CN105048961B - 一种用于太阳能电站的实时智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于太阳能电站的实时智能监测系统。本发明的系统包括上位机、数据处理模块、数模转换模块、大功率电流调节模块、开关模块、信号调节模块、模数转换模块和环境监测模块；所述上位机与数据处理模块连接；所述数据处理模块分别与数模转换模块、模数转换模块、开关模块和环境监测模块连接；所述数模转换模块与大功率电流调节模块连接；所述开关模块分别与大功率电流调节模块和信号调节模块连接；所述信号调节模块与数模转换模块连接。本发明的有益效果为，具有结构简单，操作方便的优点，能够实时对太阳能电站的任一电池组件进行IV特性测试。

Description

一种用于太阳能电站的实时智能监测系统

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能电站的实时智能监测系统。

背景技术

随着科技不断发展，对能源需求增大，能源枯竭日益凸显，新能源成为全球研究热点。光伏发电凭借无环境污染，取之不尽用之不竭，成为最受欢迎的绿色能源。

太阳能电站的发电量，受很多因素影响。材料老化、阴影遮挡、盐雾腐蚀、灰尘遮盖、积雪重压都影响电站发电量。光伏组件的光电转换效率会出现不同程度的衰减，从而造成光伏发电系统发电量的降低，严重时会损坏整个太阳能发电系统。因此，要保证太阳能发电系统长期的高效、安全运行，需要实现对光伏组件的环境因素、IV特性、效率衰减等问题的快速发现和诊断。

目前，对太阳能电池组件的测试，主要是在出厂之前进行IV测试。而对于电站中的太阳能电池组件，则很少进行IV测试，或者仅仅通过手持式测试仪，不定期的进行IV测试，如专利号为201310009745.X的便携式太阳能电池测量仪，用手持式仪器进行IV曲线测试时，需要将整串组件断开，再逐一进行测试，并且需要人工对组件进行断路和连接，无法实现智能测试。又如专利号为201210486764.7的测试平台，仅仅能够对太阳能电池片进行检测。因此传统的太阳能电站检测系统存在适用范围狭窄以及使用不方便的问题。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述传统太阳能电站检测系统存在的问题，提出一种用于太阳能电站的实时智能监测系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于太阳能电站的实时智能监测系统，如图1所示，包括上位机、数据处理模块、数模转换模块、大功率电流调节模块、开关模块、信号调节模块、模数转换模块和环境监测模块；所述上位机与数据处理模块连接；所述数据处理模块分别与数模转换模块、模数转换模块、开关模块和环境监测模块连接；所述数模转换模块与大功率电流调节模块连接；所述开关模块分别与大功率电流调节模块和信号调节模块连接；所述信号调节模块与数模转换模块连接；其中，

所述开关模块用于接收数据处理模块的控制信号，并根据控制信号将被测太阳能电池组件与大功率电流调节模块和信号调节模块连通；

所述大功率电流调节模块用于接收数据处理模块通过模数转换模块发送的控制信号，向被太阳能电池施加由小到大的电流；

所述信号调节模块用于接收太阳能电池的电压信号，并将其转换为设定的电压范围后通过模数转换模块后发送到数据处理模块；

所述数据处理模块用于接收上位机的控制指令，并向开关模块和大功率电流调节模块发送控制指令，同时接收信号调节模块发送的太阳能电池电压信号以及接收环境监测模块发送的信号，将接收到信号处理后发送到上位机；

所述上位机用于向数据处理模块发送控制信号，接收、存储和显示数据处理模块发送的信号。

进一步的，所述数据处理模块为单片机。

进一步的，如图2所示，所述大功率电流调节模块由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、三级管Q1和二极管D1构成；其中，第一运算放大器的正向输入端接数模转换模块的输出端，其反向输入端通过第二电阻R2后接地，其输出端接第二运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的输出端与第二运输放大器正向输入端的连接点通过第一电阻R1后接第一运算放大器的反相输入端，该连接点还通过第五电阻R5后接第七电阻R7与三极管Q1集电极的连接点；第二运输放大器的反相输入端通过第四电阻R4后接地，其输出端接通过第三电阻R3后接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极通过第七电阻R7后接开关模块的一端，其发射极通过第六电阻R6后接开关模块的另一端；二极管D1的正极接三极管Q1与第六电阻R6的连接点，其负极接三极管集电极与第七电阻R7的连接点。

