CN104167987A - 基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置 - Google Patents

Abstract

一种基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，包括彼此电气隔离的隔离采样部分和控制测量部分，所述隔离采样部分以隔离电源供电，包括多个采样电阻、模拟电子开关、电阻分压网络、线性光耦，所述多个采样电阻分别串接在各个光伏组串中，所述模拟电子开关接收开关切换信号采集相应的所述采样电阻上的压降，并通过所述第一线性光耦放大输出所在的光伏组串的电流信息；所述分压网络连接于所述正、负汇流排之间，将正、负汇流排之间的电压降压，并通过所述第二线性光耦输出电压信息；所述控制测量部分接收并根据所述电流信息和所述电压信息，向所述隔离测量部分输出所述开关切换信号。采样电阻电流测试方案可以有效的降低测控装置的成本。

Description

基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置

技术领域

本发明涉及光伏发电汇流箱监控领域，特别是涉及一种基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置。 

背景技术

光伏汇流箱是光伏发电站的前端设备，其作用在于对光伏方阵的分区现场监控并向远方后台软件实时监测整个光伏电池组件的工况提供数据支持。由于使用数量众多，光伏汇流箱对于光伏电站的投资占相当大份额。为了提升产品的市场竞争优势，各个汇流箱厂家都不遗余力的发掘该型产品的成本空间；对汇流箱测控装置成本压缩成为研究重点。 

目前主流的汇流箱测控装置采用穿心霍尔电流传感器，或者单芯片型霍尔电流传感器，如美国Allegro生产的ACS712以及Melexis的MLX91210等，前者成本最高，温度性能差，测量精度低，优点是具有良好的隔离性能，后者成本稍低(为前者的三分之一)，温度特性和精度优于前者，缺点是隔离性能稍差。测控单元所配置的电流传感器通常要占用三分之一的成本额度。而且很多产品并不支持现场参数的整定，一旦出现测量精度过大的偏差，就束手无策，必须更换测控装置才能正常运行，延长了维护周期并增加了运维成本。 

发明内容

基于此，有必要提供一种低成本、高精度的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置。 

一种基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，设置于正、负汇流排之间，包括彼此电气隔离的隔离采样部分和控制测量部分，其中， 

所述隔离采样部分以隔离电源供电，包括多个采样电阻、模拟电子开关、分压网络、第一线性光耦以及第二线性光耦，所述多个采样电阻分别串接在各个光伏组串中，所述模拟电子开关接收开关切换信号采集相应的所述采样电阻 上的压降，并通过所述第一线性光耦放大输出所在的光伏组串的电流信息； 

所述分压网络连接于所述正、负汇流排之间，将正、负汇流排之间的电压降压，并通过所述第二线性光耦输出电压信息； 

所述控制测量部分接收并根据所述电流信息和所述电压信息，向所述隔离测量部分输出所述开关切换信号。 

进一步地，所述隔离采样部分电路以所述正汇流排的电位作为参考点，所述模拟电子开关、第一线性光耦以及第二线性光耦的输入参考端与所述正汇流排的任一汇流排端口连接。 

进一步地，所述控制测量部份包括单片机、第一差分电路、第二差分电路、第一滤波电路、第二滤波电路以及光耦通道切换电路，其中： 

所述第一差分电路的输入端接所述第一线性光耦的输出端，接收所述电流信息，并将所述电流信息输出到所述第一滤波电路滤波后输入到所述单片机的电流采样通道； 

所述第二差分电路的输入端接所述第二线性光耦的输出端，接收所述电压信息，并将所述电压信息输出到所述第二滤波电路滤波后输入到所述单片机的电压采样通道； 

所述单片机通过输出所述开关切换信号实现对各个电流通道的轮询。 

进一步地，所述采样电阻为锰铜电阻。 

进一步地，所述模拟电子开关采用芯片74HC4051构成。 

进一步地，所述第一、第二线性光耦采用芯片ACPL-C79B，并使其工作在差分输入模式。 

进一步地，所述隔离电源采用分离器件组成的正激式隔离开关电源，提供一路+5V电源至所述模拟电子开关、第一线性光耦以及第二线性光耦的输入端。 

进一步地，所述隔离电源采用EE16高频变压器。 

进一步地，所述的电阻分压网络包括第一分压电阻、第二分压电阻，所述第一分压电阻的第一端接所述正汇流排和所述第二线性光耦的正输入端，所述第二分压电阻的第一端接所述第一分压电阻的第二端和所述第二线性光耦的负输入端，所述第二分压电阻的第二端接负汇流排。 

