光伏發電系統實驗平臺電能質量監測系統設計

李畸勇，胡 恒，王紀港，江俊賢，郭凱航，劉有強，黎遠梅

（1. 廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西電力系統最優化與節能技術重點實驗室，廣西 南寧 530004）

光伏發電作為一種重要的發電形式，正逐步進入大規模發展階段[1]。很多高校相繼開展了光伏發電實驗平臺的相關研究，并將其用于實驗教學當中，以此來提高學生的實踐動手能力。隨著一些高校對開放性實驗教學方式探索與改革的進行[2]，光伏發電系統實驗平臺也相繼對學生自由開放。此舉雖能有效地提高實驗教學質量，但由于學生對實驗設備操作不熟練，給實驗人員的安全及實驗平臺保護提出了新的挑戰。

現有實驗平臺的保護功能只包括功率限制保護、孤島保護、蓄電池充放電保護、光伏板組件短路保護[3]等形式，并沒有涉及到由于逆變模塊發生故障，使輸出的電能質量嚴重下降而導致模擬負載受損的保護。本文主要以保證實驗人員安全及延長光伏發電系統實驗平臺壽命為前提，依托廣西大學能源與微電網實驗室為研究背景，對基于 LabVIEW 的光伏發電系統實驗平臺電能質量監測系統進行了研究，提出了系統的設計實現方案。

1 光伏發電系統電能質量要求

電能質量標準是保護電器設備的根本依據，電能質量不滿足要求可能會導致電器設備壽命降低甚至損壞。為了更好地指導我國光伏發電的建設與電能質量的監控治理，我國已經制定并頒布了光伏并網中的電能質量的規范標準。本文主要依據國家發布的技術規范GB/T 19939—2005《光伏系統并網技術要求》[4]作為電能質量參數標準。

2 監測系統總體設計

光伏發電系統實驗平臺電能質量監測系統由光伏發電系統實驗平臺、信號調理電路、NIcDAQ-9174數據采集卡和系統軟件構成，總體結構框圖如圖1所示。

圖1 光伏發電系統實驗平臺電能質量監測系統總體結構圖

光伏發電系統實驗平臺采用LL-T017太陽能發電系統教學研究實驗平臺，其集光伏板、蓄電池、逆變模塊及模擬負載單元等于一體。

信號調理電路（見圖2）采用Altium Designer進行設計[5]，運算放大器采用 LM324[6]，能在高共模信號的條件下正常工作，且產生的靜態電流極小，在大部分運行環境下，不必添加外部偏置元件即能可靠運行。在電壓輸出側，采用2個穩壓二極管和1個電容進行穩壓濾波[7]?？紤]到光伏發電系統所產生的電流的特點，電流信號通過基于閉環磁平衡原理的HCS-LTSR型霍爾電流傳感器進行采集，可有效地檢測出非常規形狀的電流波形或脈沖，十分適合運用于光伏發電系統，后續結構和電壓信號調理電路，其輸出同樣采用的是2個穩壓二極管和1個電容進行穩壓濾波。

圖2 調理電路原理圖

數據采集卡采用NI cDAQ-9174，其為一款4槽NI Compact DAQ USB機箱，適用于小巧便攜的混合測量測試系統。cDAQ-9174擁有4個內置的32位通用計數器/定時器，用戶可以通過相關的設置來實現事件計數、脈沖序列生成以及周期或頻率測量等功能，其測量的數據和電壓電流、數字信號，通過單根線路的USB電纜即可傳輸至計算機。圖3為系統數據采集硬件組成圖，用于對逆變而成的三相電壓電流進行采集。

圖3 數據采集硬件組成圖

基于 LabVIEW 的系統軟件則是整個系統的核心部分，實現對采集到的數據進行實時波形顯示、電能質量實時分析計算以及電能質量越線警告等功能，使實驗人員在電能質量符合要求的情況下接入模擬負載單元進行實驗，可避免因電能質量不滿足要求而導致其損壞的情況。

3 系統軟件設計

3.1 軟件開發平臺

系統軟件采用圖形化編程語言 LabVIEW 進行編寫[8-9]，在系統軟件設計過程中，調用了 NI-DAQmx驅動軟件，只需對函數選板中 DAQ助手進行采樣率等參數配置即可實現數據采集；同時本文將源程序生成了可安裝的應用程序，可使系統軟件脫離開發環境運行，便于系統軟件的發布[10]。

