太陽能微逆變器監控系統通信方式分析

朱海凌

太陽能微逆變器監控系統通信方式分析

朱海凌

（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院 廣東 深圳 518055）

通過對微逆變器系統的研究，探索此系統的通信方式，對比了太陽能微逆變器系統數據的2種傳送方式，一種是以電力線傳輸方式，性能穩定，效率高成本低易于實現，但需要鋪設網線；另一種是通過無線方式實現，借助于運營商，通過GPRS數據傳輸，不受地域限制，但這種方式成本高，受天氣周圍環境影響．

微逆變器; 光伏發電系統; 監控；電力線

隨著環境保護意識的增強，再生能源和環保能源越來越受關注，太陽能發電已成為全球關注的熱點．IHS預測：2013年全球光伏系統裝機量將達到35 GW，而2014年的安裝量將增加15%，達到40 GW左右．中國發改委2014年規劃光伏系統裝機量12 GW目標，其中分布式光伏的規模占8 GW．2014年，日本、拉丁美洲和東南亞等新興市場將進一步促進光伏產業的發展．在光伏投資方面，IHS預測2014年全球在光伏設備和產量上的投資將增長42%[1]．而英國預計在2030年全部取消燃煤發電[2]．大規模的投資有力地推動了技術進步，從而使太陽能光伏發電技術日趨成熟，而對太陽能發電系統的管理就尤為重要．太陽能微逆變器監控系統，即分布式光伏發電系統，就是每塊太陽能電池板都連接微逆變器將太陽能轉換成電能，單獨記錄每個微逆變器的發電量及工作狀況并將此參數傳送到監控器，通過監控器實時觀察每塊太陽能板、微逆變器的狀態．本文對基于電力線傳輸和無線網絡傳輸的通信方式進行了闡述．

1 太陽能微逆變器系統的特點

太陽能微逆變器是小功率逆變器，它直接接至每一塊太陽能電池組件將其輸出的直流電轉換成交流電．微逆變器的光伏發電系統由于各組件之間相互獨立，它可以減少因不匹配造成的功率損失，使光伏系統設計更加簡單和靈活，而且沒有高壓部分也不需要使用直流設備，可以降低成本和提高安全性．此系統采用的是分布式并聯發電系統，這種系統最大的特點是功率相對較小，利用存在于用戶附近的各種能源像就近發電并網，可以有效利用當地資源．系統的優化和監控都達到了組件級，從而在整體上給系統提供了更優的性能．同時，這也增強了系統的穩定性，使系統易于擴展．

2 太陽能微逆變器監控系統通信方式

太陽能微逆變器監控系統可以概括為：逆變系統、信息采集系統、傳輸系統和監控系統組成，如圖1所示．逆變系統就是從太陽能發電板上采集到的直流電通過微逆變器將其轉換為交流電，完成D/A轉換；其次是信息采集系統，根據每個逆變器采集到逆變回來電壓電流信號的強度計算出功率和發電量，將其數值轉換成數字信號，并按照一定的通信協議用字節表述；傳輸系統就是將采集到的數字信息傳輸到監控終端；監控系統則是將傳輸來的每個逆變器的信息通過軟硬件解析出來用顯示器展示，從而可以監控到每個微逆變器的狀態及發電量．信息采集系統、傳輸系統和監控系統每一部分都有多種軟硬件方案，在此討論其傳輸系統的2種通信方式：電力線傳輸通信和無線傳輸通信．

圖1 微逆變器監控系統框圖

2.1 電力線傳輸的通信方式

電力線傳輸就是利用電網進行電力線載波通信實現數據傳輸．這種通信方式無需重新布線，具有實用、方便、成本低等優點[3]．圖2是基于電力線傳輸的微逆變器監控系統，逆變系統從太陽能發電板上采集到的直流電通過微逆變器將其轉換為交流電，完成D/A轉換，在市電網中并網傳輸．信息采集系統根據每個逆變器采集到逆變回來電壓電流信號的強度計算出功率和發電量，將其數值轉換成數字信號，并按照一定的通信協議用字節表述．數據信息包括采集時間、逆變器信息、電壓、電流、功率、發電量、溫度、濕度等．傳輸系統就是將采集到的數字信息通過正交調制的方式在電力線中傳輸；監控系統則是將電力線傳輸來的每個逆變器的信息通過軟硬件解析出來用顯示器展示，從而可以監控到每個微逆變器的狀態及發電量．可以在監控系統接收端引入媒體網關將媒體網關接入傳輸系統并接入公共網，從而使每個具有授權的用戶都可以都通過網絡觀測到微逆變器的狀態，這就是電力線傳輸通信系統．

