CN105870974B - 分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置 - Google Patents

分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，包括单片机、交流电能测量电路、串行通讯接口，单片机分别连接有交流电能测量电路和串行通讯接口，交流电能测量电路包括电能计量芯片CS5463、交流电压采集单元、交流电流采集单元，交流电压采集单元连接在配电网与用电网间，交流电流采集单元连接在配电网与用电网间，电能计量芯片CS5463分别连接交流电压采集单元、交流电流采集单元，单片机采用芯片STC12C5A60S2，单片机还连接有光伏组件的输出电压和输出电流。

Description

分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置
技术领域
本发明涉及一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，用于对分布式光伏并网系统接入配电网后的运行状态进行监测，属于光伏发电技术领域。
背景技术
随着人类生活水平的提高，人类对生存环境和能源的要求越来越高。由于化石能源的枯竭与日益严重的环境问题，寻找新的清洁能源已经迫在眉睫。太阳能取之不尽，用之不竭，被认为是解决能源与环境矛盾的有效途径之一。随着分布式发电与智能电网成为热门话题，单一的大电网运行模式已经不能满足人类对电能质量的要求，分布式电源与电网相结合成为一种趋势。随着大量分布式光伏发电系统接入电网，将会对电网造成冲击和影响。分布式光伏发电系统与电网既可以并联运行，还可相互独立运行，在发生故障后可快速断开连接避免造成大面积停电事故。
光伏发电是根据光生伏特效应原理，使用太阳能电池将太阳光能直接地转化为通用且运输方便的电能来使用。并网光伏发电系统的工作原理是:太阳光照射在太阳电池板表面，太阳电池阵列输出直流电，经最大功率点跟踪控制、并网逆变器后，产生交流电，供本地交流负载使用，多余的电量反馈给电网，从而实现太阳能的充分利用。
光伏发电并网系统具有以下主要优点：太阳能取之不尽，用之不竭，没有污染，是真正的可持续发展的绿色理想能源；无需能量储存单元,省去蓄电池,降低了成本，安全稳定可靠，组件经久耐用，且维护简单，运行成本低；太阳能基本上不受地域所限，能就近供电，避免了长距离输送带来线路上的电能损失；在用电高峰期可以作为电网的有效补充，在轻负载下可以将太阳电池发出的多余的电能反馈给电网，具有平谷消峰的作用；太阳能发电系统的建设周期较短，且是模块化安装，可方便灵活的满足不同负荷的需要。
目前太阳能光伏发电的应用形式根据是否与电网并联运行分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统脱离电网运行，将太阳能转换为电能后存储在储能元件后在需要时使用。独立光伏发电系统受到光照等因素影响较大，不能保证突发的长时间大功率用电需求。而并网光伏发电系统是将光伏组件产生的电能通过并网逆变器直接逆变为与电网同频同相的交流电后并入电网中，并网系统一般以大规模的光伏电站形式出现。
目前现有并网光伏发电系统的电量参数测量转置存在着或测量精度相对不理想，测量不全面，或成本过高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置解决现有技术中存在的或测量精度相对不理想，测量不全面，或成本过高的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，包括单片机、交流电能测量电路、串行通讯接口，单片机分别连接有交流电能测量电路和串行通讯接口，交流电能测量电路包括电能计量芯片CS5463、交流电压采集单元、交流电流采集单元，交流电压采集单元连接在配电网与用电网间，交流电流采集单元连接在配电网与用电网间，电能计量芯片CS5463分别连接交流电压采集单元、交流电流采集单元，单片机采用芯片STC12C5A60S2，单片机还连接有光伏组件的输出电压和输出电流。
进一步地，芯片STC12C5A60S2的P0.1-P0.6分别一一连接电能计量芯片CS5463的引脚RESET、SDO、INT、SCLK、SDI、E2，芯片STC12C5A60S2的P3.2连接电能计量芯片CS5463的引脚E1。
进一步地，电能计量芯片CS5463的引脚VIN+、VIN-分别连接交流电压采集单元的正极输出端、交流电压采集单元的负极输出端，电能计量芯片CS5463的引脚IIN+、IIN-分别连接交流电流采集单元的正极输出端、交流电流采集单元的负极输出端。