更进一步的，如图3所示，所述信号调节模块由第三运算放大器、第四运算放大器、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15构成；其中，第八电阻R8的一端接第七电阻R7与开关模块一端的连接点，第八电阻R8的另一端通过第十电阻R10后接第三运算放大器的正向输入端；第九电阻R9的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，第九电阻R9的另一端接第八电阻R8与第十电阻R10的连接点；第三运算放大器的反向输入端通过第十一电阻R11后接其输出端，其输出端接模数转换模块的一个输入端；第十四电阻R14的一端接第六电阻R6与三极管Q1发射极的连接点，其另一端接第四运算放大器的正向输入端；第十三电阻R13的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，其另一端接第十四电阻R14的一端；第四运算放大器的反向输入端接其输出端，其输出端接模数转换模块的另一个输入端。

本发明的有益效果为，具有结构简单，操作方便的优点，能够实时对太阳能电站的任一电池组件进行IV特性测试。

附图说明

图1为本发明的太阳能电站的实时智能监测系统逻辑结构框图；

图2为本发明的大功率电流调节模块电路结构示意图；

图3为本发明的信号调节模块电路结构示意图；

图4为本发明监测4个电池组件时开关模块的电路结构示意图；

图5为本发明的太阳能电站的实时智能监测系统实时监测太阳能电池组件的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明所述太阳能电站电池组件实时监测系统，其包括：上位机，数据处理模块，数模转换模块，大功率电流调节模块，信号调节模块，模数转换模块，开关模块，被测电池组件，环境检测模块。由上位机发出总控制信号，经过USB接口和串口转换，发送至数据处理模块。数据处理模块收到控制信号后，发出驱动数模转换模块的指令，使数模转换模块输出模拟信号，驱动大功率电流调节模块。同时，数据处理模块发出控制信号，改变开关模块的拓扑结构，实现相应电子开关开和断的功能。大功率电流调节模块改变电流，电流流过开关模块，改变回路中被测太阳能电池组件两端的电压和电流。被测太阳能电池组件两端电压和采样电阻两端电压过大，范围超过了模数转换模块所能识别的最大电压，不能直接采集，故通过信号调节模块，将电压转换成合适的电压范围，模数转换模块采集调理后的模拟信号，并将其转化为数字信号，发送给数据处理模块。环境监测模块采集电池组件温度、环境温度和日照强度，并将其转换为数字信号，发送给数据处理模块。数据处理模块处理来自数模转换模块和环境监测模块的数据，并将其发送给上位机。最后，上位机对数据进行存储，显示和分析。

本发明所述的数模转换模块，可以采用型号为DAC0832的数模转换芯片，DAC0832芯片是8位并行数据输入的数模转换芯片，具有8位分辨率。其优点是价格低廉、接口简单、易于控制。也可以选用其他类型的数模转换芯片。芯片的输入端连接数据处理模块，需要8根数据线作为数据输入接口；芯片的输出端连接到大功率电流调节模块。ADC0809芯片是8位逐次逼近式模数转换芯片，具有8个通道，每次转换时，需要选通一个通道。当然也可以选用其他型号的模数转换芯片。

如图2所示，为大功率电流调节模块的电路结构示意图。大功率电流调节模块由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、三级管Q1和二极管D1构成；其中，第一运算放大器的正向输入端接数模转换模块的输出端，其反向输入端通过第二电阻R2后接地，其输出端接第二运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的输出端与第二运输放大器正向输入端的连接点通过第一电阻R1后接第一运算放大器的反相输入端，该连接点还通过第五电阻R5后接第七电阻R7与三极管Q1集电极的连接点；第二运输放大器的反相输入端通过第四电阻R4后接地，其输出端接通过第三电阻R3后接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极通过第七电阻R7后接开关模块的一端，其发射极通过第六电阻R6后接开关模块的另一端；二极管D1的正极接三极管Q1与第六电阻R6的连接点，其负极接三极管集电极与第七电阻R7的连接点。大功率电流调节模块用于向被测太阳能电池组件施加一个由小到大的电流；

