|
光伏逆變器廠商通常會向用戶提供額定功率、效率曲線、功率因數(shù)等性能參數(shù)，這些可為光伏電站的工程規(guī)劃和基礎(chǔ)建設(shè)提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)。然而，在光伏電站建成投運(yùn)后，仍需監(jiān)測并分析光伏電站各項運(yùn)行數(shù)據(jù)，如有功/無功功率、并網(wǎng)電能質(zhì)量、瞬時轉(zhuǎn)換效率等，從而能對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時故障診斷、運(yùn)行調(diào)度和能量管理。 國內(nèi)外知名的光伏逆變器廠商通常會提供其自有的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，但這些系統(tǒng)主要是配合自家產(chǎn)品，其對外數(shù)據(jù)接口往往是封閉的，對于狀態(tài)參數(shù)、采集速率、分析功能等難于靈活設(shè)置和擴(kuò)展。為此，另外較常使用的方法是將多通道示波器、高精度功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀等專用儀器儀表組合，構(gòu)成專用的監(jiān)測系統(tǒng)。然而，此方案的不足在于: 儀器功能單一、投資成本高，可擴(kuò)展能力不強(qiáng); 設(shè)備操作繁瑣、實(shí)時處理和管理能力較差，且測試數(shù)據(jù)難以存儲，不便于進(jìn)行后續(xù)的處理分析。 鑒于常規(guī)監(jiān)測方案及傳統(tǒng)儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測試和監(jiān)測系統(tǒng)已逐漸引入了虛擬儀器(Virtual Instrument － VI) 技術(shù)。VI 的核心思想是“軟件就是儀器”，它將儀器分為計算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。VI 通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口將各種測量硬件或板卡連接到計算機(jī)平臺上，從而使計算機(jī)及測量儀器等硬件資源與計算機(jī)軟件資源( 如數(shù)據(jù)處理、分析、控制、存儲、顯示等) 有機(jī)結(jié)合起來，用虛擬的計算機(jī)“軟面板”代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的“硬面板”。當(dāng)然，VI 的內(nèi)涵絕不僅僅是兩個面板的替換，這是一場革命，在VI 系統(tǒng)中，硬件僅僅負(fù)責(zé)信號的輸入輸出，而系統(tǒng)的開發(fā)、功能的提升，在很大層度上都要依靠軟件，軟件成為整個儀器的關(guān)鍵。 LabVIEW 是由美國NI 公司創(chuàng)立的一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具，它是一種圖形化的編程語言( G 語言) ，還提供了大量的虛擬儀器和豐富的函數(shù)庫來幫助編程。 本文基于VI 技術(shù)開發(fā)了適用于功率15kW 以下的單相光伏逆變器實(shí)時性能監(jiān)測系統(tǒng)，其對于評估光伏發(fā)電系統(tǒng)性能、診斷系統(tǒng)故障具有非常重要的作用。該監(jiān)測系統(tǒng)的底層硬件主要采用高速多功能數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器及環(huán)境傳感器相結(jié)合對測試過程中的各種電氣參量和過程參量進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)換; 而上層測控系統(tǒng)則基于工業(yè)控制計算機(jī)硬件，其中運(yùn)行NI 公司LabVIEW 環(huán)境中編制的光伏逆變器虛擬儀器測控軟件。此測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光伏逆變器測試過程中各種復(fù)雜的信號分析與顯示功能，并且擴(kuò)展能力強(qiáng)。