进一步地，交流电压采集单元包括交流电压互感器、电阻R16、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R11、电容C11、电容C12、电容C13，交流电压互感器的一次绕组的一端通过电阻R16连接配电网的火线，交流电压互感器的一次绕组的另一端连接配电网的零线，交流电压互感器的二次绕组的一端通过电阻R12连接交流电压采集单元的正极输出端，交流电压互感器的二次绕组的另一端通过电阻R13连接交流电压采集单元的负极输出端，交流电压互感器的二次绕组的两端间并联有电阻R14，电容C11的一端连接在电阻R12与交流电压采集单元的正极输出端的交汇处，电容C11的另一端连接在电阻R13与交流电压采集单元的负极输出端的交汇处，电容C12的一端连接电阻R12与交流电压互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C12的另一端接地并通过电容C13连接电阻R13与交流电压互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C12并联有电阻R15，电容C13并联有电阻R11。
进一步地，交流电流采集单元包括交流电流互感器、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R21、电容C21、电容C22、电容C23，交流电流互感器连接在配电网与用电网间，交流电流互感器的一个输出端通过电阻R22连接交流电流采集单元的正极输出端，交流电流互感器的另一个输出端通过电阻R23连接交流电流采集单元的负极输出端，交流电流互感器的两个输出端间并联有电阻R24，电容C21的一端连接在电阻R22与交流电流采集单元的正极输出端的交汇处，电容C21的另一端连接在电阻R23与交流电流采集单元的负极输出端的交汇处，电容C22的一端连接电阻R22与交流电流互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C22的另一端接地并通过电容C23连接电阻R23与交流电流互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C22并联有电阻R25，电容C23并联有电阻R21。
进一步地，芯片STC12C5A60S2的引脚VCC连接电源，芯片STC12C5A60S2的引脚XTAL1、XTAL2连接有晶振电路，芯片STC12C5A60S2的引脚RST连接有复位电路。
进一步地，芯片STC12C5A60S2的引脚P1.2连接有光伏组件的输出电压，芯片STC12C5A60S2的引脚P1.1连接有光伏组件的输出电流。
进一步地，串行通讯接口连接有PC机。
进一步地，配电网通过并网逆变器连接光伏组件。
本发明的有益效果是：该种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，能够精确研究分布式光伏并网系统接入配电网的运行状态，本发明基于STC12C5A60S2 单片机与电能计量芯片CS5463 设计了分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，可以精准测量系统和电网之间的有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、谐波有功功率、基波有功功率和基波无功功率等电量参数信息。该系统不仅可作为教学仪器对学生进行光伏发电和分布式电源的教学，同时记录分布式光伏系统并联电网运行的数据，为智能电网的研究提供数据支持。
附图说明
图1是本发明实施例分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置的结构示意图。
图2是分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置接入配电网系统的示意图。
图3是实施例中电能计量芯片的电路连接示意图。
图4是实施例中单片机STC12C5A60S2的电路连接示意图。
图5是实施例中交流电压采集单元的电路连接示意图。
图6是实施例中交流电流采集单元的电路连接示意图。
其中：1-单片机，2-交流电能测量电路，3-串行通讯接口，4-电源，5-光伏组件，6-并网逆变器，7-配电网，8-用电网。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，如图1，包括单片机1、交流电能测量电路2、串行通讯接口3，单片机1分别连接有交流电能测量电路2和串行通讯接口3，交流电能测量电路2包括电能计量芯片CS5463、交流电压采集单元、交流电流采集单元，交流电压采集单元连接在配电网7与用电网8间，交流电流采集单元连接在配电网7与用电网8间，电能计量芯片CS5463分别连接交流电压采集单元、交流电流采集单元，单片机1采用芯片STC12C5A60S2，单片机1还连接有光伏组件5的输出电压和输出电流。串行通讯接口3连接有PC机，进行测量结果显示。