如图3所示，信号调节模块由第三运算放大器、第四运算放大器、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15构成；其中，第八电阻R8的一端接第七电阻R7与开关模块一端的连接点，第八电阻R8的另一端通过第十电阻R10后接第三运算放大器的正向输入端；第九电阻R9的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，第九电阻R9的另一端接第八电阻R8与第十电阻R10的连接点；第三运算放大器的反向输入端通过第十一电阻R11后接其输出端，其输出端接模数转换模块的一个输入端；第十四电阻R14的一端接第六电阻R6与三极管Q1发射极的连接点，其另一端接第四运算放大器的正向输入端；第十三电阻R13的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，其另一端接第十四电阻R14的一端；第四运算放大器的反向输入端接其输出端，其输出端接模数转换模块的另一个输入端。‘D/A’接收来自数模转换模块的信号，‘PV+’接开关模块的‘PV+’端，‘PV-’接开关模块的‘PV-’端。IO1，IO2，IO3，IO4为4个测量接口，R4为采样电阻。其中，通过采集IO1与IO2两端的电压，来获得回路中的电流；IO3与IO4两端的电压，即为被测太阳能电池板两端的电压。‘A/D1’输出端接数据处理器，输出的被调节电压信号为被测太阳能电池端电压；‘A/D2’输出端接数据处理器，输出的被调节电压信号为采样电阻两端电压，在进行数据处理时，将电压信号除以电阻，就是被测太阳能电池的电流。可选用型号为2N6275的三极管，为大功率三极管，最高能承受50A的电流，功率能达到250W，对于市场上的组件，都能满足要求。当电路工作时，运放输入端接收来自数模模块的输入信号，第二级运放将信号放大后，作用于三极管基极，三极管发射极电流也跟随着变化。当数模模块输入信号变化范围为(0-5)V时，发射极电流变化范围为(0-Isc)A。要求扫描N点时，数模模块输出的信号以(5/N)V为步长增加，每一个输入信号，对应一个发射极电流，因此，发射极电流共有N点。该发射极变化的电流作用于太阳能电池组件，得到与之对应的电压。

如图4所示，大功率电流调节模块、开关模块、逆变器和被测太阳能电池组件按此结构组网。其中，‘PV+’和‘PV-’是图2中相应的接口，组件1、组件2、组件3、组件4是被测太阳能电池组件，开关S1—S17为智能开关。这里的智能开关，可以用大功率的IGBT、MOS管、三极管或者继电器等。智能开关的控制端“ctrl”和数据处理模块相连，智能开关接收来自数据处理模块的信号，按一定的功能自动进行闭合和断开。智能开关S13、S14、S15、S16、S17和逆变器构成的回路，是太阳能电池组件正常工作时的拓扑回路。智能开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，是监测系统在测试太阳能电池组件IV特性曲线时的拓扑回路。智能开关S9、S10、S11、S12用以选取太阳能电池组件。

智能开关是一种电子开关，其控制由编码实现。数据处理模块输出‘0’和‘1’对智能开关进行控制，数据处理模块输出‘1’智能开关开启，输出‘0’智能开关断开。用三个8位的二进制码对其进行控制：A1＝‘00000000’控制智能开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8；A2＝‘00000000’取低4位，控制智能开关S9、S10、S11、S12；A3＝‘00000000’取低5位，控制智能开关S13、S14、S15、S16、S17。通过改变A1、A2和A3的值，来达到改变开关拓扑结构的目的。

如图4所示，本发明所述监测系统在电池组串正常工作时，智能开关工作状态如下：(数据处理模块输出A1＝‘00000000’，A2＝‘00000000’，A3＝‘00011111’)开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8断开，开关S9、S10、S11、S12断开，开关S13、S14、S15、S16、S17闭合。组件1、组件2、组件3、组件4串联在回路中，光生电流经逆变器转变为交流电，并将电能输出。在正常工作状态下，所有组件均是串联的，流经组件的电流相等。在对其中某一块或多块组件进行IV特性曲线测试时，需要改变为特定的开关状态。

