CN105897161A - 一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统及其测试方法 - Google Patents

一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，所述检测系统主要包括被测光伏组件、CPU模块、数据采集模块、电容组、最大功率输出模块、充放电控制模块、数据存储模块、显示模块和时钟模块。所述检测系统采用动态电容充放电的检测方法，检测光伏组件的I‑V、P‑V特性，同时同步采集背板温度、环境温度和辐照度等环境参数，并将采集的电气参数和环境参数存储到SD卡中。

Description

一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统及其测试方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
近年来，随着光伏产业的迅猛发展，科研人员和光伏系统用户对各大企业生产的光伏组件的要求越来越高，人们希望能对光伏组件的输出性能进行实时监测，从而使光伏组件的工作效率最大化，即让光伏组件以最大功率点输出。而光伏组件的户外工况较为多变，组件输出受环境及气候的影响较大，辐照度、温度、砂砾等都是影响光伏组件功率输出的因素，如此一来，光伏组件的实际工作效率会相比实验室测试时有很大不同。因此，有必要在实际户外工况下对光伏组件进行输出特性的实时检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，能够采集被测光伏组件的I-V、P-V特性曲线，同时检测环境温度、背板温度和辐照度，并将所采集的数据存储。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，包括被测光伏组件、CPU模块、数据采集模块、电容组、最大功率输出模块、充放电控制模块、数据存储模块、显示模块和时钟模块，所述数据采集模块包括电流采集模块、电压采集模块、辐照度采集模块和温度采集模块；
所述充放电控制模块用于控制蓄电池组充放电；
所述最大功率输出模块、显示模块、时钟模块以及数据存储模块分别与CPU模块连接，所述CPU模块通过充放电控制模块给蓄电池组充电，所述被测光伏组件与电容组直接连接，所述温度采集模块和辐照度采集模块分别通过AD采样调理电路与CPU模块连接，所述被测光伏组件的数据经由电流采集模块和电压采集模块传送到CPU模块。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述被测光伏组件与电压数据采集模块并联连接，所述被测光伏组件与电流数据采集模块串联连接，电流数据采集模块串联连接第一开关(S1)、电容组后连接至被测光伏组件，电流数据采集模块串联连接第一开关(S1)、第二开关(S2)、功率电阻后连接至被测光伏组件，所述被测光伏组件分别与最大功率输出模块、充放电控制模块、与蓄电池组、电源模块并联连接。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述第一开关(S1)、第二开关(S2)均选用MOSFET管，采用驱动电路驱动所述MOSFET管的通断，MOSFET管的栅极连接所述驱动电路。
前述述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述电容组包括多个并联连接的同一型号的电容。
进一步地，所述电容组为四个并联连接的电容，在第二电容和第三电容的一端串联连接一手动开关(S3)。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述最大功率输出模块为Boost电路，所述Boost电路包括电感、电容、MOSFET和二极管，所述Boost电路的上级电路正极输出分别与电感、二极管串联连接，与MOSFET、电容并联连接；并联一N型MOSFET，所述电感的输出端与MOSFET的漏极连接，Boost电路的上级电路的负极输出与MOSFET的源极连接；电感的输出端与二极管正极连接；电容的一端与二极管负极连接，二极管的另一端与MOSFET的源极连接。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述蓄电池组包括四个并联连接的蓄电池，所述充放电控制模块与蓄电池组并联连接。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统的测试方法，其特征在于，所述CPU模块采用DSP芯片，包括以下步骤：
