CN106788253B - 一种光伏组件电压、电流测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电压、电流测量设备，尤其涉及一种光伏组件电压、电流测量设备，包括信号采集电路和DSP控制系统，光伏组件的输出端连接电容充放电电路的输入端，电容充放电电路的输出端连接信号转换电路的输入端，信号转换电路的输出端连接钳位滤波电路的输入端，钳位滤波电路的输出端连接DSP电路；DSP电路的输出端一经驱动电路连接电容充放电电路，DSP电路的输出端二连接指示灯电路的输入端，DSP电路的输出端三连接数据存储模块电路的输入端；系统电源电路的输出端分别给DSP电路、驱动电路、信号转换电路、指示灯电路、数据存储模块电路供电；本发明具有设备轻便，成本低，密度高，连续不间断测量，支持数据存储等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压、电流测量设备，尤其涉及一种光伏组件电压、电流测量设备。
背景技术
人们对能源需求急剧增加，在化石能源日益匮乏的背景下，开发和利用太阳能等可再生能源越来越受到重视。世界各国政府纷纷把充分开发利用太阳能作为可持续发展的能源战略决策。太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。太阳能的利用虽然是无地域限制，随处可得，但目前光伏发电系统效率偏低是光伏发电大规模推广应用的瓶颈，因此如何最大限度地利用光伏阵列所产生的能量是关键问题所在，光伏组件作为太阳能发电系统的重要部分，对发电系统的工作效率和发电量都有很大影响。比如光伏组件的材质、安放角度、表面灰尘、光照强度、环境温度等都会不同程度地影响太阳能发电系统的发电效率。所以，合理利用光伏组件，尽可能地提高光伏组件的发电效率，一直是光伏技术人员的重点研究方向。而对光伏组件发电效率的研究要以其实时的特性参数作为基础。现有技术中光伏组件电压、电流测量设备较少，价格昂贵，大部分较笨重，普及度很低，不利于光伏组件工作效率的研究。
发明内容
本发明的目的是针对以上具体问题，为了克服现有技术的缺陷，从而提供一种结构简单，使用方便的光伏组件电压、电流测量设备，为解决上述技术问题，本发明提供的一种光伏组件电压、电流测量设备。光伏组件的输出端连接电容充放电电路的输入端，电容充放电电路的输出端连接信号转换电路的输入端，信号转换电路的输出端连接钳位滤波电路的输入端，钳位滤波电路的输出端连接DSP电路；DSP电路的输出端一经驱动电路连接电容充放电电路，DSP电路的输出端二连接指示灯电路的输入端，DSP电路的输出端三连接数据存储模块电路的输入端；系统电源电路的输出端分别给DSP电路、驱动电路、信号转换电路、指示灯电路、数据存储模块电路供电。
信号采集电路包括电容充放电电路(主电路)、驱动电路、信号转换电路、钳位滤波电路。
电容充放电电路由光伏组件、压敏电阻R22、双路继电器S1、电容矩阵电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、放电电阻R16、放电电阻R17、开关S2、开关S3、均压电阻R18、均压电阻R19及电流采样电阻R12组成。
当DSP输出信号让继电器闭合使光伏组件和电容之间电路接通，光伏组件开始对电容进行充电。光伏组件经过压敏电阻R22、二极管D1与电容矩阵组成回路；压敏电阻R22用来避免过压；金属膜电阻R13、R14和R15起分压作用，可以将电压信号缩小41倍；二极管D1防止电路反接造成的不良后果；S1作为双路继电器，控制电容矩阵的充电与放电，利用开关S1改变接入回路的电容矩阵的容量，使设备在测量不同的电压范围时，电容矩阵都能有相同的充电时长；金属膜电阻R18与R19作为均压电阻防止因受压不均造成的电容受损；金属膜精密电阻R15起降压作用，是电压信号的采样点；康铜丝电阻R12可以将电流信号转换为电压信号，是电流信号的采样点，将0～10A的电流信号转换为0～0.5V的电压信号；大功率电阻R16与R17并联组成电容矩阵的放电电阻。
驱动电路利用ULN2003芯片可以将DSP的输出信号转换为5V的电压信号控制继电器的开闭。
信号转换电路由电压信号转换电路和电流信号转换电路组成，电压信号转换电路由电阻R1、开关S4、电阻R4、运算放大器U1、电阻R5、运算放大器U2、电阻R2、电阻R3、运算放大器U7、开关S6组成；电流信号转换电路由电阻R6、电阻R7、运算放大器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、运算放大器U4、电阻R11组成。