进一步地，还包括操作按键，所述控制测量部分还用于接收该操作按键输入的光伏组串通道的真实电流值并执行现场校正命令，可以对任何一条所述光伏组串进行采样调校。 

基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置采用低廉的采样电阻电流测试方案可以有效的降低测控装置的成本；由此我们使用分流器作为测量光伏组串电流的采样电阻，配合高隔离性能的小功率隔离电源以及合理的电路参考点选取，通过对原来电路的简化，在不牺牲隔离性、可靠性、抗干扰性的前提下使测控装置的成本得到紧缩，比较传统的方案具有更好的稳定性、良好温度特性以及更高的采样精度。 

附图说明

图1是本发明实施例中光伏汇流箱测控装置的系统框图； 

图2是本发明实施例中光伏汇流箱测控装置的通道电流测量切换电路图； 

图3是本发明实施例中的采样电阻电流测试通道线性度实测分析图； 

图4是本发明实施例中的线性光耦的增益温度特性图； 

图5是本发明实施例中的按键操作流程图。 

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

请参阅图1，本发明较佳实施例中基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置设置于正、负汇流排之间，测控装置包括彼此电气隔离的隔离采样部分1和控制测量部分2。本实施例中，正、负汇流排之间接有16条光伏组串1#、2#……16#(i#)。 

所述隔离采样部分1以隔离电源3供电，包括多个采样电阻Ri(R1、R2……R16)、模拟电子开关7、分压网络15、第一线性光耦6以及第二线性光耦13， 所述多个采样电阻Ri分别串接在各个光伏组串i#中，所述模拟电子开关7接收开关切换信号采集相应的所述采样电阻上的压降，并根据该压降通过所述第一线性光耦6放大输出所在的光伏组串i#的电流信息。所述分压网络15连接于所述正、负汇流排之间，将正、负汇流排之间的电压降压，并根据该电压压降通过所述第二线性光耦13输出电压信息；所述控制测量部份2接收并根据所述电流信息和所述电压信息，向所述隔离测量部分1输出所述开关切换信号以控制模拟电子开关7切换采集回路，采集相应的采样电阻Ri上的压降以得到所在的光伏组串i#的电流信息。 

采样电阻Ri取代传统的霍尔电流传感器，隔离测量部分1通过大阻值功率采样电阻Ri和精密分压电阻将组串总电压分压，并通过线性光耦隔离供控制测量部分2采样计算总汇出电压的大小，在不牺牲隔离性能的情况下比传统霍尔电流传感器方案获得更加良好的温度性能和测量精度，而且降低了汇流箱测控单元的硬件成本，提高汇流箱的制造便捷性从而降低生产成本，增强其大规模生产制造的成本竞争力。 

隔离采样部分1的电路以所述正汇流排的电位作为参考点4，模拟电子开关7、第一线性光耦6以及第二线性光耦13的参考端与正汇流排的任一汇流排端口连接。参考图1，本实施例中，隔离采样部分1以正汇流排上第一个光伏组串1#的正极输出端为参考点4。隔离采样部分1的各个采样输入端相对于参考点4的电压不会超过采样电阻Ri的压降，考虑到光伏组串i#电流极限为15A，则采样电阻Ri上的压降为：U_r＝i×r＝15×0.005Ω＝0.075V；可见隔离采样部分1中的共模电压是安全的，且有很大的裕量。 

在一个实施例中，采样电阻Ri采用锰铜电阻。优选地，锰铜电阻采用规格为：5mΩ3W 1％40ppm。在其他实施例中，根据本领域技术可以使用其他高精度电阻替换。本实施例中，16个采样电阻Ri置于16个光伏组串i#的正极输出回路上，通过测量采样电阻Ri上的压降来测量光伏组串电流i#的大小(电流信息)。 

在一个实施例中，参考图2，模拟电子开关采用芯片74HC4051构成。本实施例中，采用四片74HC4051芯片实现16对差分信号的切换，16个采样电阻 Ri上的压降是通过十六对电子开关以差分模式连接至第一线性光耦6的输入端。如图2所示，芯片U26、芯片U30实现对前八路取样电阻的压降‘I+_1’,‘I-_1’～‘I+_8’,‘I-_8’依次切换至第一线性光耦6(U33)的输入端；芯片U24，芯片U32实现对后八路取样电阻的压降‘I+_9’,‘I-_9’～‘I+_16’,‘I-_16’依次切换至第一线性光耦6(U33)的输入端。 

