CN104009705B - 光伏发电系统特性数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统特性数据采集装置及方法，以实现高速率测量并长时间记录光照温度等环境条件和电池板的实际工作状态，本发明不仅对光照、温度等气象数据进行实时监控，同时也对光伏电池的IV特性曲线与最大功率点等工作状态进行数据采集，并且数据采集速率提高到1秒一次工作点数据采集，10秒一次IV特性曲线扫描；在每次数据采集中不仅采集光伏电池在工作点的数据，而且扫描了光伏电池的IV特性曲线，记录光伏阵列的长期工作状态。本发明大大缩减了数据采集间隔，并且能够检测光伏电池的IV曲线、获取长期大量的光伏电池板特性数据，为今后光伏电站的研究与设计提供了宝贵资料。

Description

光伏发电系统特性数据采集装置及方法

技术领域

本发明属于电气工程与通讯工程技术领域，应用于光伏电站的数据采集与监测系统中。

背景技术

近年来，并网太阳能光伏电站得到了迅速发展，由于现有电网主干部分大多成型，分布式光伏电站接入较为普遍。而大量的光伏电站接入后，会对配电网的电能质量产生一定的影响，因此需要采集光伏电站的遥信、遥测数据。目前光伏电站的数据采集在技术上仍有一些关键问题有待解决，例如：

1)光伏变换器设计方面——①光伏阵列最大功率点的变化速率不明确，难以给出合理的跟踪速率；②与单台变换器相连的局部光伏阵列出力变化速率不明确，难以从变换器输出功率变化率的要求出发确定变换器内储能元件(如直流母线电容)的参数。

2)光伏电站设计方面——①缺乏足够的数据以准确估算电站总能量产出；②光伏变换器集群的出力变化速率不明确，难以从电站输出功率变化率的要求出发确定电站内储能设备(如蓄电池)的参数。

3)电站监控方面——①缺乏足够的数据进行预防性维护，以保证电站稳定运行和防范潜在风险；②无法持续优化电站的运营管理和全寿命周期的产出。

4)电网规划方面——①缺乏足够的数据以准确估算光伏电站的置信容量；②尚不充分了解光伏电站出力变化对电网产生冲击的概率和大小。

上述这些重要问题都与光伏阵列发电能力的变化规律密切相关，因此需要对其进行深入而细致的研究。决定光伏阵列发电能力的因素有二：一是环境因素，二是光伏电池本身的特性。

目前考量环境因素的主要依据是气象数据。但是这些数据的采集和记录速率很低，通常以小时为单位，远远低于光伏电站和电力系统中电磁能量变化的时间常数，因此不能满足实际需求。此外，这些数据是按气象行业相关标准测得的，而没有考虑实际光伏电池的应用特性，因此不能准确反映光伏系统的运行情况。环境因素与光伏阵列运行状态的关系复杂(例如电池出力和组件温度会相互影响)，仅从环境条件难以准确推算实际发电能力，因此需要直接测量光伏阵列在实际应用环境中的特性。

目前一些已建成的光伏电站配有监测系统，可记录环境和运行状态。但电站的运行受很多因素的制约，不能长期保证理想的测量条件，且目前已有的电站监测解决方案的采样速率较低。另外，光伏发电与地理位置密切相关，实际环境的测量和发电能力的估算应当在电站建成之前(设计时)进行。

由美国国家新能源实验室(NREL)、德国宇航局(DLR)等数十家机构共同参与的太阳能风能资源评估(SWERA)项目提供了有关太阳能和风能的气象数据，但这些数据采样率太低，且很多数据不是直接实地测得的，而是通过卫星照片估算的。

在光伏阵列特性测试方面，前人已有很多研究经验。主要的光伏阵列伏安特性测试方法有两种：电子负载扫描法和动态电容扫描法。遗憾的是，这些测试没有考虑光伏阵列在实际发电系统中的工作状态，且尚未见附带环境数据的长期记录结果发表。

在光伏阵列长期记录方面，也有一些研究成果发表。这些文献研制了长期测试记录光伏阵列实际发电情况的设备。然而，其采样速率较低，且仅记录当前工作点的数据，没有对整个伏安特性进行扫描。

