CN106357220A - 一种分布式光伏组串及组件iv特性曲线在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式光伏组串及组件伏安(IV)特性曲线在线测量系统，其包括光伏组件无线电压传感器、光伏子阵列IV曲线扫描模块以及上位机数据管理中心。所述的光伏组件无线电压传感器检测组件电压、由超级电容和光伏组件进行供电、通过无线传感网络将电压数据传输给IV曲线扫描模块;IV特性曲线扫描模块对各个组件串进行分时IV曲线扫描，并触发组件的电压传感器进行同步电压数据采集实现组件IV曲线扫描，将组件和组件串的IV数据传输给上位机数据管理中心。本发明能够在线实时地获取精确的光伏组件串及组件的IV特性曲线数据，从而有效提高光伏发电阵列的测试、评估和诊断效率和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电阵列检测领域，特别是一种分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统。
背景技术
由于光伏组件及阵列安装和工作在复杂的户外环境中，同时受到热循环、高湿度、紫外线，风激振等各种环境因素的作用，容易出现局部材料老化、性能下降、裂纹、开路或者短路等各种故障问题，故障的产生会降低电站的发电效率，严重时甚至会发生火灾，危害社会财产安全，为了尽可能地延长光伏发电系统的寿命、使其逼近理论的工作年限，以及提高光伏电站的发电效率，从而降低光伏发电的成本，提高电站的运营过程中的安全性，及时、有效和高效的光伏电站检测十分关键。光伏阵列伏安(IV)特性曲线的测量对于检测和诊断光伏阵列的工作状态和性能具有重要作用。随着世界各国光伏发电装机量的快速增长，光伏阵列的IV特性曲线测量技术近年来得到国内外越来越多的学者和相关机构的关注。
近年来，多种光伏阵列IV曲线测量方法与技术相继被提出，主要有可变功率电阻器测量法，可变电子负载测量法，和动态电容充电测量法。可变功率电阻器测量法通过在光伏阵列中接入可变功率电阻器，人工改变电阻器的阻值，通过电压和电流表人工读取电压、电流值，实现IV曲线的现场测量，该方法耗时、耗力且效率低，不能实现自动IV曲线测量。可变电子负载测量法采用功率晶体管(如MOS功率管、IGBT功率管)作为电子负载，通过电路控制功率管的导通程度改变负载，并通过电压和电流传感器采样光伏阵列的输出电压和电流值实现IV曲线的测量。该方法可自动快速地获取精确的光伏阵列/组件的IV曲线，并可以灵活设置IV曲线扫描的电压步长和控制扫描时间。动态电容充电测量法是把电容作为光伏阵列/组件的可变负载，在光伏阵列对电容进行充电的过程中，通过电压、电流传感器采样光伏阵列/组件的输出电压和电流，从而获取IV特性曲线。该方法也可实现IV曲线的自动快速测量，然而扫描的过程难以灵活控制，当光伏阵列的功率较大时，需要用体积庞大的大容量电容器，导致整个测量系统体积、重量较大，不便于安装和携带。因此，基于可变电子负载的IV曲线测量方法应用较为广泛，本发明也采用基于IGBT的可变电子负载测量法。目前存在的IV曲线测量系统产品主要是与光伏阵列相脱离的便携式IV曲线测量仪器，以辅助检测人员对光伏阵列进行人工检测，无法实现对光伏阵列的在线实时IV曲线测量，检测效率仍然较为低下。为提高光伏阵列的IV特性曲线检测效率，研究其实时在线自动测量系统具有重要意义。目前已有的在线IV曲线测量技术研究主要针对整个光伏阵列，无法实现精细的组件串级和组件级别的在线IV曲线扫描，从而无法用于自动定位存在故障的光伏组件。
针对上述光伏阵列在线IV曲线测量技术存在的不足，本发明提出一种基于两级无线传感网的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，该系统能够自动在线实时获取光伏阵列中各个组件串以及各个组件的精确IV特性曲线。
目前，公开发表的文献及专利中尚未见有本发明所提出的基于两级无线传感器网络的光伏组串及组件级别的分布式光伏IV特性曲线在线测量系统。
发明内容
针对现有的光伏阵列IV特性曲线在线测量技术存在的不足，本发明的目的在于设计一种基于两级无线传感网络的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统。该系统能够自动在线实时获取光伏子阵列中各个组件串以及各个组件的精确IV特性曲线，便于在不影响发电的情况下对光伏阵列进行自动在线定期精细检测，对于提升光伏电站的发电效率和维护效率具有重要作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于：包括光伏组件无线电压传感器、光伏子阵列IV曲线扫描模块以及数据管理上位机；所述光伏子阵列IV曲线扫描模块安装在光伏子阵列汇流箱，其负责对各个光伏组件串的进行IV特性曲线扫描，并实时监测各个组件串的工作电压和电流，以及环境的光照度和温度，并监测的数据通过无线方式上传至数据管理上位机；光伏组件无线电压传感器在光伏子阵列IV曲线扫描模块的触发下，以相同的采样率同步测量光伏组件的工作电压，由于同一组件串中各个串联组件的工作电流与组件串的电流一致，因此实现组件IV曲线的同步测量；数据管理上位机用于保存、查看和管理IV曲线数据。