实施例采用高速精确电能计量芯片CS5463与高速单片机1STC12C5A60S2 设计了分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，电能计量芯片CS5463 电路设计图如图3所示，STC12C5A60S2 单片机1电路图如图4所示。通过外部交流电压采集单元、交流电流采集单元将电流、电压信号转换为电能计量芯片CS5463 量程范围内可测的电压信号，通过单片机1STC12C5A60S2控制电能测量芯片采集测量，并将相关数据显示与输出。
该种用于对分布式光伏并网系统接入配电网7后的运行状态进行监测的装置，该装置可以精准测量系统和电网之间的双向电量参数，包括有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、谐波有功功率、基波有功功率和基波无功功率等信息。使电气工程专业学生对新能源发电接入电网后系统的运行状态有更加直观地了解，可用于电气工程专业新能源发电教学和研究。
该种用于对分布式光伏并网系统接入配电网7后的运行状态进行监测的装置，主要测量的数据：（1）交流电的测量：用电功率、系统与电网连接的双向电量参数测量；（2）直流电的测量：光伏组件5的输出电压与电流。
通过单片机1STC12C5A60S2引脚控制电能计量芯片CS5463初始化及电能计量，外部电压信号采集电路输出电压信号经过滤波电路和限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463 电压采集通道中，电压信号采集电路如图5所示。外部电流信号采集电路通过滤波网络与限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463 的电流采集通道中，电流信号采集电路如图6所示。计算模块通过测量出瞬时电压、瞬时电流计算得到瞬时功率、有效电流、有效电压，视在功率、有功功率、无功功率及功率因数，通过对串行数据接口的读写操作，可将这些参数读取到单片机1中去，单片机1STC12C5A60S2功能设计如图1所示。
如图3，芯片STC12C5A60S2的P0.1-P0.6分别一一连接电能计量芯片CS5463的引脚RESET、SDO、INT、SCLK、SDI、E2，芯片STC12C5A60S2的P3.2连接电能计量芯片CS5463的引脚E1。
电能计量芯片CS5463的引脚VIN+、VIN-分别连接交流电压采集单元的正极输出端、交流电压采集单元的负极输出端，电能计量芯片CS5463的引脚IIN+、IIN-分别连接交流电流采集单元的正极输出端、交流电流采集单元的负极输出端。
电能计量芯片CS5463如图3所示，采用4.096Mhz 外部晶振，通过STC12C5A60S2单片机1P0.0-P0.6 以及P3.2引脚对CS5463 进行初始化并控制芯片进行电能计量。电能计量芯片CS5463的VERFOUT 引脚输出2.5V 的稳定电压，可直接作为自身参考电压，也可由用户选择外部参考电压。电能计量芯片CS5463装备有两个差分输入通道VIN±与IIN±，它们分别是电压和电流测试的输入端口。两个差分输入端口的满量程为250mVp。电压输入通道有一个放大倍数固定为10 的放大器。而电流输入通道有一个可编程增益放大器（PGA），通过程序设定寄存器Igain可以选择放大10 倍或者放大50倍，来适应不同的电流输入。
电能计量芯片CS5463中，电压与电流通道配有四阶的IIR 滤波器，用于补偿低通抽取滤波器导致的幅度降低。电压信号采集电路中所使用交流电压互感器TV1013的额定电流为2mA/2mA，使用150K 的精确电阻与电压互感串联接入电网，次级电路并联100 欧的精确电阻后，输出电压信号经过滤波电路和限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463的电压采集通道中，电压信号采集电路如图5所示。电流信号采集电路采用TA060 系列立式穿芯小型精密交流电流互感器，交流电流互感器TA060 的额定电流为20A/20mA。在互感输出并联15Ω的电阻，通过滤波网络与限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463 的电流采集通道中，电流信号采集电路如图6所示。