信号转换电路可以使设备在测量电流信号和不同范围的电压信号时都能接近满量程地将信号传输给DSP系统，在电压信号转换电路中，采用金属膜紧密电阻分压的方式将光伏组件的电压缩小，然后针对各个量程利用运算放大器实现合适的电压增益，将分压所得的信号放大至适合DSP芯片要求的电压范围。电压调理工作由并联的三路同相运算放大电路实现，测量0-120V的电压信号时，不需要再进行信号放大，信号转换电路接入由运算放大器U7构成的跟随器；测量0-80V的电压信号时，信号转换电路接入由运算放大器U2构成的同相放大电路，增益为1.5；测量0-40V的电压信号时，信号转换电路接入由运算放大器U1构成的同相放大电路，增益为2.95；在电流转换电路中电流调理工作由串联的两路反向放大电路实现，增益为5.6，用小阻值的康铜丝电阻将电流信号转化为电压信号，再配合两路反向放大电路将电压信号放大至0～3V。
钳位滤波电路是由电阻与电容构成的一阶RC滤波电路，由电阻R20、二极管D2、二极管D3、电阻R21、电容C13组成，过滤掉异常突变的信号，钳位滤波电路可以限制信号电平，并做一阶RC滤波处理，钳位电阻将信号限制在0-3.3V的范围内，以防烧坏DSP系统。
DSP控制系统单元，采用TMS320F28335DSP作为测量系统的控制芯片。DSP控制系统包括ADC模块、继电器和指示灯控制模块、SD卡存储模块。利用DSP芯片的定时器中断可以闭合继电器和触发ADC采样。信号采集结束后，DSP停止触发ADC采样，并发出信号关闭继电器使电路放电。待数据处理完毕并存入SD卡后系统停止，等待DSP发出下一个采集指令。DSP系统软件设有中位值滤波算法和递推平均滤波算法，中位值滤波算法是将每次采集到的5个数据排序后取中间值作为有效值；递推平均滤波算法是将采集到的5个数据看成一个队列，将每次采到的一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个数据，取队列的算术平均值作为有效值；DSP系统的定时器设置为3s，系统每3s将标志位Start置1，Start置1后系统开始采集信号，采够一定量的信号后，ADC模块停止采样，继电器关闭，并将Start置0，等待下一次将Start置1；ADC模块集成于DSP内部，可以同时转换两路模拟信号；继电器和指示灯控制模块由DSP的定时器控制；数据存储模块是系统采集并处理完数据值后，DSP处理单元SPI(Serial Interface-串行外设接口)，将数据写入SD卡。
本发明采用有直流+5V、-12V、+12V三路电压输出的蓄电池对测量系统进行供电。
本发明的有益效果是：
本发明具有设备轻便，成本低，测量速度快、密度高，可连续不间断测量，支持数据存储等特点。
附图说明
图1为电容充放电电路电路图；
图2为电压信号转换电路电路图；
图3为电流信号转换电路电路图；
图4为钳位滤波电路电路图；
图5为系统的整体结构图；
图6为DSP系统软件部分的整体流程图；
图7为DSP系统软件部分的采样指令发布的流程图；
图8为DSP系统软件部分的中位值滤波算法流程图；
图9为DSP系统软件部分的递推平均滤波算法流程图；
具体实施方式
一种光伏组件电压、电流测量设备包括信号采集电路和DSP控制系统。
信号采集电路包括电容充放电电路、驱动电路、信号转换电路、钳位滤波电路。
电容充放电电路由光伏组件、压敏电阻R22、双路继电器S1、电容矩阵电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、放电电阻R16、放电电阻R17、开关S2、开关S3、均压电阻R18、均压电阻R19及电流采样电阻R12组成。
信号转换电路由电压信号转换电路和电流信号转换电路组成，电压信号转换电路由电阻R1、开关S4、电阻R4、运算放大器U1、电阻R5、运算放大器U2、电阻R2、电阻R3、运算放大器U7、开关S6组成；电流信号转换电路由电阻R6、电阻R7、运算放大器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、运算放大器U4、电阻R11组成。
钳位滤波电路由电阻R20、二极管D2、二极管D3、电阻R21、电容C13组成。
驱动电路由ULN2003芯片组成。
