CN208723856U - 一种光伏组件阵列监测系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种光伏组件阵列监测系统，包括：若干个太阳光辐射功率测试模块、若干个前端测控模块、直流汇流箱、并网逆变器、后端测控模块、并网控制箱以及系统控制器；每个前端测控模块连接一路光伏组件阵列，若干个前端测控模块连接一个太阳光辐射功率测试模块，每个前端测控模块分别和直流汇流箱以及系统控制器连接，所述直流汇流箱、并网逆变器和后端测控模块依次连接；系统控制器用于接收前端测控模块和后端测控模块的计算结果，并依据计算结果对出现故障的光伏组件阵列进行定位；所述系统解决了光伏电站工作状态出现异常时，无法对出现故障的光伏组件阵列进行定位的问题，保证了光伏电站的稳定运行。

Description

一种光伏组件阵列监测系统
技术领域
本实用新型涉及光伏发电故障检测技术领域，更具体地，涉及一种光伏组件阵列监测系统。
背景技术
目前光伏发电作为非常清洁的一种能源，深受市场欢迎。光伏发电是利用光电效应把辐射的光能，通过太阳能电池板转化为电能，并经由逆变器并入交流电网的发电系统。光伏发电站由多路光伏组件阵列、汇流箱、逆变器以及并网控制箱组成，光伏发电站一般设计为几十年的使用寿命，所以对光伏发电站的运维管理变得尤为重要。
现有的光伏电站运维管理方式中，通过网络远程监测统计实时发电量是比较常用并且较为成熟的一种技术方案。这种技术方案只能实现对并入交流电网端的电压、电流、功率、电量等数据进行监测，然后配合一些气象数据来判断光伏电站运行是否正常。所以，这种监测方式只能判断整个光伏电站的运行是否正常，无法对引起光伏电站运行异常的设备或者区块进行准确定位，这给维修人员的维护工作造成困难，成为了目前光伏发电领域亟待解决的一个问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种光伏组件阵列监测系统，解决在光伏电站的工作状态出现异常时，无法对出现故障的光伏组件阵列进行定位的问题，实现了对各路光伏电站光伏组件阵列工作状态的实时监控。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种光伏组件阵列监测系统，包括：若干个太阳光辐射功率测试模块、若干个前端测控模块、直流汇流箱、并网逆变器、后端测控模块、并网控制箱以及系统控制器；前端测控模块的输入端分别连接光伏组件阵列和太阳光辐射功率测试模块，前端测控模块的输出端分别连接直流汇流箱和系统控制器，每个太阳光辐射功率测试模块连接若干个前端测控模块，所述直流汇流箱、并网逆变器和后端测控模块依次连接；所述后端测控模块的输出端分别和并网控制箱以及系统控制器连接；
若干个所述前端测控模块，用于获取所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一电压和第一电流，根据第一电压和第一电流计算第一功率，然后根据第一功率计算光伏组件阵列的最大功率理论值；所述前端测控模块还用于获取所述光伏组件阵列输出的第二电压和第二电流，并根据所述第二电压和第二电流计算第二功率，将光伏组件阵列的最大功率理论值、第二电压和第二功率作为前端测控模块的计算结果发送给系统控制器；
所述后端测控模块，用于获取所述并网逆变器输出的第三电压和第三电流，根据所述第三电压和第三电流计算第三功率，并将所述第三电压和第三功率作为后端测控模块的计算结果发送给系统控制器；
所述系统控制器，用于接收所述前端测控模块和后端测控模块的计算结果，并依据计算结果判断光伏组件阵列是否出现故障。
优选地，所述太阳光辐射功率测试模块和所述光伏组件阵列采用的太阳能晶片具有相同的尺寸、型号、规格以及功率，并且安装的角度及方向相同。
优选地，所述前端测控模块，用于获取所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一电压和第一电流，根据第一电压和第一电流计算第一功率，具体计算公式为：
Pref＝Vref*Iref*FF