综上所述，光伏电站数据采集的现有技术中主要存在如下问题：数据采集速率较低、数据采集总量不足、没有考虑光伏阵列在实际发电系统中的状态、缺乏长期的记录。

发明内容

为了解决上述问题，实现高速率测量并长时间记录光照温度等环境条件和电池板的实际工作状态，本发明提供了一种专用于考查光伏电池发电能力的综合数据采集技术——光伏发电系统特性数据采集装置及方法，不仅对光照、温度等气象数据进行实时监控，同时也对光伏电池的IV特性曲线与最大功率点等工作状态进行数据采集，并且数据采集速率由之前的几小时一次提高到1秒一次工作点数据采集，10秒一次IV特性曲线扫描；在每次数据采集中不仅采集光伏电池在工作点的数据，而且扫描了光伏电池的IV特性曲线，并且能够长期采集监视光伏电池板的工作状态，记录光伏阵列的长期工作状态。

本发明的光伏发电系统特性数据采集装置包括：光伏电池板、切换开关、蓄电池、上位机、驱动电路、数据采集模块、充电电路、能量泄放电路、IV曲线扫描电路、主控制芯片、GPRS模块、SD卡存储设备；数据采集模块包括传感器、信号调理电路、AD采样电路；其中，光伏电池板一端通过数据采集模块与主控制芯片连接，另一端依次连接切换开关、充电电路、蓄电池、能量泄放电路；切换开关与IV曲线扫描电路连接；主控制芯片通过驱动电路与切换开关、充电电路、能量泄放电路连接，并且所述主控制芯片还与数据采集模块、SD卡存储设备连接；主控制芯片、GPRS模块、驱动电路、传感器、信号调理电路及AD采样电路都由蓄电池供电；

数据采集模块：用于采集光照强度和温度；

充电电路：用于在光照强度足够时，从被测的光伏电池板取电，并向蓄电池充电；

能量泄放电路：用于蓄电池充满后，消耗掉多余的电能；能量泄放电路由主控制芯片控制，当电池电压高于预设的阈值时启动；

IV曲线扫描电路：光伏电池伏安特性扫描电路间歇式工作，扫描时，充电电路和能量泄放电路构成的主电路停止工作；

GPRS模块与SD卡存储设备：与主控制芯片连接，主控制芯片定时发送数据给GPRS模块，通过GPRS模块将采集到的光伏电池板数据无线传输给上位机，并且同时向SD卡存储数据。

进一步，数据采集模块中，光照强度优选采用三种方式采集：直接辐射传感器、散射辐射传感器、参考电池板；温度信息优选在三处采集：大气环境、参考电池板、被测的光伏电池板；

进一步，IV曲线扫描电路的间歇式工作的优选方案是每隔10s切换至扫描电路，进行100ms快速扫描，然后切换回主电路等待下次扫描；

进一步，能量泄放电路预设的阈值优选设为27V；

进一步，充电电路由主控制芯片控制，执行最大功率点跟踪技术，使光伏电池板工作在最大功率点处；最大功率点跟踪技术采用成熟的干扰观察法，并以伏安特性扫描结果为参考；

进一步，主控制芯片向GPRS模块发送数据的时间间隔优选是10s或20s。

本发明的光伏发电系统特性数据采集方法，使用上述光伏发电系统特性数据采集装置，包括如下步骤：

步骤一：采集光照强度和温度；光照强度优选采用三种方式采集：直接辐射传感器、散射辐射传感器、参考电池板；温度信息优选在三处采集：大气环境、参考电池板、被测的光伏电池板；

步骤二：当光照强度足够时，充电电路工作，从被测的光伏电池板取电，向蓄电池充电；当蓄电池充满时，多余的电能通过能量泄放电路消耗掉；能量泄放电路由主控制芯片控制，当电池电压高于27V的阈值时启动，将多余的能量泄放；

步骤三：充电电路由主控制芯片控制，执行最大功率点跟踪技术，使被测的光伏电池板工作在最大功率点处；最大功率点跟踪技术采用成熟的干扰观察法，并以伏安特性扫描结果为参考；

步骤四：光伏电池伏安特性扫描电路间歇式工作，每隔10s切换至扫描电路，进行100ms快速扫描，然后切换回主电路等待下次扫描；扫描时，充电电路和能量泄放电路构成的主电路停止工作；

步骤五：设置GPRS通讯模块和大容量的SD卡存储设备，每隔10s或20s，主控制芯片定时发送数据给GPRS模块，通过GPRS模块传输数据给上位机，并且同时向SD卡存储数据；主控制芯片，GPRS模块，驱动电路，传感器以及信号调理电路等都由蓄电池供电。

