CN206099899U - 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

一种分布式光伏组串及组件iv特性曲线在线测量系统 Download PDF

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陈志聪
吴丽君
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Abstract

本实用新型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曲线扫描模块分别与光伏组件无线电压传感器、数据管理上位机连接;所述光伏组件无线电压传感器安装在光伏组件上;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。本实用新型所提出的分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统,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

一种分布式光伏组串及组件IV特性曲线在线测量系统
技术领域
[0001]本实用新型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1¥特 性曲线在线测量系统。
背景技术
[0002]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。
[0003] 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,本实用新型也采用基于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,研宄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。
[0004] 目前,公开发表的文献及专利中尚未见有本实用新型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。
[0005] 针对上述光伏阵列在线IV曲线测量技术存在的不足,本实用新型提出一种基于两 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。
发明内容
[OG06] 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,本实用新型的目的在 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。
[0007]为实现上述目的,本实用新型采用以下技术方案实现:
[0008] -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 曲线扫描模块分别与光伏组件无线电压传感器、数据管理上位机连接;所述光伏组件无线 电压传感器安装在光伏组件上;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。
[0009] 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。
[0010] 进一步的,所述光伏组件无线电压传感器包括第一二极管、第一精密电阻、第二精 密电阻、超级电容、第二微处理器及与所述第二微处理器相连接的第三无线收发器、温度传 感器、第二电源管理模块;所述第一二极管阳极与光伏组件正输出连接,阴极与电源管理模 块连接;第一精密电阻一端与光伏组件正输出连接,另一端分别与第二精密电阻一端、第二 微处理器连接;第二精密电阻另一端与光伏组件负输出连接;所述第一无线收发器分别与 第二电源管理模块、温度传感器连接;所述超级电容一端与第二电源管理模块输出连接,另 一端与光伏组件负输出连接。
[0011] 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。
[0012] 进一步的,所述第一无线收发器、第三收发收发器为nRF24101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。
[0013] 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。
[0014] 相较于现有技术,本实用新型具有以下有益效果:本实用新型可实现实时在线的 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
[0015]图1为本实用新型分布式光伏组串和组件IV特性测量系统的结构框图。
[0016]图2为本实用新型光伏子阵列IV曲线扫描模块。
[0017]图3为本实用新型IV特性曲线扫描模块的硬件原理图。
[0018]图4为本实用新型光伏组件无线电压传感器的程序流程图。
[0019]图5为本实用新型IV特性曲线扫描模块的程序流程图。
[0020]图6为本实用新型nRF24L01无线收发器的发送和接收流程图。
[0021]图7为本实用新型与上位机相连的CC2530 ZigBee协调器流程图。
[0022]图8为本实用新型IV曲线扫描模块的CC2530 ZigBee路由器流程图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
[0024]参见图1,本实用新型提供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曲线扫描模块分别与光伏组件无线电压传感器、数据管理上位机连接;所述 光伏组件无线电压传感器安装在光伏组件上;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。
[0025] 参见图2,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。其工作流程示意图参见图3。
[0026] 参见图4,所述光伏组件无线电压传感器包括第一二极管、第一精密电阻、第二精 密电阻、超级电容、第二微处理器及与所述第二微处理器相连接的第三无线收发器、温度传 感器、第二电源管理模块;所述第一二极管阳极与光伏组件正输出连接,阴极与电源管理模 块连接;第一精密电阻一端与光伏组件正输出连接,另一端分别与第二精密电阻一端、第二 微处理器连接;第二精密电阻另一端与光伏组件负输出连接;所述第一无线收发器分别与 第二电源管理模块、温度传感器连接;所述超级电容一端与第二电源管理模块输出连接,另 一端与光伏组件负输出连接。
[0027] 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。较佳的,所述第一无线收 发器、第三收发收发器为nRF24101无线收发器;第二无线收发器、第四收发收发器为CC25 3〇 Zigbee收发器。
[0028] 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。
[0029] 本实用新型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。
[0030] ⑴光伏子阵列IV特性曲线扫描模块
[0031] 本实用新型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。
[0032] 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。
[0033]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。
[0034] 该模块的程序流程图如图3所示。
[0035] (2)光伏组件无线电压传感器;
[0036] 本实用新型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MP1 584EN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。
[0037]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。
[0038] 该无线电压传感器的程序流程图如图5所示。
[0039] (3)两级无线传感网络构建与数据通信实现
[0040] 本实用新型采用低成本、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,本实用新型采用工作于 2.4GHz频段的低成本11RF24L01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CC 253〇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。
[0041] 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,图仙为发送。基于CC253〇的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Z i gBee协调器节点如图8所示。
[0042]以上是本实用新型的较佳实施例,凡依本实用新型技术方案所作的改变,所产生 的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时,均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

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 线扫描模块分别与光伏组件无线电压传感器、数据管理上位机连接;所述光伏组件无线电 压传感器安装在光伏组件上;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。
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、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。
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:所述光伏组件无线电压传感器包括第一二极管、第一精密电阻、第二精密电阻、超级电 容、第二微处理器及与所述第二微处理器相连接的第三无线收发器、温度传感器、第二电源 管理模块;所述第一二极管阳极与光伏组件正输出连接,阴极与电源管理模块连接;第一精 密电阻一端与光伏组件正输出连接,另一端分别与第二精密电阻一端、第二微处理器连接; 第二精密电阻另一端与光伏组件负输出连接;所述第一无线收发器分别与第二电源管理模 块、温度传感器连接;所述超级电容一端与第二电源管理模块输出连接,另一端与光伏组件 负输出连接。
4. 根据权利要求3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。
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:所述第一无线收发器、第三收发收发器为nRF24101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。
6. 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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