其中，Vref表示所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一电压，Iref表示所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一电流，Pref表示所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一功率，FF表示所述太阳光辐射功率测试模块的填充因子。
优选地，所述前端测控模块根据第一功率计算出光伏组件阵列的最大功率理论值，具体计算公式为：
其中，Pref表示所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一功率，Nref表示所述太阳光辐射功率测试模块的晶片串接数，Nstring表示光伏组件阵列的单块光伏组件的晶片串接数，Npcs表示光伏组件阵列的光伏组件串接数，MF表示修正因子，Pmax表示光伏组件阵列的最大功率理论值。
优选地，所述前端测控模块，还用于获取所述光伏组件阵列输出的第二电压和第二电流，根据所述第二电压和第二电流计算第二功率，具体计算公式为：
Preal＝Vreal*Ireal
其中，Vreal表示所述前端测控模块获取的光伏组件阵列的第二电压，Ireal表示所述前端测控模块获取的光伏组件阵列的第二电流，Preal表示计算得到的光伏组件阵列的第二功率。
优选地，所述前端测控模块、后端测控模块以及系统控制器均为STM32F103处理器。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
本实用新型提供的一种光伏组件阵列监测系统，通过对若干路光伏组件阵列配合安装太阳光辐射功率测试模块，测试获得光伏组件阵列的实际输出功率与太阳光辐射功率测试模块在当前环境下的电功率，根据太阳光辐射功率测试模块的电功率计算得到光伏组件阵列的最大功率理论值，通过将光伏组件阵列的实际输出功率与最大功率理论值比较，根据比较结果不仅判断出发生故障的光伏组件阵列的具体位置，而且确定了具体的故障类型，提高了光伏电站管理人员对光伏电站的管理效率，避免了某些故障可能导致整个光伏电站停止工作而带来较大的经济损失。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例公开的一种光伏组件阵列监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实施例公开了一种光伏组件阵列监测系统，包括：若干个太阳光辐射功率测试模块101、若干个前端测控模块103、直流汇流箱104、并网逆变器105、后端测控模块106、并网控制箱107以及系统控制器108；每个前端测控模块103的输入端连接一路光伏组件阵列102，若干个前端测控模块103连接一个太阳光辐射功率测试模块101，并且是前端测控模块103的输入端与太阳光辐射功率测试模块连接，每个前端测控模块103的输出端分别和直流汇流箱104以及系统控制器108连接，直流汇流箱104、并网逆变器105和后端测控模块106依次连接，后端测控模块106的输出端分别和并网控制箱107以及系统控制器108连接。本实施例中，每个前端测控模块103连接一个太阳光辐射功率测试模块101。
其中，太阳光辐射功率测试模块101主要用来测试基准功率，太阳光辐射功率测试模块101中的基准光伏板与光伏组件阵列102采用的太阳能晶片具有相同的尺寸、型号、规格以及功率，并且安装的角度及方向相同。太阳光辐射功率测试模块101通过正负二线与前端测试模块103连接。若干路光伏组件阵列102配合安装一块基准光伏板即一个太阳光辐射功率测试模块101，本实施例中，每路光伏组件阵列102配合安装一个太阳光辐射功率测试模块101。
前端测控模块103用于获取太阳光辐射功率测试模块在当前光照和环境条件下的第一电压和第一电流，根据第一电压和第一电流计算第一功率，根据第一功率计算出光伏组件阵列的最大功率理论值，并将第一电压、第一电流、第一功率以及最大功率理论值发送给系统控制器108。第一电压即为太阳光辐射功率测试模块的开路电压，第一电流即为太阳光辐射功率测试模块的短路电流，通过第一电压和第一电流计算第一功率的计算公式为：
Pref＝Vref*Iref*FF
其中，Vref表示太阳光辐射功率测试模块101在当前环境条件下的第一电压，Iref表示太阳光辐射功率测试模块101在当前环境条件下的第一电流，Pref表示太阳光辐射功率测试模块101在当前环境条件下的第一功率，FF表示太阳光辐射功率测试模块101的填充因子。