測試及使用效果表明，該系統(tǒng)能夠滿足光伏逆變器性能分析與實(shí)驗的要求。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計 1.1 系統(tǒng)構(gòu)成 典型的光伏并網(wǎng)逆變器，主要是太陽能光伏陣列，其輸出經(jīng)DC /DC 變換器進(jìn)行最大功率跟蹤( MPPT) ，然后經(jīng)DC /AC 變換器將能量輸送到電網(wǎng)。其中DC /DC 環(huán)節(jié)和DC /AC 環(huán)節(jié)組成了兩級式的光伏逆變器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 圖1 中，待測量電氣參量主要有逆變器輸入側(cè)( 即光伏陣列輸出) 的直流電壓VPV和電流IPV，還有輸出側(cè)的交流電壓VAV以及電流IAV。另外，還可以從逆變器中測量直流母線的電壓VDV以及電流IDV，用于評估逆變器前后級的效率。對于光伏陣列，需要測量其斜面輻照度以及工作溫度，從而可以實(shí)時分析其輸出特性曲線。采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路后通過數(shù)據(jù)采集卡輸送到上位機(jī)軟件中進(jìn)行下一步的分析和處理。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1.2 硬件設(shè)計與選型 為了對各種電氣參量進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)應(yīng)用需要，設(shè)計了以傳感器、信號調(diào)理電路、采集卡為核心的硬件采集系統(tǒng)。 ( 1) 傳感器與變送器 測量的電壓主要有直流電壓與電網(wǎng)電壓，電壓傳感器選擇宇波CHV － 25P /400 模塊，由于功率等級在15kW，因此電流傳感器選擇CHB － 50A 模塊。兩種傳感器的精度均為1%，線性度為0． 1%。 組件溫度測量用T 型熱電偶變送器，輸出信號為電流值，使用精密采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，其測量范圍－ 50℃ ～ 100℃，精度為1℃。 輻照度測量使用TBQ － 2 傳感器及變送器，范圍0 ～ 2000W/m2，精度為5%，與熱電偶一樣也需要采樣電阻進(jìn)行信號變換。 ( 2) 信號調(diào)理與采集 采集卡選擇研華PCI － 1742 型多功能采集卡，其擁有16bit 采樣精度，單通道最大1Ms /s、多通道800ks /s 的采集速率，32 路單端或16 路雙端模擬輸入，輸入電壓范圍為－ 10V ～ 10V。 由于采集卡具有較高的采樣頻率，并且在實(shí)際應(yīng)用中需要分析并網(wǎng)電流的高次諧波，信號調(diào)理電路采用了截止頻率50kHz 的二階無源濾波器。為了抑制共模信號的影響，采集卡的輸入選擇雙端差分輸入的形式。 2 軟件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn) LabVIEW上位機(jī)所需完成的主要工作是對數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲，開發(fā)中采用了LabVIEW 的顯示控件及報表生成工具包，其轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量分析是程序最主要的計算部分。軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 2.1 軟件模式選擇 本監(jiān)測系統(tǒng)需要分析逆變器并網(wǎng)點(diǎn)處的電能質(zhì)只有采樣頻率至少是被采樣信號最高頻率的2 倍以上的時候，被采樣信號頻率才能被真實(shí)還原，通常為了更加精確，選5 ～ 10 倍左右。同時，軟件還需要兼顧被采集信號的分析、顯示與存儲。因此最終選擇將數(shù)據(jù)采集和處理同步進(jìn)行的并行軟件結(jié)構(gòu)。 圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) LabVIEW 具有多種程序并行處理的實(shí)現(xiàn)方式，這里考慮主/從模式和生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式。其中所不同的是生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式多出了一個FIFO 的機(jī)制，主要是避免在使用主/從模式時讀取數(shù)據(jù)率小于寫入數(shù)據(jù)時會發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失。采用FIFO 可以作為數(shù)據(jù)的緩存，根據(jù)實(shí)際情況在兩種模式之間進(jìn)行選擇。 由于采集頻率較高，而CPU 同時需要參與數(shù)據(jù)的處理過程，因此不能讓CPU 響應(yīng)每次的采集，所以選擇DMA( 直接內(nèi)存存取) 方式。在這種方式下的CPU 不會參與到每次的采集過程中，而會直接將采集的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中，僅當(dāng)數(shù)據(jù)存儲到一定數(shù)量的時候才會向CPU 發(fā)出中斷申請，這樣可以大幅度降低CPU 負(fù)擔(dān)，能更加及時得處理其它程序部分。 研華PCI － 1742 型采集卡內(nèi)部有DMA 處理器，軟件實(shí)現(xiàn)時，首先創(chuàng)建一個FIFO 空間，其大小為設(shè)定一次采集點(diǎn)數(shù)的兩倍。將整個FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當(dāng)1#空間才滿時，給從循環(huán)發(fā)送信號，當(dāng)從循環(huán)取出1#空間的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果放在2#空間，然后反過來。若保證數(shù)據(jù)分析的時間小于一次采集的時間，則不會發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。 采集的數(shù)據(jù)都是首先存在緩存中的，然后在每次發(fā)送FIFO 半滿或者全滿信號的時候才會傳到LabVIEW 主程序中。 因此，基于以上考慮，最后選擇的是主/從模式的基本結(jié)構(gòu)。基本框架如圖3 所示。 圖3 主從模式基本框架 2.2 信號采集模塊 為了保證采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性及程序運(yùn)行的可靠性，采集部分的程序的運(yùn)行時間需較為精確，不至于產(chǎn)生時間上的累計誤差。循環(huán)時間間隔定為1s。 同時，為了所得數(shù)據(jù)的連續(xù)性，不能在循環(huán)體內(nèi)使用延時。因此為了保證循環(huán)體能夠按照精確時間間隔進(jìn)行循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)只保留采集的部分，將所有的設(shè)置移到循環(huán)體外。同時需要注意由于采集卡硬件的原因，采樣頻率并不能隨便選取，需要設(shè)定能被10M 所整除的采樣頻率，不然所設(shè)定的采樣頻率和真實(shí)的采樣頻率會有偏差，造成時間上的偏差。 主循環(huán)體內(nèi)程序如圖4 所示。主要的設(shè)置已經(jīng)放置在循環(huán)外，在圖中未顯示。這款采集卡使用的通信方式為事件，即當(dāng)FIFO 為半滿或全滿的時候向CPU 發(fā)送事件，CPU 響應(yīng)之后取出FIFO 的數(shù)據(jù)，然后開始下一輪的采集。 圖4 采集部分程序 最終運(yùn)行結(jié)果顯示，在較長時間里，主循環(huán)都能精確保證1000ms 的循環(huán)間隔。 2.3 數(shù)據(jù)分析模塊 逆變器輸出的波形質(zhì)量是對光伏逆變器性能評估的一個重要組成部分。