进一步的，所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与光伏组件输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与光伏组件输出连接，发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
进一步的，所述的光伏子阵列IV曲线扫描模块采用单个的IGBT功率管作为光伏组串的电子负载；通过负反馈的方式实现对光伏组件串输出电压控制扫描；采用间歇脉冲方式施加电子负载，避免IGBT功率管过热而烧毁；采用隔离型的霍尔电压和电流传感器进行组串电压和电流检测；采用继电器分时扫描光伏子阵列中的每个光伏组件串的IV特性曲线、不影响子阵列中其它组件串的发电，同时采用未被扫描的组件串进行供电和对备用蓄电池充电。
进一步的，所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、继电器、电压传感器、电流传感、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与电压传感器输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与电流传感器一端连接；电流传感器另一端与继电器一端连接；继电器另一端与与光伏组件输出连接，IGBT发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
进一步的，光伏组件无线电压传感器通过精密电阻分压方式检测组件电压、由超级电容和光伏组件进行供电、通过无线传感网络将电压数据传输给光伏组件IV曲线扫描模块。
进一步的，所述数据管理上位机与第四无线收发器连接；所述第一无线收发器、第三收发收发器匹配；所述第二无线收发器、第四收发收发器匹配。
进一步的，所述第一无线收发器、第三收发收发器为nRF24l01无线收发器；第二无线收发器、第四收发收发器为CC2530 Zigbee收发器。
进一步的，光伏子阵列IV曲线扫描模块个数为N，N为不小于1的自然数，N取决于光伏子阵列的个数；光伏组件无线电压传感器个数为M，M为不小于2的自然数，M取决于组件串中的组件数。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可实现实时在线的组件级和组件串级的分布式光伏阵列IV曲线扫描，还可实时监测组件级、组件串级和子阵列级的光伏阵列工作电压、电流，各个光伏组件的工作温度，以及各个汇流箱工作环境的光照度和温湿度，从而可以实现对整个光伏阵列的精细监测与测试。
附图说明
图1为本发明分布式光伏组串和组件IV特性测量系统的结构框图。
图2为本发明光伏子阵列IV曲线扫描模块。
图3为本发明IV特性曲线扫描模块的硬件原理图。
图4为本发明光伏组件无线电压传感器的程序流程图。
图5为本发明IV特性曲线扫描模块的程序流程图。
图6为本发明nRF24L01无线收发器的发送和接收流程图。
图7为本发明与上位机相连的CC2530 ZigBee协调器流程图。
图8为本发明IV曲线扫描模块的CC2530 ZigBee路由器流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
一种分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其包括光伏组件无线电压传感器、光伏子阵列IV曲线扫描模块以及数据管理上位机；所述光伏子阵列IV曲线扫描模块安装在光伏子阵列汇流箱，其负责对各个光伏组件串的进行IV特性曲线扫描，并实时监测各个组件串的工作电压和电流，以及环境的光照度和温度，并监测的数据通过无线方式上传至数据管理上位机；光伏组件无线电压传感器在光伏子阵列IV曲线扫描模块的触发下，以相同的采样率同步测量光伏组件的工作电压，由于同一组件串中各个串联组件的工作电流与组件串的电流一致，因此实现组件IV曲线的同步测量；数据管理上位机用于保存、查看和管理IV曲线数据。具体原理框图参见图1。
进一步的，所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与光伏组件输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与光伏组件输出连接，发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