(a)根据所述被测光伏组件的最大输出功率的大小，选择合适的电容组并联形式，即对于额定功率大于或等于150W的被测光伏组件，选择四个电容并联的形式，对于额定功率小于150W的被测光伏组件，选择两个电容并联的形式；
(b)所述DSP芯片控制第二开关(S2)接通、第一开关(S1)断开，即接通电容组放电电路，进入步骤(c)对电容组充电，使电容组上电压为0；
(c)所述DSP芯片控制第二开关(S2)断开，第一开关S1接通，被测光伏组件对电容组充电；同时，电压采集模块采集被测光伏组件的电压数据，电流采集模块采集被测光伏组件的电流数据，辐照度采集模块采集当前的辐照数据，温度采集模块采集当前的环境温度和被测光伏组件的背板温度，采集的数据送入数据存储模块存储；
(d)所述电容组充满电后，DSP芯片控制接通电容组放电电路，即功率电阻，同时，最大功率输出模块控制被测光伏组件以被测光伏组件的最大功率输出，充放电控制模块对蓄电池组进行充电，所述户外光伏组件检测系统的检测周期为5s,s为时间单位秒。
进一步地，蓄电池组充电方法为：
蓄电池组的总容量记为Q，蓄电池组的剩余容量记为M，
(1)当M>80％Q时，即蓄电池组的剩余容量充足，蓄电池组以电流I＝4×0.1C恒流模式充电，直到蓄电池组两端电压升至14.5V，保持U＝14.5V恒压模式充电，最后蓄电池组以浮充电压进行浮充,C为蓄电池的容量；
(2)当20％Q<M<80％Q时，以光伏组件输出最大功率点给蓄电池组充电，即以电流I＝4×Im的恒流模式充电，Im为光伏组件最大功率点对应的电流；
(3)当M<20％Q时，蓄电池组以电流I＝4×0.03C恒流模式充电。
前述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统的测试方法，其特征在于，所述检测系统为自供电模式，所述蓄电池组存储的电量经由电源模块将电量转换为12V、5V、3.3V给各芯片供电,其中,12V给所述CPU模块的CPU板、TL277供电，5V给所述温度采集模块的运算放大器LM2902供电，3.3V给所述时钟模块的DS1339C-33、显示模块的LCD液晶显示屏供电。
本发明所达到的有益效果：
本发明的户外光伏组件检测系统采用动态电容充放电的检测方法，能够采集被测光伏组件的I-V、P-V特性曲线，同时检测环境温度、背板温度和辐照度，并将所采集的数据送入数据存储模块存储。
附图说明
图1为本发明的户外光伏组件检测系统的总框图；
图2为本发明的户外光伏组件检测系统的总电路示意图；
图3为本发明的图1和图2中的电容组结构示意图；
图4为本发明的图1和图2中的最大功率输出模块的Boost电路；
图5为本发明的户外光伏组件检测系统的数据处理总流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的户外光伏组件检测系统，包括被测光伏组件、CPU模块、数据采集模块、电容组、最大功率输出模块、充放电控制模块、数据存储模块、显示模块和时钟模块，数据采集模块包括电流采集模块、电压采集模块、辐照度采集模块和温度采集模块；充放电控制模块用于控制蓄电池组充放电；本发明的户外光伏组件检测系统能够采集被测光伏组件的I-V、P-V特性曲线，同时检测环境温度、背板温度和辐照度，并将所采集的数据送入数据存储模块存储。
最大功率输出模块、显示模块、时钟模块以及数据存储模块分别与CPU模块连接，CPU模块通过充放电控制模块给蓄电池组充电，被测光伏组件与电容组直接连接，温度采集模块和辐照度采集模块分别通过AD采样调理电路与CPU模块连接，被测光伏组件的数据经由电流采集模块和电压采集模块传送到CPU模块。
优选地，CPU模块选用TI公司生产的DSP芯片，型号为TMS320F28027
进一步地，数据采集模块，包括电流数据采集模块、电压数据采集模块、辐照度采集模块和环境温度及背板温度采集模块。数据模块中，电气参数的采集由电压、电流采样调理电路实现，环境参数的采集由温度、辐照度采样调理电路实现。电压电流采样电路采用运算放大器，将采集的初始数据差分调整至0～3.3V的范围，然后经调理电路调理稳定信号。辐照度采集模块中的辐照仪选用锦州阳光生产的TBQ-2，所述的温度采集模块中的温度传感器选用Pt100。所述数据存储模块中，在该系统外置一SD卡插槽，将数据采集模块采集的电气参数和环境参数存储在SD卡中，必要时将SD卡拔出读取数据。同时，显示模块LCD可以实时显示当前的电气参数和环境参数。所述的时钟模块为数据存储提供时间记录。