经过交流电压互感器和交流电流互感器变换后的电压信号VIN±与电流信号IIN±输入电能计量芯片CS5463电压、电流通道，放大后通过数字滤波与高通滤波传输给计算模块。计算模块通过测量出瞬时电压、瞬时电流计算得到瞬时功率、有效电流、有效电压、视在功率、有功功率、无功功率及功率因数，通过对串行接口的读写操作，可将这些参数读取到单片机1中去。同时电能计量芯片CS5463 集成能量频率转换模块，通过设置可将有功电能和无功电能以脉冲形式输出。
交流电压采集单元输出电压信号经过滤波电路和限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463 电压采集通道中。如图5，交流电压采集单元包括交流电压互感器、电阻R16、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R11、电容C11、电容C12、电容C13，交流电压互感器的一次绕组的一端通过电阻R16连接配电网7的火线，交流电压互感器的一次绕组的另一端连接配电网7的零线，交流电压互感器的二次绕组的一端通过电阻R12连接交流电压采集单元的正极输出端，交流电压互感器的二次绕组的另一端通过电阻R13连接交流电压采集单元的负极输出端，交流电压互感器的二次绕组的两端间并联有电阻R14，电容C11的一端连接在电阻R12与交流电压采集单元的正极输出端的交汇处，电容C11的另一端连接在电阻R13与交流电压采集单元的负极输出端的交汇处，电容C12的一端连接电阻R12与交流电压互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C12的另一端接地并通过电容C13连接电阻R13与交流电压互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C12并联有电阻R15，电容C13并联有电阻R11。交流电压互感器可采用交流电压互感器TV1013。
交流电压采集单元通过滤波网络与限流电阻后输入到电能计量芯片CS5463 的电流采集通道中。如图6，交流电流采集单元包括交流电流互感器、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R21、电容C21、电容C22、电容C23，交流电流互感器连接在配电网7与用电网8间，交流电流互感器的一个输出端通过电阻R22连接交流电流采集单元的正极输出端，交流电流互感器的另一个输出端通过电阻R23连接交流电流采集单元的负极输出端，交流电流互感器的两个输出端间并联有电阻R24，电容C21的一端连接在电阻R22与交流电流采集单元的正极输出端的交汇处，电容C21的另一端连接在电阻R23与交流电流采集单元的负极输出端的交汇处，电容C22的一端连接电阻R22与交流电流互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C22的另一端接地并通过电容C23连接电阻R23与交流电流互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C22并联有电阻R25，电容C23并联有电阻R21。交流电流互感器可采用交流电流互感器TA060。
如图4，芯片STC12C5A60S2的引脚VCC连接电源电路4，芯片STC12C5A60S2的引脚XTAL1、XTAL2连接有晶振电路，芯片STC12C5A60S2的引脚RST连接有复位电路。芯片STC12C5A60S2的引脚P1.2连接有光伏组件5的输出电压，芯片STC12C5A60S2的引脚P1.1连接有光伏组件5的输出电流。如图2，配电网7通过并网逆变器6连接光伏组件5。
单片机1STC122C5A6S2内部集成两个通用全双工异步串行口可以方便的与外围设备进行数据交换，有 EEPROM 功能可以将正反向电能数据保存，防止掉电后数据丢失，利用单片机1自带的高精度AD 转换功能，对光伏组件5的电压和电流进行了测量。
单片机1STC12C5A60S2通过对脉冲的记录得到电能值，STC12C5A60S2 单片机1电路图如图4所示。单片机1STC12C5A60S2上集成12位高速AD与PWM功能以及32个通用I/O口（P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7），可设置为准双向、强推挽、高阻和开漏四种模式，方便扩展液晶显示等功能。对系统进行直流电测量和对交流测量信息进行收集和汇总，通过串口显示出所有电量参数。单片机1STC12C5A60S2 的相关寄存器设置可将芯片P1.0-P1.7 中任意I/O 口设置为10 位高速A/D 转换器。模拟输入信号选择通道可以将P1中任意引脚设置为模拟输入端。