通过采用上述技术方案，本发明取得了如下的技术效果：

1、大大缩减了数据采集间隔。上位机所获取的数据平均10秒更新一次，更加有利于光伏电站工作人员对电池板工作状态进行监控；

2、在不影响光伏电池板正常工作的前提下，能够检测光伏电池的IV曲线，使得对光伏电池板的监控更为全面；

3、能够获取长期大量的光伏电池板特性数据，为今后光伏电站的研究与设计提供了宝贵资料。

根据所测得的数据，可以更细致地考查环境变化及其对光伏发电的影响，进一步了解光伏电池的应用特性，为变换器和电站的设计提供依据，为电网的规划和运行提供参考。例如，这些数据有助于解决下列重要问题：光伏电站出力预测；决定进行最大功率点跟踪的速度；判断电站对电网产生冲击的概率和大小；估算电站置信容量；合理设计储能容量。此外，所研发的技术和设备可用于不同地点、不同光伏组件、不同最大功率点跟踪方法、不同电池板倾角、不同太阳方位跟踪方式的实验比较。

附图说明

图1是本发明光伏发电系统特性数据采集装置实施例结构示意图。

图2是本发明光伏发电系统特性数据采集方法实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，包括了光伏电池板、切换开关、蓄电池、上位机、驱动电路、数据采集模块(包括传感器、信号调理电路、AD采样电路)、充电Buck电路、能量泄放Buck电路、IV曲线扫描电路、主控制芯片、GPRS模块、SD卡存储设备；

其中主控制芯片需要产生至少4路PWM，至少具有12路AD采样功能，具有1路同步串行SPI接口，1路异步串行USART接口。主控制芯片可以采用STM32F103RBT6单片机。

GPRS模块用于将采集到的光伏电池板数据无线发送至上位机，可以采用SIM900模块。

数据采集模块中，通过分压电阻来采集电压，通过电流传感器采集电流，通过光照辐射传感器采集光照强度，通过贴片式温度传感器采集光伏电池板温度，并且经过信号调理电路之后通过AD采样电路使芯片采集到这些数据。

SD卡通过同步串行接口SPI由主控制芯片进行读写操作。

切换开关用于控制IV曲线扫描电路的投切，由于环境光照和温度不会非常剧烈地变化，因此采取10s进行一次光伏电池板IV特性曲线扫描，IV曲线扫描电路工作时，切断充电Buck电路。选择IV曲线扫描电路合适的参数，使得扫描时间控制在100ms，并且在曲线扫描电路工作时，进行高速采样，保证1ms采样一次，得到足够的数据点。IV曲线扫描电路工作完毕之后，切断扫描电路，使得充电Buck电路继续工作。

由于扫描电路的工作时间很短，因此不会影响到光伏电池板的正常发电，在光伏电池板正常发电状态下，使用最大功率点技术之干扰观察法，保证光伏电池板工作在最大功率点，符合实际运行状态。在正常工作时，采集最大功率点时光伏电池板的数据，此时不需要高速采样，保持1s采样一次即可。

采集到光伏电池板的IV曲线数据和正常工作最大功率点数据之后，主控制芯片定时发送数据给GPRS模块，GPRS模块和上位机建立TCP/IP协议之后，GPRS模块将数据发送给上位机，上位机得到数据之后进行存储和分析。同时主控制芯片将数据写入SD卡，作为数据备份。

能量泄放Buck电路用于实现电池能量的管理，保证电池的寿命，根据蓄电池的充电特性，如果电池电压高于阈值，说明蓄电池能量接近充满，则需要泄放电路将多余的能量泄放掉，使得蓄电池工作在浮充状态。并且在光照不足如夜晚和清晨的时候，切断能量泄放电路，避免能量浪费。

图2为本发明实施例的方法流程图。在判断光照大于500lux之后，系统进入白天正常工作状态，实现最大功率点跟踪MPPT算法，并且在电池能量足够之后使泄放电路工作。并且定时扫描曲线，采集数据，并且发送数据。具体步骤如下：

步骤一：采集光照强度和温度；光照强度优选采用三种方式采集：直接辐射传感器、散射辐射传感器、参考电池板；温度信息优选在三处采集：大气环境、参考电池板、被测的光伏电池板；

步骤二：当光照强度足够时，充电电路工作，从被测的光伏电池板取电，向蓄电池充电；当蓄电池充满时，多余的电能通过能量泄放电路消耗掉；能量泄放电路由主控制芯片控制，当电池能量高于27V的阈值时启动，将多余的能量泄放；

