控制顯得尤為重要。對此，根據(jù)現(xiàn)場需求的實(shí)際情況，研發(fā)設(shè)計(jì)出安全可靠性相對較高，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定的就地監(jiān)測控制單元。并設(shè)計(jì)通過RS485接口，遵循Modbus通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與就地監(jiān)測控制單元的通訊，使用上位機(jī)人機(jī)對話界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。

2.3.1 就地監(jiān)測控制單元組成

就地監(jiān)測控制單元主要由開關(guān)電源、霍爾傳感器、開關(guān)量采集模塊、RS485通訊接口、就地顯示模塊、就地鍵盤控制等元器件組成，組成框圖見圖2。

圖2 就地監(jiān)測顯示控制單元組成

2.3.2 就地監(jiān)測控制單元功能

1）電流監(jiān)測功能。該智能光伏匯流箱內(nèi)電流的采樣，是選用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對光伏電流的隔離測量。霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)有一半導(dǎo)體薄片，假設(shè)以三維空間的視角來看，在其Y軸方向施加一個(gè)一定強(qiáng)度的磁場，在X軸方向通以電流，則在此半導(dǎo)體薄片的Z軸方向會產(chǎn)生電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢就是霍爾電勢。設(shè)計(jì)霍爾傳感器輸入，信號類型為：0～50 mA，輸入回路數(shù)：18路（16路排線輸入，信號電流0～50 mA；2路接線端子輸入，信號電流0～50 mA），共負(fù)端；預(yù)留16路模擬量接插件輸入接口（排線輸入，信號電流0～50 mA）；通過撥碼開關(guān)控制實(shí)際輸入回路數(shù)。

2）開關(guān)量監(jiān)測功能。就地監(jiān)測控制單元設(shè)計(jì)有3路開關(guān)量輸入無源接點(diǎn)，用于采集直流斷路器、防雷器等輸出空接點(diǎn)的狀態(tài)，并將工作狀態(tài)通過RS485通訊傳至上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3）溫度及濕度監(jiān)測控制功能。設(shè)計(jì)熱電阻輸入1路，檢測精度0.1℃；溫度的上/下限可以設(shè)定。配置無源繼電器接點(diǎn)輸出2路，容量為AC 220 V，5 A，用于控制驅(qū)動(dòng)加熱器和風(fēng)機(jī)的工作；并將工作狀態(tài)及溫度通過主控板RS485通訊傳至上位機(jī)。

4）就地顯示功能。就地?cái)?shù)碼管循環(huán)顯示每通道的輸入電流。通過設(shè)置撥碼開關(guān)的位置，可以選擇常亮和自動(dòng)熄滅節(jié)電2種模式，0ON為自動(dòng)熄滅節(jié)點(diǎn)模式，1OFF為常亮模式。

2.3.3 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件

針對該智能光伏匯流箱，設(shè)計(jì)研發(fā)了以RS485為接口，遵循Modbus通訊協(xié)議的上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制軟件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控各路光伏組件串聯(lián)回路的電流，并提供光伏陣列輸出電壓、斷路器工作狀態(tài)及防雷器工作狀態(tài)。可以根據(jù)需要，進(jìn)行匯流箱監(jiān)測單元地址設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)循環(huán)顯示設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示時(shí)間間隔設(shè)置，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、查詢、報(bào)表分析、圖形分析、通信調(diào)試等。

2.3.4 通訊功能的實(shí)現(xiàn)

智能監(jiān)測控制單元與上位機(jī)之間的通訊采用RS485的通訊方式。RS485采用差模信號傳輸方式，與地電平無關(guān)，因而其抗干擾的能力強(qiáng)，即便在信號電壓較小的情況下也可獲得穩(wěn)定的傳輸。

1）讀寫寄存器內(nèi)容。使用Modbus功能碼03（03H）、04（04H）可訪問地址表中的所有內(nèi)容，使用功能碼06（06H）可寫單個(gè)寄存器數(shù)據(jù)，使用功能碼16（10H）可寫連續(xù)寄存器數(shù)據(jù)，表格中的數(shù)據(jù)地址為十進(jìn)制格式，1個(gè)地址代表1個(gè)Word數(shù)據(jù)。

2）開關(guān)量輸入的讀取。用Modbus的功能碼02（02H）訪問相應(yīng)地址表中的內(nèi)容，其中1=ON，0= OFF。

3）開關(guān)量輸出狀態(tài)的讀取。用Modbus的功能碼01（01H）訪問相應(yīng)地址表中的內(nèi)容，其中1=ON，0=OFF。

4）波特率設(shè)置。通過撥碼開關(guān)上撥碼6和7位置來設(shè)置通訊的波特率，設(shè)置方法見表1。

表1 波特率設(shè)置

5）通訊調(diào)試。通電前檢查電源是否連接正確；通電后，觀察電源燈是否點(diǎn)亮，若不亮則表明電源未加上；觀察運(yùn)行燈是否閃爍，若不閃爍，表明模塊沒有正常運(yùn)行；只有當(dāng)通訊指示燈閃爍時(shí)，才表明通訊建立起來。設(shè)置上位機(jī)查詢時(shí)間間隔，由于總線是半雙工方式，上位機(jī)應(yīng)設(shè)定適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)模塊應(yīng)答命令的長短和波特率決定，時(shí)間間隔設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致通訊失敗。

3 結(jié)語

隨著國內(nèi)光伏電站的大面積建設(shè)，智能光伏匯流箱的設(shè)計(jì)也變得日益重要。該智能光伏匯流箱具有較全面的監(jiān)測保護(hù)功能，能夠就地顯示各回路工作狀態(tài)，通過與上位機(jī)的通訊，能夠通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，能夠?yàn)楝F(xiàn)場維護(hù)人員提供維護(hù)數(shù)據(jù)。方便了光伏電站的整體監(jiān)測控制，有利于整個(gè)光伏電站的智能化、數(shù)字化。目前，該智能光伏匯流箱已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，實(shí)踐證明，智能光伏匯流箱工作穩(wěn)定且簡單實(shí)用，能很好地實(shí)現(xiàn)光伏電站工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

［1］史朝暉，劉曉茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.電氣技術(shù)，2011（3）：93-96.

TM615

B

1004-4620（2014）03-0072-02

2013-09-17

王曉東，男，1981年生，2003年畢業(yè)于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)。現(xiàn)為山東省冶金科學(xué)研究院研創(chuàng)中心助理工程師，從事光伏逆變器設(shè)計(jì)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。