逐次比较寄存器使DAC依次输出不同的电压，通过比较DAC转换的模拟电压与输入电压重新设置DAC输出值，经过多次比较后DAC接近模拟通道的输入电压。最后将此时的DAC数字量放到输出结果寄存器中，供用户读取。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，其特征在于：包括单片机、交流电能测量电路、串行通讯接口，单片机分别连接有交流电能测量电路和串行通讯接口，交流电能测量电路包括电能计量芯片CS5463、交流电压采集单元、交流电流采集单元，交流电压采集单元连接在配电网与用电网间，交流电流采集单元连接在配电网与用电网间，电能计量芯片CS5463分别连接交流电压采集单元、交流电流采集单元，单片机采用芯片STC12C5A60S2，单片机还连接有光伏组件的输出电压和输出电流；
芯片STC12C5A60S2的P0.1-P0.6分别一一连接电能计量芯片CS5463的引脚RESET、SDO、INT、SCLK、SDI、E2，芯片STC12C5A60S2的P3.2连接电能计量芯片CS5463的引脚E1；
电能计量芯片CS5463的引脚VIN+、VIN-分别连接交流电压采集单元的正极输出端、交流电压采集单元的负极输出端，电能计量芯片CS5463的引脚IIN+、IIN-分别连接交流电流采集单元的正极输出端、交流电流采集单元的负极输出端；
交流电压采集单元包括交流电压互感器、电阻R16、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R11、电容C11、电容C12、电容C13，交流电压互感器的一次绕组的一端通过电阻R16连接配电网的火线，交流电压互感器的一次绕组的另一端连接配电网的零线，交流电压互感器的二次绕组的一端通过电阻R12连接交流电压采集单元的正极输出端，交流电压互感器的二次绕组的另一端通过电阻R13连接交流电压采集单元的负极输出端，交流电压互感器的二次绕组的两端间并联有电阻R14，电容C11的一端连接在电阻R12与交流电压采集单元的正极输出端的交汇处，电容C11的另一端连接在电阻R13与交流电压采集单元的负极输出端的交汇处，电容C12的一端连接电阻R12与交流电压互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C12的另一端接地并通过电容C13连接电阻R13与交流电压互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C12并联有电阻R15，电容C13并联有电阻R11；
交流电流采集单元包括交流电流互感器、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R21、电容C21、电容C22、电容C23，交流电流互感器连接在配电网与用电网间，交流电流互感器的一个输出端通过电阻R22连接交流电流采集单元的正极输出端，交流电流互感器的另一个输出端通过电阻R23连接交流电流采集单元的负极输出端，交流电流互感器的两个输出端间并联有电阻R24，电容C21的一端连接在电阻R22与交流电流采集单元的正极输出端的交汇处，电容C21的另一端连接在电阻R23与交流电流采集单元的负极输出端的交汇处，电容C22的一端连接电阻R22与交流电流互感器的二次绕组的一端的交汇处，电容C22的另一端接地并通过电容C23连接电阻R23与交流电流互感器的另一端的二次绕组的交汇处，电容C22并联有电阻R25，电容C23并联有电阻R21。
2.如权利要求1所述的分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，其特征在于：芯片STC12C5A60S2的引脚VCC连接电源，芯片STC12C5A60S2的引脚XTAL1、XTAL2连接有晶振电路，芯片STC12C5A60S2的引脚RST连接有复位电路。
3.如权利要求1所述的分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，其特征在于：芯片STC12C5A60S2的引脚P1.2连接有光伏组件的输出电压，芯片STC12C5A60S2的引脚P1.1连接有光伏组件的输出电流。
4.如权利要求1所述的分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，其特征在于：串行通讯接口连接有PC机。
5.如权利要求1所述的分布式光伏并网系统电量参数双向测量装置，其特征在于：配电网通过并网逆变器连接光伏组件。
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