本发明的户外光伏组件检测系统基本模块连接方式如图2所示，被测光伏组件与电压数据采集模块并联连接，被测光伏组件与电流数据采集模块串联连接，电流数据采集模块串联连接第一开关S1、电容组后连接至被测光伏组件，电流数据采集模块串联连接第一开关S1、第二开关S2、功率电阻后连接至被测光伏组件，被测光伏组件分别与最大功率输出模块、充放电控制模块、与蓄电池组、电源模块并联连接。
第一开关S1、第二开关S2均选用MOSFET管，采用驱动电路驱动MOSFET管的通断，MOSFET管的栅极连接驱动电路。
电容组包括多个并联连接的同一型号的电容，其并联形式如图3所示。
电容组为四个并联连接的电容，在第二电容和第三电容的一端串联连接一手动开关S3；当被测光伏组件最大输出功率较大时，切换成四个电容并联接入电路，反之，则切换成两个电容并联的形式。
最大功率输出模块采用Boost电路，Boost电路图如图4所示，Boost电路包括电感、电容、MOSFET和二极管。Boost电路的上级电路正极输出分别与电感、二极管串联连接，与MOSFET、电容并联连接，MOSFET为N型MOSFET，电感的输出端与MOSFET的漏极连接，Boost电路的上级电路的负极输出与MOSFET的源极连接；电感的输出端与二极管正极连接；电容的一端与二极管负极连接，二极管的另一端与MOSFET的源极连接。该电路工作时由DSP给MOSFET输入一定占空比的PWM波，从而通过电路得到相应的输出电压。
进一步地，蓄电池组包括四个并联连接的蓄电池，充放电控制模块与蓄电池组并联连接。
如图5所示，CPU模块采用DSP芯片，包括以下步骤：
(a)根据所述被测光伏组件的最大输出功率的大小，选择合适的电容组并联形式，即对于额定功率大于或等于150W的被测光伏组件，选择四个电容并联的形式，对于额定功率小于150W的被测光伏组件，选择两个电容并联的形式；
(b)DSP芯片控制第二开关S2接通、第一开关S1断开，即接通电容组放电电路，进入步骤(c)对电容组充电，使电容组上电压为0；
(c)DSP芯片控制第二开关S2断开，第一开关S1接通，被测光伏组件对电容组充电；同时，电压采集模块采集被测光伏组件的电压数据，电流采集模块采集被测光伏组件的电流数据，辐照度采集模块采集当前的辐照数据，温度采集模块采集当前的环境温度和被测光伏组件的背板温度，采集的数据送入数据存储模块存储；
(d)电容组充满电后，DSP芯片控制接通电容组放电电路，即功率电阻，同时，最大功率输出模块控制被测光伏组件以被测光伏组件的最大功率输出，充放电控制模块对蓄电池组进行充电，户外光伏组件检测系统的检测周期为5s,s为时间单位秒。
蓄电池组充电方法为：
蓄电池组的总容量记为Q，蓄电池组的剩余容量记为M，
(1)当M>80％Q时，即蓄电池组的剩余容量充足，蓄电池组以电流I＝4×0.1C恒流模式充电，直到蓄电池组两端电压升至14.5V，保持U＝14.5V恒压模式充电，最后蓄电池组以浮充电压进行浮充,C为蓄电池的容量；
(2)当20％Q<M<80％Q时，以光伏组件输出最大功率点给蓄电池组充电，即以电流I＝4×Im的恒流模式充电，Im为光伏组件最大功率点对应的电流；
(3)当M<20％Q时，蓄电池组以电流I＝4×0.03C恒流模式充电。
再进一步地，检测系统为自供电模式，蓄电池组存储的电量经由电源模块将电量转换为12V、5V、3.3V给各芯片供电，其中,12V给CPU模块的CPU板、TL277等供电，5V给温度采集模块的运算放大器LM2902等供电，3.3V给时钟模块的DS1339C-33、显示模块的LCD液晶显示屏等供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，包括被测光伏组件、CPU模块、数据采集模块、电容组、最大功率输出模块、充放电控制模块、数据存储模块、显示模块和时钟模块，所述数据采集模块包括电流采集模块、电压采集模块、辐照度采集模块和温度采集模块；
所述充放电控制模块用于控制蓄电池组充放电；
所述最大功率输出模块、显示模块、时钟模块以及数据存储模块分别与CPU模块连接，所述CPU模块通过充放电控制模块给蓄电池组充电，所述被测光伏组件与电容组直接连接，所述温度采集模块和辐照度采集模块分别通过AD采样调理电路与CPU模块连接，所述被测光伏组件的数据经由电流采集模块和电压采集模块传送到CPU模块。