對于光伏并網(wǎng)逆變器，輸出的波形質(zhì)量需要滿足一定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 由于輸出的電壓是電網(wǎng)電壓，所以主要關(guān)注的是輸出并網(wǎng)電流的一些特性還有逆變器的效率。 首先是對并網(wǎng)電流的諧波分析。采用的方式一般為快速傅里葉變換( FFT) 。FFT 變換是DFT( 離散 傅里葉) 變換的快速算法。DFT 的公式為: 式中x( n) 是采樣值; N 是采樣點(diǎn)數(shù)。 使用FFT 變換的時候有三種固有的效應(yīng)會造成結(jié)果產(chǎn)生誤差，分別是頻譜混疊、柵欄與泄露效應(yīng)。 頻譜混疊主要是因為采樣頻率太低，被采樣信號的最高頻率2 倍大于奈奎斯特頻率所產(chǎn)生的結(jié)果，在所得的頻譜中會產(chǎn)生假頻的成分，對于真實(shí)的信號成分造成影響，從而產(chǎn)生誤差。在實(shí)際中，我們選擇較高的采樣頻率，并且在信號輸入部分加入了信號調(diào)理部分即抗混疊濾波器，這樣可以有效減少頻譜混疊帶來的影響。 柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的原因是由于得到的頻譜是離散化的，并非連續(xù)的。而相鄰兩個頻點(diǎn)的頻率間隔如下: Δf = 1 /T ( 2) 式中T 為一次采集的時間。對于我們所選取的1s，則相鄰兩個頻點(diǎn)間的差為1Hz，即為所有的整數(shù)頻率點(diǎn)，但是在大多數(shù)時候我們所需要分析的頻率點(diǎn)并不是正好分布在這些離散的頻率點(diǎn)上的，而是在這些點(diǎn)之間，比如電網(wǎng)的頻率會在50Hz 附近波動，從而無法觀測到真實(shí)頻點(diǎn)的能量。解決方法可以是加長采樣時間，但系統(tǒng)實(shí)時性降低，故一般采用的方法為特定的插值算法。 頻譜泄露的主要現(xiàn)象是由于采樣頻率并不是被測信號的整數(shù)倍的時候，則信號的能量會擴(kuò)散到整個頻譜上。產(chǎn)生原因是由于我們采樣的點(diǎn)數(shù)是有限的，DFT 變換會將隱性得將采樣點(diǎn)在整個周期內(nèi)進(jìn)行延拓，如圖5 所示。當(dāng)采樣周期不是信號頻率的整數(shù)倍時，在延拓時的邊緣部分會產(chǎn)生階躍，這個階躍的頻譜是分布在整個頻譜上的。 圖5 DFT 變換中的周期延拓 因此可以得到非同步采樣是造成柵欄效應(yīng)和頻譜泄露的根本原因。本系統(tǒng)通過對采集得到的數(shù)據(jù)加窗來抑制頻譜泄露所造成的影響。 對于電能質(zhì)量分析，一般選用余弦窗函數(shù)。不同的窗函數(shù)的選擇原則一般為: 如果測試信號含有多個頻率分量，頻譜表現(xiàn)得十分復(fù)雜，且測試的目的更多關(guān)注頻率而非能量的大小。在這種情況下一般選擇主瓣較窄的窗函數(shù)，Hanning 窗是一個很好的選擇。如果測試目的更多關(guān)注某周期信號頻率點(diǎn)的能量值，那么其幅度的準(zhǔn)確性則更加的重要，可以選擇一個主瓣稍寬的窗，這種情況下flattop 窗是一個很好的選擇。 而如果既想兼顧測量多個頻率點(diǎn)，又想使不同頻率點(diǎn)有較高精度的能量顯示，則需要權(quán)衡主瓣和旁瓣的寬度，選擇較合適的窗函數(shù)。 在本次測試中，權(quán)衡幅值精度和頻率點(diǎn)精度后我們選擇使用Blackman 窗，其表達(dá)式為: 式中RM( n) 為矩形窗函數(shù)。一般使用窗函數(shù)后對幅值會有影響，所以需要對使用窗函數(shù)之后信號的幅值進(jìn)行校正，選擇的校正公式為: 信號的分析除了輸出波形質(zhì)量的分析之外，還有THD 計算，輸出功率及逆變器效率分析。計算公式為: 輸出有功功率計算公式為: 即直接將采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)相乘。式中N 為計算的總點(diǎn)數(shù); T 為采集N 點(diǎn)所需要的時間; uk和ik為同一時刻對應(yīng)的采集值。 功率因數(shù)計算為所得有功功率除以視在功率，視在功率為輸出電壓電流交流均方根值的乘積，即: 實(shí)得的功率因數(shù)略小于1，是因為輸出存在的諧波的影響。