多通道光伏匯流箱在線監控系統的研究

陳鳴+麥倩屏

摘 要： 光伏匯流箱是光伏發電系統中必不可少的設備，對光伏匯流箱監測可以提高光伏電站運維水平。該文采用遞推最小二乘法來測量光伏陣列電流，減小了隨機測量誤差的干擾，使測量值更加接近真值，提高了測量精度，并利用 LabVIEW對光伏匯流箱設計一個多通道在線光伏陣列電流數據采集系統。實驗結果證明，該系統監控界面能同時實現8個通道的電流數據實時顯示、數據保存、故障警示等，可有效地觀測出每一路組件的工作情況。

關鍵詞： 光伏匯流箱； 多通道電流巡檢； 遞推最小二乘法； 匯流支路故障定位

中圖分類號： TN948.64?34； TP274.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0172?04

Abstract： The photovoltaic （PV） combiner box is an essential device of photovoltaic power generation system， and monitoring for it can improve the operation and maintenance level of PV power plant. The recursive least square （RLSE） method is used to measure the current of PV array， which can reduce the interference of random measurement error， make the measured value closer to the true value， and improve the measurement accuracy. The LabVIEW is used to design a multi?channel online PV array current data acquisition system for PV combiner box. The experimental results demonstrate that the monitoring interface of the system can realize the real?time display， data storage and fault alarm for 8?channel current data simultaneously， and the system can observe the working condition of the components of each channel.

Keywords： photovoltaic combiner box； multi?channel current inspection； recursive least square method； fault location of combining branch

0 引 言

在傳統化石能源不斷減少的今天，同時人們認識到火力發電排放大量的污染物對環境造成了十分嚴重的危害，為了降低污染物的排放，采用新能源發電是減小污染物排放的一個重要途徑。 而光伏發電[1]作為一種高度清潔的能源技術，幾乎不產生污染物，越來越得到大家的重視。隨著光伏電站規模的擴大，由于太陽電池的串并聯特性[2]，使光伏匯流箱的應用得到廣泛應用。特別是大型屋頂光伏電站，由于云層、飛鳥、塵土遮擋等引起光伏組件熱斑效應以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使導線的絕緣受到破壞，引起匯流支路的故障，進而造成光伏發電站的發電量降低，所以對光伏匯流箱的監控就變得尤為重要。文獻[3]通過分析該匯流箱組串電流離散率，定位電流偏低和電流值的異常組串，但不能做到在線實時判斷異常組串。文獻[4]通過單片機控制固態繼電器的通斷來實現故障光伏組串的投入和切除，可是沒有實時保存運行數據。本文在研究光伏匯流箱[5?7]的基礎上，研究設計了一種多通道光伏匯流箱在線監控系統，采用遞推最小二乘法算法來測量光伏陣列電流，減少測量誤差，使測量值更加接近真值，該在線監測系統基于LabVIEW的特點，可以實時監測每路引到匯流箱的匯流支路電流和電壓，由于光伏組件的反向并聯二極管和匯流支路中的二極管的鉗位作用[8]，各匯流支路匯流后的電壓是相同的，即所有陣列電壓是相同的，同時在線處理大量的測試數據，判斷和定位故障光伏組串。

1.2 利用Matlab的仿真計算

利用Matlab語言強大的運算功能，可對量測數據進行處理。因為是仿真在線測量，所以利用三角波模擬測量信號，同時根據所需辨識的參數只有一個參量，取測量矩陣的維數為1×1。圖1是參數辨識的結果，圖2是參數辨識誤差。

圖1中實線是在線輸入的測量值，虛線是參數估計真值，從圖2中可以看出，隨著量測次數的增大，辨識精度逐步提高，并到達一個工程上可以接受的范圍。圖2中的小圖是辨識精度放大后的情況，可以看出在三角波模擬測量值的情況下其辨識精度達到±0.012。從仿真計算中看到，遞推最小二乘算法能快速準確地估計出需測量的參數真值，獲得較好的辨識結果，同時計算量沒有大幅增加，說明這種辨識方法更適用于計算機在線辨識。