进一步的，所述的光伏子阵列IV曲线扫描模块采用单个的IGBT功率管作为光伏组串的电子负载；通过负反馈的方式实现对光伏组件串输出电压控制扫描；采用间歇脉冲方式施加电子负载，避免IGBT功率管过热而烧毁；采用隔离型的霍尔电压和电流传感器进行组串电压和电流检测；采用继电器分时扫描光伏子阵列中的每个光伏组件串的IV特性曲线、不影响子阵列中其它组件串的发电，同时采用未被扫描的组件串进行供电和对备用蓄电池充电。
进一步的，所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、继电器、电压传感器、电流传感、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与电压传感器输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与电流传感器一端连接；电流传感器另一端与继电器一端连接；继电器另一端与与光伏组件输出连接，IGBT发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
进一步的，光伏组件无线电压传感器通过精密电阻分压方式检测组件电压、由超级电容和光伏组件进行供电、通过无线传感网络将电压数据传输给光伏组件IV曲线扫描模块。
进一步的，所述数据管理上位机与第四无线收发器连接；所述第一无线收发器、第三收发收发器匹配；所述第二无线收发器、第四收发收发器匹配。
进一步的，所述第一无线收发器、第三收发收发器为nRF24l01无线收发器；第二无线收发器、第四收发收发器为CC2530 Zigbee收发器。
进一步的，光伏子阵列IV曲线扫描模块个数为N，N为不小于1的自然数，N取决于光伏子阵列的个数；光伏组件无线电压传感器个数为M，M为不小于2的自然数，M取决于组件串中的组件数。
本发明把整个系统分为三个部分进行说明：（1）光伏子阵列IV特性曲线扫描模块；（2）光伏组件无线电压传感器；（3）两级无线传感网络构建与数据通信实现。
（1）光伏子阵列IV特性曲线扫描模块
本发明整个系统的核心设计之一在于光伏子阵列IV特性曲线扫描模块，如图2所示。该模块安装于光伏子阵列的汇流箱中，负责对各个组件串的进行IV特性曲线扫描，并实时监测各个组件串的工作电压和电流，以及环境的光照度和温度。该模块采用STM32F103微处理器作为主控制器，采用低成本的nRF24L01无线收发器与光伏面板的无线传感器进行通信，采用中等成本的高性能CC2530无线收发器与上位机进行通信，采用光伏组件串结合备用铅酸电池进行供电。
该模块采用单个高耐压、大电流的IGBT功率管(型号IHW30N120R2)作为电子负载，对光伏组件串进行IV特性曲线扫描；通过基于运算放大器的电压负反馈方式控制IGBT的栅极电压以实现对组件串输出电压的设置，并通过STM32的DA输出模块设置组件串的等间隔的扫描电压，为避免IGBT功率管过热而烧毁，采用间歇脉冲方式施加电子负载，让电子负载在IV曲线扫描的过程中有足够的时间进行散热。该模块采用隔离性的霍尔电压传感器LV25-P和霍尔电流传感器LTS15-NP进行电压和电流检测。该模块采用继电器实现对各个组件串的分时IV扫描测试，未被扫描的组件串仍可以与逆变器连接进行发电，因此不影响光伏子阵列的正常发电。该模块采用未被扫描的光伏组件串进行供电以及对其备用铅酸电池进行充电。
该模块在进行组件串IV曲线扫描时，通过nRF24L01无线收发器同步触发该组件串上各个光伏面板进行工作电压同步采集，从而不仅可以实现组件串级的IV曲线扫描，还可以实现组件级的IV曲线扫描。该模块除了进行实时的工作电压、电流监测之外，还可对环境光照度和温湿度进行实时监测。
该模块的程序流程图如图3所示。
（2）光伏组件无线电压传感器；
本发明整个系统的另一个核心设计是光伏组件的无线电压传感器，如图4所示。光伏组件的无线电压传感器安装于光伏组件的接线盒中，采MSP430F1222微处理器作为控制器，利用低成本的nRF24L01无线收发器实现与光伏子阵列IV曲线扫描模块的无线通信；采用精密电阻分压的方式和ADC进行精密电压检测；采用工作温度范围宽的超级电容的作为无线电压传感器的备用电源，以便夜间或者阴雨天时，仍能正常工作；采用光伏组件对无线传感器的供电以及对超级电容进行充电，为了不影响光伏组件的IV特性曲线扫描，在进行扫描时，切换为由超级电容进行供电，在扫描结束时，再切换为由光伏面板进行工作。采用低成本、高效能的MP1584EN电源管理芯片将光伏组件的输出电压转变为3.3V的工作电源。
该无线电压传感器在IV曲线扫描模块的触发下，可以相同的采样率同步测量组件的工作电压，由于同一组件串中各个串联组件的工作电流与组件串的电流一致，因此可实现组件IV曲线的同步测量。除此之外，该无线电压传感器可实时监测组件的工作电压和工作温度。
该无线电压传感器的程序流程图如图5所示。
（3）两级无线传感网络构建与数据通信实现