请继续参阅图1，第一线性光耦6、第二线性光耦13采用芯片ACPL-C79B，并使其工作在差分输入模式，彻底避免了地点位的偏差引起的误差。可以消除单端采样模式时由于地电位的偏差导致采样的不准，并且由于电流的不同，地电位呈现非线性差异，软件无法调校，本实施例中，第一线性光耦6、第二线性光耦13的增益为8。 

隔离电源3采用分离器件组成的正激式隔离开关电源，提供一路+5V电源至所述模拟电子开关7、第一线性光耦6以及第二线性光耦13。即隔离电源3的次级线圈的一端与正汇流排连接并接地形成参考点，在次级线圈的另一端输出+5V电源。优选地，所述隔离电源3采用EE16高频变压器，实现3.5kV工频隔离耐压性能。 

本实施例中，所述的电阻分压网络15包括第一分压电阻R17、第二分压电阻R18，所述第一分压电阻R17的第一端接所述正汇流排和所述第二线性光耦13的正输入端，所述第二分压电阻R18的第一端接所述第一分压电阻R17的第二端和所述第二线性光耦13的负输入端，所述第二分压电阻R18的第二端接负汇流排。电阻分压网络的公共点设在汇流箱的正汇流排，并将衰减后的信号接到第二线性光耦13的负输入端，公共点接入正输入端，实现正极性输出。优选地，第一分压电阻R17是10MΩ1W功率电阻；第二分压电阻R18是1.5KΩ0.1％精密电阻，第二分压电阻R18上的电压正比于汇流箱的总输出电压，将其接入第二线性光耦13的差分输入端，且正输入端接到正汇流排，使第二线性光耦13的输出为正极性，达到不牺牲采样精度的目的。 

请继续参阅图1，控制测量部份2的电路包括单片机(9和17)、第一差分电路8、第二差分电路14、第一滤波电路10、第二滤波电路11以及光耦通道切换电路5，光耦通道切换电路5有多个光电耦合器构成。单片机可以采用12位 ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)的ARM单片机。图1中只是将单片机的逻辑控制部分MCU(17)和ADC(9)部分分开示意。即，单片机也可以使用没有ADC共能的芯片，且需要外加ADC。 

第一差分电路8的输入端接所述第一线性光耦6的输出端，接收所述电流信息，并将所述电流信息输出到所述第一滤波电路10滤波后输入到所述单片机的电流采样通道。所述第二差分电路14的输入端接所述第二线性光耦13的输出端，接收所述电压信息，并将所述电压信息输出到所述第二滤波电路11滤波后输入到所述单片机的电压采样通道。所述单片机通过输出所述开关切换信号实现对各个电流通道(光伏组串i#)的轮询(有序的或随机的访问，采集电流信息)。所述单片机接收并根据所述电流信息和所述电压信息输出开关切换信号控制所述光耦通道切换电路5相应的通道导通，以输出所述开关切换信号，进而以控制模拟电子开关7切换采集回路，采集相应的采样电阻Ri上的压降以得到所在的光伏组串i#的电流信息。 

本实施例中，第一差分电路8、第二差分电路14如图2中的U34A及其外围电路，其的放大倍数是5倍，即当最大输入15A时，第一差分电路8、第二差分电路14的输出电压及ADC的最大输入电压为：U_adc＝0.075×8×5＝3V；理论上的测量分辨率为：15/4096＝4mA； 

基于取样电阻的新型汇流箱测控装置还包括操作按键(图未示)，控制测量部分2还用于接收该操作按键输入的光伏组串i#通道的真实电流值并执行现场校正命令，以对任何一条所述光伏组串i#进行采样调校。 

进一步地，通过该操作按键并可以执行出厂设置参数恢复。另外，基于取样电阻的新型汇流箱测控装置支持出厂参数的自动恢复，装置软件实时对运行于单片机中的设置参数(校正参数、装置地址等)进行校验，当校验码不正确时，自动恢复出厂时设置的参数。 