在此信息采集系統中采集數據的方式有多種，本方案采用Mi200E芯片完成，這是一款專門針對低壓電力線進行優化設計的高集成度高性能的電力線載波通信芯片，外圍電路簡單．當然也可以通過單片機或DSP完成，這種通信方式適合遠距離傳輸信號．每塊太陽能板位置ID，發端傳輸數據通過協議發送接收點可以知曉每個ID的狀態；通過媒體網關，將采集到的信號通過網絡遠距離傳輸，遠程將數據存放在服務器上，通過網絡終端實時觀察到每個逆變器的狀態，如圖3所示．其優點是遠程監控性能穩定，只要有電網就可以傳送信號．缺點是對大量太陽能板監控必須要利用媒體網關和服務器，如圖4所示，這種監控要有公共網絡存在，否則無法進行遠程監控．

圖2 基于電力線傳輸通信的微逆變器監控系統

圖3 電力線傳輸的微逆變器通信系統

圖4 電力線傳輸的網絡圖

在上述基礎上進行改進，每個太陽能電池板都連接一塊微逆變器，每個網關節點可以檢測多個微逆變器，每個網關節點存儲的數據通過網絡傳輸至中心服務器進行存儲，從而可以通過網絡觀察到每個監控網關乃至每塊太陽能電池板的發電狀態．這種就是基于電力線傳輸的遠程監控服務系統．

2.2 無線網絡傳輸方式

此系統也包括逆變系統、信息采集系統、傳輸系統和監控系統4部分．逆變系統包括太陽能電池板，微逆變器，負責將直流電壓轉換成交流電的功能．信息采集系統將采集到的數據按照協議方式編碼；而傳輸系統則將采集到的信息通過GPRS模塊調制傳輸；通過無線通信網絡傳送至監控中心相連的GPRS模塊，負責收集各個監測站點上傳的監控信息，并發送各種操作命令以控制監測站點的行為[4]．

這種監控系統適合于無人值守的，少維護的偏遠地區的光伏地區，無需鋪設網絡，借助于無線通信系統，將太陽能板的環境、工作狀態進行實時檢測，通過網絡傳輸至監控中心．但其穩定性受到天氣等外界的影響，成本較高．

圖5 無線傳輸系統

3 監控軟件配置

用于遠程監控的軟件有多種：①可以采用Visual B軟件進行編程，系統完整，基于所采集的信息已經存入數據庫中，面向對象的可視化界面，美觀大方，從系統檢測、數據處理、信息查詢3個基本界面和用戶管理、參數設置、幫助等界面組成，每個界面都完成一定的功能，但它是一個功能豐富的虛擬系統[5]．②可以用C++ builder進行編寫監控程序[4]，高性能可視化集成開發工具，有對象觀察器、控件板、工程管理器、集成編輯器和調試器等一系列可視化快速應用程序開發（RAD）工具，可以很輕松地建立和管理自己的程序和資源．③用Labview軟件進行，這是通過圖形化編程的語言，可以比較容易的組建監控系統，構造人機友好界面，開發維護方便，無需編寫繁瑣的計算機代碼，簡化程序設計，而且檢測者可以直觀、形象、方便的觀察到檢測的狀態[6]．④還可以采用java軟件進行編寫，直接將數據存入數據庫，快速、方便，界面簡潔，后臺維護方便．

[1] 2014年全球光伏安裝量將超40GW[OL]．http://www. nea.gov.cn/2014-01/09/c_133030576.htm[2014-01-09].

[2] 2030年英國可能取消全部燃煤發電[OL]．http://www. in-en.com/finance/html/energy_09160916902112027.html [2014-01-14]．

[3] 邵祥兵，溫秀蘭，唐桂富，等．基于電力線傳輸的網絡型溫濕度監控系統設計[J]．研究與開發，2011，30（12）：41-43．

[4] 彭繼慎，李文帥，李秋香．太陽能光伏發電無線遠程監控系統的研究與設計[J]．計算機測量與控制，2012（12）：3228-3231．

[5] 王淼．太陽能遠程監控系統[J]．電氣技術，2011（12）：59-62．

[6] 高立艾，唐娟，于華麗．基于太陽能的無線室溫環境檢測系統的設計[J]．江蘇農業科學，2013，41（1）：372-374．

Communication Mode of Solar Micro-Inverters Monitoring System

ZHU Hailing

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055,China）

Communication mode of micro inverter system is dealt with. After a theoretical analysis, a comparative study of two types of data transmission of the solar micro inverter system is made. The one transmitted on power line is characterized by stable performance, high efficiency, low cost and easy realization, but it is cable-based; the other one transmitted on the wireless way transmits data by GPRS with the help of operators, it’s regional-free, and easily influenced by weather and surroundings, but it is expensive.

microinverter; photovoltaic system; monitor; power line

TM464

A

1672-0318（2014）03-0021-03

2013-11-18

朱海凌（1965-），江蘇人，副教授，主要研究方向為移到通信技術．