步骤三：充电电路由主控制芯片控制，执行最大功率点跟踪技术，使被测的光伏电池板工作在最大功率点处；最大功率点跟踪技术采用成熟的干扰观察法，并以伏安特性扫描结果为参考；

步骤四：光伏电池伏安特性扫描电路间歇式工作，每隔10s切换至扫描电路，进行100ms快速扫描，然后切换回主电路等待下次扫描；扫描时，充电电路和能量泄放电路构成的主电路停止工作；

步骤五：设置GPRS通讯模块和大容量的SD卡存储设备，每隔10s或20s，定时发送数据给GPRS模块，通过GPRS模块传输数据给上位机，并且同时向SD卡存储数据；主控制芯片，GPRS模块，驱动电路，传感器以及信号调理电路等都由蓄电池供电。

上述实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种光伏发电系统特性数据采集装置，包括光伏电池板、切换开关、蓄电池、上位机、驱动电路，其特征在于，还包括：数据采集模块、充电电路、能量泄放电路、IV曲线扫描电路、主控制芯片、GPRS模块、SD卡存储设备；数据采集模块包括传感器、信号调理电路、AD采样电路；其中，光伏电池板一端通过数据采集模块与主控制芯片连接，另一端依次连接切换开关、充电电路、蓄电池、能量泄放电路；切换开关与IV曲线扫描电路连接；主控制芯片通过驱动电路与切换开关、充电电路、能量泄放电路连接，并且所述主控制芯片还与数据采集模块、SD卡存储设备连接；主控制芯片、GPRS模块、驱动电路、传感器、信号调理电路及AD采样电路都由蓄电池供电；

数据采集模块：用于采集光照强度和温度；

充电电路：用于在光照强度足够时，从被测的光伏电池板取电，并向蓄电池充电；

能量泄放电路：用于蓄电池充满后，消耗掉多余的电能；能量泄放电路由主控制芯片控制，当电池电压高于预设的阈值时启动；

IV曲线扫描电路：光伏电池伏安特性扫描电路间歇式工作，扫描时，充电电路和能量泄放电路构成的主电路停止工作；

GPRS模块与SD卡存储设备：主控制芯片定时发送数据给GPRS模块，通过GPRS模块将采集到的光伏电池板数据无线传输给上位机，并且同时向SD卡存储数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述数据采集模块中，光照强度用三种方式采集：直接辐射传感器、散射辐射传感器、参考电池板；温度信息在三处采集：大气环境、参考电池板、被测的光伏电池板。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述IV曲线扫描电路，每隔10s切换至扫描电路，进行100ms快速扫描，然后切换回主电路等待下次扫描。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述能量泄放电路预设的阈值是27V。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述充电电路由主控制芯片控制，执行最大功率点跟踪技术，使光伏电池板工作在最大功率点处；最大功率点跟踪技术采用干扰观察法，并以伏安特性扫描结果为参考。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是所述主控制芯片每隔10s或20s发送数据给GPRS模块。

7.一种光伏发电系统特性数据采集方法，其特征是，使用如权利要求1所述的光伏发电系统特性数据采集装置，并且所述光伏发电系统特性数据采集方法包括如下步骤：

步骤一：采集光照强度和温度；

步骤二：当光照强度足够时，充电电路工作，从被测的光伏电池板取电，向蓄电池充电；当蓄电池充满时，多余的电能通过能量泄放电路消耗掉；能量泄放电路由主控制芯片控制，当电池电压高于27V的阈值时启动，将多余的能量泄放；

步骤三：充电电路由主控制芯片控制，执行最大功率点跟踪技术，使被测的光伏电池板工作在最大功率点处；最大功率点跟踪技术采用干扰观察法，并以伏安特性扫描结果为参考；

步骤四：光伏电池伏安特性扫描电路间歇式工作，每隔10s切换至扫描电路，进行100ms快速扫描，然后切换回主电路等待下次扫描；扫描时，充电电路和能量泄放电路构成的主电路停止工作；

步骤五：设置GPRS通讯模块和大容量的SD卡存储设备，每隔10s或20s，由主控制芯片定时发送数据给GPRS模块，通过GPRS模块传输数据给上位机，并且同时向SD卡存储数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，步骤一中所述光照强度用三种方式采集：直接辐射传感器、散射辐射传感器、参考电池板；所述温度信息在三处采集：大气环境、参考电池板、被测的光伏电池板。