本发明采用低成本、高性能的两级无线传感器网络实现大量光伏组件、子阵列汇流箱、以及上位机之间的实时可靠通信。光伏阵列由大量光伏组件构成，为降低光伏组件无线传感器的成本，本发明采用工作于2.4GHz频段的低成本nRF24L01无线收发器实现光伏组件无线传感器，光伏组件的无线传感器通过星型拓扑与所属的光伏子阵列IV曲线扫描模块进行局部范围的无线通信，构建第一级无线传感网络。同时为了实现大范围的可靠通信，采用基于CC2530无线收发器的网状或树状拓扑的ZigBee无线传感器网络，构建第二级无线传感网络，实现各个光伏子阵列IV曲线扫描模块与上位机之间的可靠通信。
基于nRF24L01的第一级无线传感网络的接收和发送数据的程序流程图如图6所示,图6a为接收，图6b为发送。基于CC2530的ZigBee无线传感网络的IV曲线扫描模块路由节点的程序流程图如图7所示。与上位机相连接的ZigBee协调器节点如图8所示。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于：包括光伏组件无线电压传感器、光伏子阵列IV曲线扫描模块以及数据管理上位机；所述光伏子阵列IV曲线扫描模块安装在光伏子阵列汇流箱，其负责对各个光伏组件串的进行IV特性曲线扫描，并实时监测各个组件串的工作电压和电流，以及环境的光照度和温度，并监测的数据通过无线方式上传至数据管理上位机；光伏组件无线电压传感器在光伏子阵列IV曲线扫描模块的触发下，以相同的采样率同步测量光伏组件的工作电压，由于同一组件串中各个串联组件的工作电流与组件串的电流一致，因此实现组件IV曲线的同步测量；数据管理上位机用于保存、查看和管理IV曲线数据。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于:所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与光伏组件输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与光伏组件输出连接，发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
3.根据权利要求2所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于:所述的光伏子阵列IV曲线扫描模块采用单个的IGBT功率管作为光伏组串的电子负载；通过负反馈的方式实现对光伏组件串输出电压控制扫描；采用间歇脉冲方式施加电子负载，避免IGBT功率管过热而烧毁；采用隔离型的霍尔电压和电流传感器进行组串电压和电流检测；采用继电器分时扫描光伏子阵列中的每个光伏组件串的IV特性曲线、不影响子阵列中其它组件串的发电，同时采用未被扫描的组件串进行供电和对备用蓄电池充电。
4.根据权利要求2所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于：所述光伏子阵列IV曲线扫描模块包括IGBT、继电器、电压传感器、电流传感、第一电源管理模块、蓄电池、第一微处理器及与所述第一微处理器相连接的第一无线收发器、第二无线收发器、光照度传感器、温湿度传感器、放大器；所述放大器负输入与第一微处理器输出连接，正输入与电压传感器输出连接；所述放大器输出与IGBT基极连接；所述IGBT集电极与电流传感器一端连接；电流传感器另一端与继电器一端连接；继电器另一端与与光伏组件输出连接，IGBT发射极接地；所述第一电源管理模块分别与光伏子阵列汇流箱输出端子、蓄电池连接。
5.根据权利要求4所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于：光伏组件无线电压传感器通过精密电阻分压方式检测组件电压、由超级电容和光伏组件进行供电、通过无线传感网络将电压数据传输给光伏组件IV曲线扫描模块。
6.根据权利要求4所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于:所述数据管理上位机与第四无线收发器连接；所述第一无线收发器、第三收发收发器匹配；所述第二无线收发器、第四收发收发器匹配。
7.根据权利要求4所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于:所述第一无线收发器、第三收发收发器为nRF24l01无线收发器；第二无线收发器、第四收发收发器为CC2530 Zigbee收发器。
8.根据权利要求1-5任一所述的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统，其特征在于: 光伏子阵列IV曲线扫描模块个数为N，N为不小于1的自然数，N取决于光伏子阵列的个数；光伏组件无线电压传感器个数为M，M为不小于2的自然数，M取决于组件串中的组件数。
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