DSP控制系统包括ADC模块、继电器和指示灯控制模块、SD卡存储模块，本发明采用TMS320F28335DSP作为测量系统的控制芯片，利用DSP芯片的定时器中断可以闭合继电器和触发ADC采样，信号采集结束后，DSP停止触发ADC采样，并发出信号关闭继电器使电路放电，待数据处理完毕并存入SD卡后系统停止，等待DSP发出下一个采集指令。
光伏组件的输出端连接电容充放电电路的输入端，电容充放电电路的输出端连接信号转换电路的输入端，信号转换电路的输出端连接钳位滤波电路的输入端，钳位滤波电路的输出端连接DSP电路；DSP电路的输出端一经驱动电路连接电容充放电电路，DSP电路的输出端二连接指示灯电路的输入端，DSP电路的输出端三连接数据存储模块电路的输入端；系统电源电路的输出端分别给DSP电路、驱动电路、信号转换电路、指示灯电路、数据存储模块电路供电。
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
图1示出了电容充放电电路的电路图，当DSP控制单元发出继电器闭合信号时，光伏组件开始对电容充电，压敏电阻R22用来避免过压，金属膜电阻R13、R14和R15的电阻为20KΩ，起分压作用，将电压信号缩小41倍，二极管D1防止电路反接造成的不良后果，双路继电器S1用来控制电容矩阵的充电与放电，开关S2和S3，改变电容矩阵的容量，金属膜电阻R18与R19电阻为100KΩ，作为均压电阻，防止因受压不均造成的电容受损，康铜丝电阻R12电阻为0.05KΩ作为电流信号采样点，当电流信号为10A的转换为0.5V的电压信号；大功率电阻R16与R17并联组成电容矩阵的放电电阻，电阻为150KΩ，电容矩阵电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12的电容都是100μF。
图2示出了电压信号转换电路电路图，如当测量100V的电压信号时，不需要再进行信号放大，电压信号转换电路接入由运算放大器U7构成的跟随器；如当测量60V的电压信号时，电压信号转换电路接入由运算放大器U2构成的同相放大电路，增益为1.5；测量30V的电压信号时，电压信号转换电路接入由运算放大器U1构成的同相放大电路，增益为2.95，电阻R1的电阻为1KΩ，电阻R2的电阻为2KΩ，电阻R3的电阻为1KΩ，电阻R4的电阻为2KΩ，电阻R5的电阻为3.9KΩ。
图3示出了电流信号转换电路电路图，电流信号转换电路由两路反向放大电路串联组成，增益为5.6，电阻R6的电阻为2KΩ，电阻R7的电阻为2KΩ，电阻R1的电阻为2KΩ，电阻R8的电阻为2KΩ，电阻R9的电阻为1KΩ，电阻R10的电阻为2KΩ，电阻R11的电阻为5.6KΩ。
图4示出钳位滤波电路电路图，钳位滤波电路是由电阻与电容构成的一阶RC滤波电路，可以将异常突变的信号过滤掉，如钳位滤波电路将信号控制为3.0V，以防烧坏DSP系统，电阻R20的电阻为1KΩ，电阻R21的电阻为1KΩ，电容C12为100μF，二极管D2和二极管D3为BAV100。
图5示出系统的整体结构图，该测量系统主要由DSP控制单元、驱动电路、电容充放电电路、信号转换电路、数据通信模块等部分组成；当DSP控制单元发出继电器闭合信号时，光伏组件开始对电容充电，DSP芯片通过ADC高速同步采集由信号转换电路传递来的电压电流信号。采集过程结束后，DSP芯片对采集来的数据通过中位值滤波算法和递推平均滤波算法进行计算、筛选，将处理后的数据写入SD卡，DSP给继电器的信号取反，电路开始放电；电容放电结束后，系统重复上面的过程，继续采集存储下一周期的特性参数。
图6示出DSP系统软件部分的整体流程图，DSP系统接到采样指令后，所述双路继电器闭合，短暂延时后，ADC开始采样。采够一定量的电压电流信号后，DSP系统发出信号关闭双路继电器，停止ADC采样，对数据进行处理后将数据写入SD卡。
图7示出DSP系统软件部分的采样指令发布的流程图，DSP系统的定时器设置为3s，系统每3s将标志位Start置1，Start置1后系统开始采集信号，采够一定量的信号后，ADC模块停止采样，继电器关闭，并将Start置0，等待下一次将Start置1。
图8示出DSP系统软件部分的中位值滤波算法流程图，中位值滤波算法是将每次采集到的5个数据排序后取中间值作为有效值。
图9示出DSP系统软件部分的递推平均滤波算法流程图，递推平均滤波算法是将采集到的5个数据看成一个队列，将每次采到的一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一个数据，取队列的算术平均值作为有效值。