3.2 軟件設計

軟件設計過程中還考慮了后期改進過程中二次開發優化的可能性，采用子程序調用及模塊化組合結構，可使軟件方便擴充更新[11]。軟件由數據采集模塊、信號消噪模塊、數據處理模塊、電壓偏差計算模塊、頻率偏差計算模塊、諧波監測模塊和報警模塊構成，當某一參數發生越線時，軟件會進行聲光報警，提示實驗人員及時切除模擬負載。程序設計流程圖見圖4。

圖4 程序設計流程圖

當實驗人員啟動監測系統后，系統進行初始化，隨后開始采集信號，對采集到的信號進行消噪及還原；然后計算電壓偏差波動、頻率偏差以及諧波%THD。當計算結果在越線值內，則亮綠燈示意可以進行實驗；如果某一計算結果達到越線值的90%時，亮黃燈預警；當超過越線值時，亮紅燈警示，并發出對應該情況的語音越線報警，實驗人員發現此情況應立即停止實驗，切除負載單元，避免其受到損壞。

3.3 軟件關鍵部分設計

（1）信號消噪的實現。在信號的采集過程中，由于模擬元件PN結的散粒噪聲及電阻熱噪聲的存在[12]，會使一些高頻噪聲混入有用信號，會對電能質量監測產生一定影響，故本軟件采用的是能夠對電能質量的干擾信號進行定位和檢測的db4小波去噪[13]，并利用Matlab script節點技術將LabVIEW與Matlab結合，實現小波去噪程序的編寫，具體程序框圖如圖5所示。

（2）電壓偏差計算。電壓偏差又稱電壓偏移，是指正常工作情況下，系統中某一節點的實際電壓與系統額定電壓的差值[14]，電壓偏差過大會降低用電設備的使用效率。電壓偏差的計算式如下式：

圖5 小波去噪程序框圖

式中，δU為電壓偏差，U0為實際電壓，UN為系統額定電壓。

電壓偏差計算程序框圖見圖6。

圖6 電壓偏差計算程序框圖

（3）頻率偏差計算。頻率偏差即電力系統運行的實際頻率與系統額定頻率的差值，頻率偏移會使電動機轉速產生偏移，從而導致生產次品。頻率偏差的計算如下式[15]：

式中，Δf為頻率偏差，f0為系統實際頻率，fN為系統額定頻率。

頻率偏差計算程序框圖如圖7所示。

圖7 頻率偏移計算程序框圖

（4）諧波%THD計算。諧波是指對周期性非正弦交流信號進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量[16]。諧波的危害性很大，會嚴重影響電器設備工作。這里主要討論整數次諧波，以電壓諧波分析為例說明。諧波電壓的含有率HRUn的計算式如下：

式中，Un表示的是n次諧波的電壓有效值，U1表示的是基波電壓有效值。諧波電壓含量UN，計算表達式如下：

電壓總諧波畸變率THD計算如下式：

實現此功能的程序框圖見圖8。

圖8 諧波%THD計算程序框圖

4 系統運行測試

在完成上述設計后，需要對系統進行聯合調試及性能測試。測試系統包括LL-T017太陽能發電系統教學研究實驗平臺、信號調理電路、信號采集電路以及監測軟件。首先將信號調理采集電路連接至實驗臺逆變電源輸出側，之后開啟實驗平臺，運行監測軟件，從監測軟件界面可觀察到實驗平臺各項參數正常，無警報發生。監測系統軟件界面見圖 9。最后將模擬負載中的三相交流電機投入運行，可觀察到電機運行穩定正常。

以上系統測試結果表明，系統各模塊工作正常，可實現光伏發電系統實驗平臺電能質量監測功能。

經過長時間穩定測試，整個系統可靠性高，運行穩定，各項功能均達到了預期設計目的。

圖9 監測系統軟件界面

5 結語

目前該系統已應用于廣西大學新能源與微電網實驗室，大大降低了光伏發電系統實驗平臺中模擬負載，尤其是交流電機的損壞率，有效提高了實驗教學效率，同時節省了大量的人力物力，具有良好的應用前景。針對該系統存在造價過高及系統較龐大這一缺陷，目前已經開始研制第二代產品，有望能得到進一步的推廣。