2 光伏匯流箱在線監控系統

2.1 電流巡檢電路

根據流入匯流箱的電流是直流電流的特點，電流巡檢電路采用直流分流器來采集電流信號，直流分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，測量電壓正比于被測電流，具有良好的準確度、線性度和穩定性。一般直流分流器的滿負荷電壓是75 mV，其滿量程是15 A分流器的電阻值為0.075 =0.005 Ω，最大功率損失是1.125 W。由于電流信號是通過分流器得到的，其數值是小于1 V的，為低電平信號，為了抑制接地回路感應誤差，同時在一定程度上抑制拾取環境噪聲，采用差分測試系統。圖3所示是一個8通道差分測試調理電路，通過三個地址端A2，A1，A0控制8選1模擬開關CD4051，可以確定工作通道。使用運算放大電路可以減小模擬開關的誤差。

當改變電阻的比值，可以改變式（9）中的量測比值，同時符合電流分流器的要求，使測量的數值轉換為實際數值。差分測試調理電路與計算機連接采用NI公司的 USB?6009多功能數據采集卡，它具有8個模擬輸入通道和12條數字I/O線，利用其中3條數字I/O線可以通過軟件確定A2，A1，A0的數值。

2.2 系統軟件設計

軟件開發環境采用LabVIEW。LabVIEW是美國NI公司開發的一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，又稱G語言[12]，其包含大量用于數據采集、分析、顯示與存儲的工具和函數。根據遞推最小二乘算法的公式，每一次新的量測真值的估計值計算，是利用新的采集數據對前一次的估計值進行修正，這樣需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多個公式組成，在軟件實現上使用LabVIEW提供的公式節點，圖4是利用公式節點實現遞推最小二乘算法的程序框圖。因為在線測量8路光伏陣列電流，系統設計前面板上放置8個波形圖控件和報警控件，分別實時顯示8路光伏組件電流量測真值的估計值變化和報警提示。由于檢測系統是采用多路復用的調理電路，同時確定每路的電流采樣頻率是1 次/s，對8路通道測量，需每隔125 ms轉換一路，可以用LabVIEW的定時器進行時間設定，每125 ms產生一個順序改變測量通道信號。通過 USB?6009多功能數據采集卡的數字I/O線控制調理電路的采集通道，同時通道信號連接對應的通道程序框圖，每個通道的程序框圖中都含有遞推最小二乘算法的公式節點，用于處理電流的采樣數值。這樣系統對每一通道光伏陣列電流的情況，每1 s自動保存一個新數據到對應的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存儲在計算機中，1 min保存60個電流測量真值估計值數據，并且以當日的監測日期作為文件名保存測試結果，并在計算機屏幕上實時顯示，這些電流數據為日后故障檢測進行數據分析提供了大量有用的信息，數據自動保存在預設的路徑中，極大地提高了工作效率。同時使用LabVIEW的數組功能，每分鐘判斷每路電流測量值的差別，當一路光伏陣列電流連續10 min測得數據小于其他光伏支路的電流，說明該條光伏支路有故障，在前面板上給出故障支路編號信息，進行報警提示，同時通過多功能數據采集卡的數字I/O線進行控制，使出現嚴重故障的光伏支路脫離匯流箱，其軟件設計流程圖見圖5。

圖6主要反映最近2 min內第3支路光伏陣列電流的變化情況。從圖6可以看出，在這段時間被測光伏電流變化不是很大，說明采用遞推最小二乘算法可以很好地反應出被測量的真值，減小了隨機測量誤差的干擾。

3 結 論

通過采用遞推最小二乘法使在線測量的電流更接近真值，并利用 LabVIEW對光伏匯流箱設計一個多通道在線光伏陣列電流數據采集系統。監控界面能同時實現8個通道的數據實時顯示、數據保存、故障警示和匯流支路故障定位等，對光伏電池組件進行實時監測，可有效地觀測出每一路組件的工作情況。若匯流支路出現開路、漏電等故障，進行匯流支路故障定位，這樣可縮小巡檢組件陣列故障的范圍。實驗結果表明，本系統可以完成長時間采集，不會出現數據的丟失問題，并且可以根據實際的需要擴充至更多通道的實時采樣和分析并附加控制功能。

參考文獻

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