本发明所述监测系统在对组件2进行IV特性测试时，智能开关的工作状态如下：(数据处理模块输出A1＝‘00110000’，A2＝‘00000100’，A3＝‘00010011’)开关S1、S2、S5、S6、S7、S8断开，开关S3、S4闭合，大功率电流调节模块的‘PV+’和‘PV-’与组件2连接。开关S9、S11、S12断开，开关S10闭合，将组件1的‘-’和组件3的‘+’连接。开关S13、S16、S17闭合，开关S14、S15断开，将组件2独立。开关状态改变后，组件1、组件3、组件4为串联，组件2和监测系统相连接。监测系统对组件2进行IV特性测试，而组件1、组件3、组件4保持正常工作，并将所发电量输送至逆变器。实现了对组件2进行检测的同时，其他组件正常发电的目的。

本发明所述监测系统在对组件3进行IV特性测试时，智能开关的工作状态如下：(数据处理模块输出A1＝‘00001100’，A2＝‘00000010’，A3＝‘00011001’)开关S1、S2、S3、S4、S7、S8断开，开关S5、S6闭合，大功率电流调节模块的‘PV+’和‘PV-’与组件3连接。开关S9、S10、S12断开，开关S11闭合，将组件2的‘-’和组件4的‘+’连接。开关S13、S14、S17闭合，开关S15、S16断开，将组件3独立。开关状态改变后，组件1、组件2、组件4为串联，组件3和监测系统相连接。监测系统对组件3进行IV特性测试，而组件1、组件2、组件4保持正常工作，并将所发电量输送至逆变器。实现了对组件3进行检测的同时，其他组件正常发电的目的。

通过时分复用方式，能实现对太阳能电站中全部组件的实时监测。通过时分复用扫描方式，依次对四个组件进行IV特性测试：本发明所述监测系统首先在对组件1进行IV特性测试，数据处理模块输出A1＝‘11000000’，A2＝‘00001000’，A3＝‘00000111’，将组件1独立，待数据处理模块处理数据完成，发送给上位机；对组件2进行IV特性测试，数据处理模块输出A1＝‘00110000’，A2＝‘00000100’，A3＝‘00010011’，将组件2独立，待数据处理模块处理数据完成，发送给上位机；对组件3进行IV特性测试，数据处理模块输出A1＝‘00001100’，A2＝‘00000010’，A3＝‘00011001’，待数据处理模块处理数据完成，发送给上位机；对组件4进行IV特性测试，数据处理模块输出A1＝‘00000011’，A2＝‘00000001’，A3＝‘00011100’，待数据处理模块处理数据完成，发送给上位机。当四个组件完成测量后，再重复循环上述过程，实现对电站所有组件的监测。

本发明所述监测系统在组串正常工作时，可对组串发电量进行监测智。开关S2、S3、S4、S5、S6、S7断开，开关S9、S10、S11、S12断开，开关S1、S8、S13、S14、S15、S16、S17闭合。对比正常工作时的状态，开关S1、S8被闭合。此时组件1、组件2、组件3、组件4全部串联，所发电量经过逆变器转换后，对外输出。在组串两端进行采集，得到组串发电量并传送至上位机，实现监控发电量的目的。

如图5所示，为本发明所述监测系统工作时的流程图。此图中数据处理模块，接收来自上位机的指令，做出相应的一系列操作。流程如下：

a)监测系统上电复位，自动完成初始化，启动数据处理模块，启动数模转换模块和模数转换模块，并建立和上位机的通信协议。

b)数据处理模块处于待命令状态，等待上位机发出操作指令，若未到任何操作指令，继续等待。

c)数据处理模块收到上位机发出的操作指令，对指令译码，确定被是对哪一组件进行监测，和监测需要扫描的点数N，数据处理模块确定A1、A2、A3的编码，输出并作用到智能开关，改变智能开关的状态，实现改变开关模块拓扑结构的目的。

d)待开关模块拓扑结构改变完成后，数据处理模块对数模转换模块发出指令，使数模转换模块输出(0-5)V的可变电压，步长为(5/N)V，总点数为N点。该可变电压作用到大功率电流调节模块的运放输入端。