前端测控模块103根据太阳光辐射功率测试模块的第一功率计算出光伏组件阵列的最大功率理论值的计算公式为：
其中，Pref表示太阳光辐射功率测试模块101在当前环境条件下的第一功率，Nref表示太阳光辐射功率测试模块101的基准光伏板的晶片串接数，Nstring表示光伏组件阵列102的单块光伏组件的晶片串接数，Npcs表示光伏组件阵列102的光伏组件串接数，MF表示修正因子，Pmax表示光伏组件阵列的最大功率理论值。
比如，光伏组件阵列102的单块光伏组件采用40块晶片串接，光伏组件阵列102为30块光伏组件串接而成，那么光伏组件阵列上就具有1200块晶片；太阳光辐射功率测试模块101采用4块晶片串接，而测得太阳光辐射功率测试模块101在当前环境条件下的第一功率为10W，那么每块晶片在当前环境下的工作功率就是2.5W；修正因子为0.8，那么Pmax＝2.5*1200*0.8，即Pmax＝2400W，也即光伏组件阵列的最大功率理论值为2400W。
前端测控模块103还用于获取光伏组件阵列102输出的第二电压和第二电流，根据第二电压和第二电流计算第二功率，具体计算公式为：
Preal＝Vreal*Ireal
其中，Vreal表示前端测控模块103获取的光伏组件阵列102的第二电压，Ireal表示前端测控模块103获取的光伏组件阵列102的第二电流，Preal表示计算得到的光伏组件阵列102的第二功率。
直流汇流箱104用于汇集前端测控模块103输出的第二电流，并输出给并网逆变器105，然后并网逆变器105将输入的直流电转换为交流电，后端测控模块106获取并网逆变器105输出的第三电压和第三电流，根据第三电压和第三电流计算第三功率，并将第三电压、第三电流和第三功率发送给系统控制器108。前端测控模块103以及后端测控模块106均通过RS485总线和系统控制器108连接。系统控制器108接收前端测控模块103和后端测控模块106的计算结果，并依据计算结果对出现故障的光伏组件阵列进行定位。并网控制箱107与后端测控模块106连接，用于对后端测控模块106输出的交流电进行并网，输出到电网中。前端测控模块103的计算结果包括光伏组件阵列102对应的第二电压、第二功率和最大功率理论值；后端测控模块106的计算结果包括并网逆变器105实时输出的第三电压和第三功率。
其中，根据第三电压和第三电流计算第三功率的计算公式为：
Pr3＝Vr3*Ir3
Pr3表示并网逆变器105实时输出的第三功率，Vr3表示并网逆变器105实时输出的第三电压，Ir3表示并网逆变器105实时输出的第三电流。系统控制器108依据前端测控模块103和后端测控模块106的计算结果对出现故障的光伏组件阵列102进行定位的具体过程为：
系统控制器108根据获得的光伏组件阵列的最大功率理论值，计算出光伏组件阵列102最大功率理论值的阈值范围；
当光伏组件阵列的第二功率位于所述阈值范围内时，并且光伏组件阵列的第二电压位于并网逆变器最大功率点跟踪的理想工作电压范围内时，判断光伏组件阵列工作正常；否则，判断光伏组件阵列出现故障。
在光伏组件阵列出现故障的情况下，系统控制器108可依据前端测控模块103和后端测控模块106的计算结果对光伏组件阵列102的故障类型进行进一步判断，具体步骤为：
当光伏组件阵列的第二功率小于所述阈值范围的下限时，并且光伏组件阵列的第二电压位于并网逆变器最大功率点跟踪的第一欠理想工作电压范围内时，判断光伏组件阵列的工作性能变差；
当光伏组件阵列的第二功率小于所述阈值范围的下限时，并且光伏组件阵列的第二电压小于并网逆变器最大功率点跟踪的第一欠理想工作电压范围的下限时，判断光伏组件阵列的工作性能严重变差或者有晶片损坏；
当光伏组件阵列的第二功率小于所述阈值范围的下限时，并且光伏组件阵列的第二电压大于并网逆变器最大功率点跟踪的第二欠理想工作电压范围的上限时，依据后端测控模块获得的第三电压以及第三功率，判断电网出现故障或者并网逆变器出现故障，即若第三电压为零，判断电网出现故障；若第三电压不为零，且第三功率小于或等于光伏组件阵列的第二功率和并网逆变器理论工作效率的乘积时，判断并网逆变器出现故障。