2.根据权利要求1所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述被测光伏组件与电压数据采集模块并联连接，所述被测光伏组件与电流数据采集模块串联连接，电流数据采集模块串联连接第一开关(S1)、电容组后连接至被测光伏组件，电流数据采集模块串联连接第一开关(S1)、第二开关(S2)、功率电阻后连接至被测光伏组件，所述被测光伏组件分别与最大功率输出模块、充放电控制模块、与蓄电池组、电源模块并联连接。
3.根据权利要求2所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述第一开关(S1)、第二开关(S2)均选用MOSFET管，采用驱动电路驱动所述MOSFET管的通断，MOSFET管的栅极连接所述驱动电路。
4.根据权利要求2所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述电容组包括多个并联连接的同一型号的电容。
5.根据权利要求4所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述电容组为四个并联连接的电容，在第二电容和第三电容的一端串联连接一手动开关(S3)。
6.根据权利要求1所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述最大功率输出模块为Boost电路，所述Boost电路包括电感、电容、MOSFET和二极管，所述Boost电路的上级电路正极输出分别与电感、二极管串联连接，与MOSFET、电容并联连接；并联一N型MOSFET，所述电感的输出端与MOSFET的漏极连接，Boost电路的上级电路的负极输出与MOSFET的源极连接；电感的输出端与二极管正极连接；电容的一端与二极管负极连接，二极管的另一端与MOSFET的源极连接。
7.根据权利要求1所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统，其特征在于，所述蓄电池组包括四个并联连接的蓄电池，所述充放电控制模块与蓄电池组并联连接。
8.根据权利要求2所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统的测试方法，其特征在于，所述CPU模块采用DSP芯片，包括以下步骤：
(a)根据所述被测光伏组件的最大输出功率的大小，选择合适的电容组并联形式，即对于额定功率大于或等于150W的被测光伏组件，选择四个电容并联的形式，对于额定功率小于150W的被测光伏组件，选择两个电容并联的形式；
(b)所述DSP芯片控制第二开关(S2)接通、第一开关(S1)断开，即接通电容组放电电路，进入步骤(c)对电容组充电，使电容组上电压为0；
(c)所述DSP芯片控制第二开关(S2)断开，第一开关S1接通，被测光伏组件对电容组充电；同时，电压采集模块采集被测光伏组件的电压数据，电流采集模块采集被测光伏组件的电流数据，辐照度采集模块采集当前的辐照数据，温度采集模块采集当前的环境温度和被测光伏组件的背板温度，采集的数据送入数据存储模块存储；
(d)所述电容组充满电后，DSP芯片控制接通电容组放电电路，即功率电阻，同时，最大功率输出模块控制被测光伏组件以被测光伏组件的最大功率输出，充放电控制模块对蓄电池组进行充电，所述户外光伏组件检测系统的检测周期为5s,s为时间单位秒。
9.根据权利要求8所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统的测试方法，其特征在于，蓄电池组充电方法为：
蓄电池组的总容量记为Q，蓄电池组的剩余容量记为M，
(1)当M>80％Q时，即蓄电池组的剩余容量充足，蓄电池组以电流I＝4×0.1C恒流模式充电，直到蓄电池组两端电压升至14.5V，保持U＝14.5V恒压模式充电，最后蓄电池组以浮充电压进行浮充,C为蓄电池的容量；
(2)当20％Q<M<80％Q时，以光伏组件输出最大功率点给蓄电池组充电，即以电流I＝4×Im的恒流模式充电，Im为光伏组件最大功率点对应的电流；
(3)当M<20％Q时，蓄电池组以电流I＝4×0.03C恒流模式充电。
10.根据权利要求8所述的基于动态电容充放电的户外光伏组件检测系统的测试方法，其特征在于，所述检测系统为自供电模式，所述蓄电池组存储的电量经由电源模块将电量转换为12V、5V、3.3V给各芯片供电,其中,12V给所述CPU模块的CPU板、TL277供电，5V给所述温度采集模块的运算放大器LM2902供电，3.3V给所述时钟模块的DS1339C-33、显示模块的LCD液晶显示屏供电。
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