e)大功率电流调节模块的运放输入端‘D/A’接收到(0-5)V可变电压后，经过双极运放的放大后，大功率三极管基极电流随运放输出端电压的变化而变化，与三极管串联的被测光伏组件电流随之变化。

f)被测太阳能电池组件电压随电流变化而变化。共有N个电流点，因此共有N个电压点，实现用变化的电流来控制被测太阳能电池组件端电压变化的目的。

g)监测系统模数转换模块所能识别的电压为(0-5)V，信号调节模块将被测太阳能电池端电压和采样电阻两端的电压调理至合适的范围，经过‘A/D1’和‘A/D2’输出给模数转换模块。

h)监测系统模数转换模块对被测太阳能电池组件电压、电流信号进行采集。

i)监测系统数据处理模块接收来自模数转换模块的电压、电流信号，同时接收来自环境检测模块的数据。

j)数据处理模块将所有数据进行编码处理并打包，发送给上位机。

k)上位机对数据进行处理，绘制IV特性曲线，计算标准特性曲线，计算太阳能电池组件特征参数，并记录监测时的环境数据。

l)监测系统完成此次监测，回到初始状态，等待下次操作指令。

Claims (2)

1.一种用于太阳能电站的实时智能监测系统，包括上位机、数据处理模块、数模转换模块、大功率电流调节模块、开关模块、信号调节模块、模数转换模块和环境监测模块；所述上位机与数据处理模块连接；所述数据处理模块分别与数模转换模块、模数转换模块、开关模块和环境监测模块连接；所述数模转换模块与大功率电流调节模块连接；所述开关模块分别与大功率电流调节模块和信号调节模块连接；所述信号调节模块与数模转换模块连接；其中，

所述开关模块用于接收数据处理模块的控制信号，并根据控制信号将被测太阳能电池组件与大功率电流调节模块和信号调节模块连通；

所述大功率电流调节模块用于接收数据处理模块通过模数转换模块发送的控制信号，向被太阳能电池施加由小到大的电流；

所述信号调节模块用于接收太阳能电池的电压信号，并将其转换为设定的电压范围后通过模数转换模块后发送到数据处理模块；

所述数据处理模块用于接收上位机的控制指令，并向开关模块和大功率电流调节模块发送控制指令，同时接收信号调节模块发送的太阳能电池电压信号以及接收环境监测模块发送的信号，将接收到信号处理后发送到上位机；

所述上位机用于向数据处理模块发送控制信号，接收、存储和显示数据处理模块发送的信号；

所述大功率电流调节模块由第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、三级管Q1和二极管D1构成；其中，第一运算放大器的正向输入端接数模转换模块的输出端，其反向输入端通过第二电阻R2后接地，其输出端接第二运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的输出端与第二运输放大器正向输入端的连接点通过第一电阻R1后接第一运算放大器的反相输入端，该连接点还通过第五电阻R5后接第七电阻R7与三极管Q1集电极的连接点；第二运输放大器的反相输入端通过第四电阻R4后接地，其输出端接通过第三电阻R3后接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极通过第七电阻R7后接开关模块的一端，其发射极通过第六电阻R6后接开关模块的另一端；二极管D1的正极接三极管Q1与第六电阻R6的连接点，其负极接三极管集电极与第七电阻R7的连接点。

2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能电站的实时智能监测系统，其特征在于，所述信号调节模块由第三运算放大器、第四运算放大器、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15构成；其中，第八电阻R8的一端接第七电阻R7与开关模块一端的连接点，第八电阻R8的另一端通过第十电阻R10后接第三运算放大器的正向输入端；第九电阻R9的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，第九电阻R9的另一端接第八电阻R8与第十电阻R10的连接点；第三运算放大器的反向输入端通过第十一电阻R11后接其输出端，其输出端接模数转换模块的一个输入端；第十四电阻R14的一端接第六电阻R6与三极管Q1发射极的连接点，其另一端接第四运算放大器的正向输入端；第十三电阻R13的一端接第六电阻R6与开关模块另一端的连接点，其另一端接第十四电阻R14的一端；第四运算放大器的反向输入端接其输出端，其输出端接模数转换模块的另一个输入端。