进一步地，当出现出厂参数丢失时，程序自动启用一套默认的系统参数，保证测量结果不会出现巨大误差。 

如图3所示，由于第一、第二线性光耦和运算放大器(第一、第二差分电路)失调电压的存在，导致1A以内转换结果不在线性区内，所以需要采用2点校正算 法： 

$\left\{\begin{array}{c}f\left(x1\right)=K(x1+b)---\left(1\right)\\ f\left(x2\right)=K(x2+b)---\left(2\right)\end{array}\right.$

其中： $K=\frac{f\left(x2\right)-f\left(x1\right)}{x2-x1};b=\frac{f\left(x2\right)}{K}-x2$

式中，x1,x2分别为第一点(1A)、第二点(10A)对应的采样值；f(x1)＝1A,f(x2)＝10A； 

关于采样电阻(锰铜电阻)Ri，提供以下特性参考： 

由于线性光耦的高阻抗输入，模拟电子开关的R_on的变化对输出误差没有贡献；线性光耦的增益温漂如图4所示，在25℃时为8.2，-40℃时为8.23；如果不考虑后级差分电路的误差，考核前端在-40℃时相对于25℃产生的误差为： 

$5\&times;\frac{\{15\&times;[5\&times;(1-65\&times;40\mathrm{ppm})]-60\&times;0.002\}\&times;8.23-15\&times;5\&times;8}{15\&times;5\&times;8.2}<0.06\%\&times;5.5=0.33\%$

可见，采用低廉的采样电阻电流测试方案较传统霍尔传感器方案表现更优良的温度特性。 

请参考图5，本发明实施例还提供一种现场测量精度手动调校的方法。 

由于某种特定的因素导致测控装在在现场出现个别通道测量值偏差过大的现象，运维人员可以通过手持电流钳测试该通道的实际电流大小，通过图3所述的方法对相应通道进行现场校正。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，设置于正、负汇流排之间，其特征在于，包括彼此电气隔离的隔离采样部分和控制测量部分，其中，

所述隔离采样部分以隔离电源供电，包括多个采样电阻、模拟电子开关、分压网络、第一线性光耦以及第二线性光耦，所述多个采样电阻分别串接在各个光伏组串中，所述模拟电子开关接收开关切换信号采集相应的所述采样电阻上的压降，并通过所述第一线性光耦放大输出所在的光伏组串的电流信息；

所述分压网络连接于所述正、负汇流排之间，将正、负汇流排之间的电压降压，通过所述第二线性光耦输出电压信息；

所述控制测量部分接收并根据所述电流信息和所述电压信息，向所述隔离测量部分输出所述开关切换信号。

2.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述隔离采样部分电路以所述正汇流排的电位作为参考点，所述模拟电子开关、第一线性光耦以及第二线性光耦的参考端与所述正汇流排的任一汇流排端口连接。

3.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述控制测量部份包括单片机、第一差分电路、第二差分电路、第一滤波电路、第二滤波电路以及光耦通道切换电路，其中：

所述第一差分电路的输入端接所述第一线性光耦的输出端，接收所述电流信息，并将所述电流信息输出到所述第一滤波电路滤波后输入到所述单片机的电流采样通道；

所述第二差分电路的输入端接所述第二线性光耦的输出端，接收所述电压信息，并将所述电压信息输出到所述第二滤波电路滤波后输入到所述单片机的电压采样通道；

所述单片机通过输出所述开关切换信号实现对各个电流通道的轮询。

4.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述采样电阻为锰铜电阻。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述模拟电子开关采用芯片74HC4051构成。

6.根据权利要求1、2或3所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述第一、第二线性光耦采用芯片ACPL-C79B，并使其工作在差分输入模式。

7.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述隔离电源采用分离器件组成的正激式隔离开关电源，提供一路+5V电源至所述模拟电子开关、第一线性光耦以及第二线性光耦的输入端。

8.根据权利要求7所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述隔离电源采用EE16高频变压器。

9.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，所述的电阻分压网络包括第一分压电阻、第二分压电阻，所述第一分压电阻的第一端接所述正汇流排和所述第二线性光耦的正输入端，所述第二分压电阻的第一端接所述第一分压电阻的第二端和所述第二线性光耦的负输入端，所述第二分压电阻的第二端接负汇流排。

10.根据权利要求1所述的基于取样电阻的光伏汇流箱测控装置，其特征在于，还包括操作按键，所述控制测量部分还用于接收该操作按键输入的光伏组串通道的真实电流值并执行现场校正命令，以对任何一条所述光伏组串进行采样调校。