比如，并网逆变器的允许工作电压范围为100V至550V，那么并网逆变器最大功率点跟踪的理想工作电压范围为300V至500V，并网逆变器最大功率点跟踪的第一欠理想工作电压范围为100V至300V，并网逆变器最大功率点跟踪的第二欠理想工作电压范围为500V至550V；光伏组件阵列102最大功率理论值的阈值范围上限表示为t，下限表示为s，其中t＝Pmax+Pmax*10％，s＝Pmax-Pmax*10％；那么当Pmax＝2400W时，光伏组件阵列102最大功率理论值的阈值范围就是(2160，2640)。
光伏组件阵列输出的第二功率为P1，并网逆变器的理论工作效率为40％，若光伏组件阵列的第二功率和并网逆变器理论工作效率的乘积结果表示为P2，则P2＝P1*40％；那么，系统控制器108依据前端测控模块103和后端测控模块106的计算结果对光伏组件阵列的运行状态进行判断的具体过程就是：
当光伏组件阵列的第二功率P1位于2160W与2640W之间时，并且光伏组件阵列的第二电压位于300V与500V之间时，判断光伏组件阵列工作正常；
当光伏组件阵列的第二功率P1小于2160W时，并且光伏组件阵列的第二电压位于100V与300V之间时，判断光伏组件阵列的工作性能变差；
当光伏组件阵列的第二功率P1小于2160W时，并且光伏组件阵列的第二电压小于100V时，判断光伏组件阵列的工作性能严重变差或者有晶片损坏；
当光伏组件阵列的第二功率P1小于2160W时，并且光伏组件阵列的第二电压大于550V时，依据后端测控模块获得的第三电压以及第三功率，判断电网出现故障或者并网逆变器出现故障，即若第三电压为零，判断电网出现故障；若第三电压不为零，且第三功率小于或等于P2时，判断并网逆变器出现故障。
系统控制器108把数据分析判断后的结果通过路由器发送给后台服务器，后台服务器再发送给用户端浏览器显示，方便用户监控光伏电站中所有光伏组件阵列的实时运行状态，当某路光伏组件阵列的工作状态出现异常时，浏览器显示出现故障的光伏组件阵列的具体位置，并且显示系统控制器判断出来的具体故障类型。
本实施例中，前端测控模块、后端测控模块以及系统控制器均为STM32F103处理器。
本实用新型实施例公开的光伏组件阵列监测系统，实现了对光伏组件阵列的实时运行数据的检测和分析，便于用户及时发现出现故障的光伏组件阵列，避免了部分光伏组件阵列出现故障导致整个光伏系统停止工作，保证了光伏电站的稳定运行。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光伏组件阵列监测系统，其特征在于，包括：若干个太阳光辐射功率测试模块、若干个前端测控模块、直流汇流箱、并网逆变器、后端测控模块、并网控制箱以及系统控制器；前端测控模块的输入端分别连接光伏组件阵列和太阳光辐射功率测试模块，前端测控模块的输出端分别连接直流汇流箱和系统控制器，每个太阳光辐射功率测试模块连接若干个前端测控模块，所述直流汇流箱、并网逆变器和后端测控模块依次连接；所述后端测控模块的输出端分别和并网控制箱以及系统控制器连接；
若干个所述前端测控模块，用于获取所述太阳光辐射功率测试模块在当前环境条件下的第一电压和第一电流，根据第一电压和第一电流计算第一功率，然后根据第一功率计算光伏组件阵列的最大功率理论值；所述前端测控模块还用于获取所述光伏组件阵列输出的第二电压和第二电流，并根据所述第二电压和第二电流计算第二功率，将光伏组件阵列的最大功率理论值、第二电压和第二功率作为前端测控模块的计算结果发送给系统控制器；
所述后端测控模块，用于获取所述并网逆变器输出的第三电压和第三电流，根据所述第三电压和第三电流计算第三功率，并将所述第三电压和第三功率作为后端测控模块的计算结果发送给系统控制器；
所述系统控制器，用于接收所述前端测控模块和后端测控模块的计算结果，并依据计算结果判断光伏组件阵列是否出现故障。
2.如权利要求1所述的一种光伏组件阵列监测系统，其特征在于，所述太阳光辐射功率测试模块和所述光伏组件阵列采用的太阳能晶片具有相同的尺寸、型号、规格以及功率，并且安装的角度及方向相同。
3.如权利要求1所述的一种光伏组件阵列监测系统，其特征在于，所述前端测控模块、后端测控模块以及系统控制器均为STM32F103处理器。
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