Claims (6)
1.一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：光伏组件的输出端连接电容充放电电路的输入端，电容充放电电路的输出端连接信号转换电路的输入端，信号转换电路的输出端连接钳位滤波电路的输入端，所述钳位滤波电路的输出端连接DSP电路；DSP电路的输出端一经驱动电路连接电容充放电电路，DSP电路的输出端二连接指示灯电路的输入端，DSP电路的输出端三连接数据存储模块电路的输入端；系统电源电路的输出端分别给DSP电路、驱动电路、信号转换电路、指示灯电路、数据存储模块电路供电；所述的电容充放电电路由光伏组件、压敏电阻R22、双路继电器S1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、放电电阻R16、放电电阻R17、开关S2、开关S3、均压电阻R18、均压电阻R19及电流采样电阻R12组成；光伏组件正极通过正极主线路串上一个二极管D1、所述二极管D1后面再串联一个双路继电器S1，所述双路继电器S1与电容充放电阵列的正极连接；电容充放电阵列中，C1、C2串联，C3、C4串联，R18、R19串联，C5、C6串联，C7、C8串联，C9、C10串联，C11、C12串联，将串联的C1、C2，C3、C4，R18、R19，C5、C6，C7、C8，C9、C10，C11、C12并联在一起，通过开关S3将C5、C7单独分开，通过开关S2将C5和R18单独分开，电容充放电阵列的负极接一个电阻R12，电阻R12的另一端接GND，在光伏组件两端并入一个压敏电阻R22和三个彼此串联的电阻R13、R14、R15，R16、R17并联后接在电容充放电阵列两端。
2.如权利要求1所述的一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：所述的信号转换电路由电压信号转换电路和电流信号转换电路组成。
3.如权利要求1所述的一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：所述的钳位滤波电路由电阻R20、二极管D2、二极管D3、电阻R21、电容C13组成。
4.如权利要求1所述的一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：所述的驱动电路由ULN2003芯片组成。
5.如权利要求2所述的一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：所述的电压信号转换电路由并联的三路同相运算放大电路组成，所述并联的三路同相运算放大电路由电阻R1、开关S4、电阻R4、运算放大器U1、电阻R5、运算放大器U2、电阻R2、电阻R3、运算放大器U7、开关S6组成；电容充放电电路的输出端连接电阻R1，然后串联开关S4，通过开关S4控制由运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U7分别构成的电压信号放大电路的正极；运算放大器U1输出端串联一个电阻R5连接到运算放大器U1的负极，再串上一个电阻R4接地；运算放大器U2输出端串联一个电阻R3连接到运算放大器U2的负极，再串上一个电阻R2接地；运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U7输出端连接电压信号转换电路的输出端。
6.如权利要求2所述的一种光伏组件电压和电流测量设备，其特征在于：所述的电流信号转换电路由串联的两路反向放大电路组成，所述串联的两路反向放大电路由电阻R6、电阻R7、运算放大器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、运算放大器U4、电阻R11组成；电容充放电电路的输出端连接电流信号转换电路输入端，电流信号经过电阻R6接入运算放大器U5的负极，然后在运算放大器U5的负极和输出端的两端并入一个电阻R8，运算放大器U5输出端串联电阻R9，将信号传送到运算放大器U4的负极，然后在运算放大器U4负极和输出端的两端并入一个电阻R11；运算放大器U5的正极串联一个电阻R7并连接到GND，运算放大器U4的正极串联电阻R10并连接到GND。
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