逆變器總效率使用輸出的有功功率除以輸入的直流功率即可。 2.4 數(shù)據(jù)顯示與存儲模塊 LabVIEW 最大的特點(diǎn)體現(xiàn)在其圖形化的編程方式上，因此能夠非常方便的進(jìn)行圖形的顯示。 數(shù)據(jù)存儲的模塊使用LabVIEW 的報表生成模塊包，它提供了與Microsoft Office 軟件的接口，可以將生成的數(shù)據(jù)直接存儲在Word 或者Excel 中。同時在存儲時可以直接通過軟件加入各種圖形，使數(shù)據(jù)的表現(xiàn)更加豐富。軟件中數(shù)據(jù)存儲模塊實(shí)現(xiàn)的方式與LabVIEW 代碼如圖6 與圖7 所示。 圖6 數(shù)據(jù)存儲的基本模式 圖7 數(shù)據(jù)存儲模塊程序 最后得到的存儲效果如圖8 所示。存儲數(shù)據(jù)主要是直流電壓電流平均值與交流電流電壓有效值。同時有存儲此值的時間，根據(jù)需要，軟件可以任意增加所需要存儲的數(shù)據(jù)量。 圖8 數(shù)據(jù)存儲的結(jié)果顯示 3 系統(tǒng)實(shí)驗效果 實(shí)驗所使用的硬件平臺如圖9 所示。由光伏模擬器、光伏逆變器、數(shù)據(jù)采集模塊，還有工控機(jī)所組成。實(shí)驗所使用的逆變器為SMA 公司Sunny Boy 型額定功率5000W 的單相光伏并網(wǎng)逆變器。使用Chroma 光伏模擬器根據(jù)EN50530 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生光伏組件特性曲線，參數(shù)為輻照度1000W/m2，峰值功率2500W，與逆變器匹配。 在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，系統(tǒng)前面板的主選項卡如圖10 所示。主選項卡顯示輸入與輸出電流電壓的直流值與有效值。并顯示逆變器效率還有當(dāng)前的系統(tǒng)時間。同時可以擴(kuò)展顯示輻照度。 圖9 系統(tǒng)硬件實(shí)驗平臺 圖10 監(jiān)測系統(tǒng)主窗口 在選項卡外有基本參數(shù)的設(shè)定，主要是采樣頻率和需顯示的諧波次數(shù)，采樣頻率我們默認(rèn)單通道100kHz，這樣可以采集到開關(guān)頻率次的諧波，而需顯示的諧波數(shù)在后面的選項卡中會產(chǎn)生作用。 然后交流波形的選項卡顯示前1s 的輸出交流電壓電流波形。同時包括基頻、有功功率、功率因數(shù)等電能參數(shù)的顯示。電能質(zhì)量分析模塊顯示如圖11 所示。分析目標(biāo)可選擇所采集的所有四個量，交流可以觀察其諧波，而直流可以觀察其紋波大小。圖11 是所分析信號的整個頻率，極限在奈奎斯特頻率處，而下圖為一些低次諧波的含量顯示，同時圖形顯示對于真實(shí)值不夠清晰，還提供了各次諧波含量精確值的查詢。 圖11 電能質(zhì)量分析選項卡 最后的是光伏直流側(cè)的逐秒顯示，主要是針對動態(tài)光照下的測試，如圖12 所示。由于光照的變化是一個長時間的過程，所以我們需要針對長時間下光照變化下逆變器MPPT 的能力，實(shí)時檢測實(shí)際光伏板的輸出特性變化是不可能的，但可以使用光伏模擬器模擬相對嚴(yán)苛光照變化條件下的逆變器MPPT能力，比如圖10 顯示的就是10 分鐘內(nèi)光照在300W/m2 到1000W/m2 快速往復(fù)變化時逆變器直流側(cè)的電壓電流，可以從得到的數(shù)據(jù)中分析出光伏逆變器動態(tài)MPPT 的性能，可以認(rèn)為當(dāng)逆變器接實(shí)際光伏板時的性能與此時相似的。 圖12 動態(tài)光照下直流側(cè)逐秒數(shù)據(jù) 4 結(jié)束語 利用LabVIEW 軟件以及研華PCI － 1742 采集卡以及LabVIEW 強(qiáng)大的功能，完成了整套的光伏并網(wǎng)逆變器監(jiān)測系統(tǒng)。 系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇使用主/從模式，達(dá)到了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的同步，通過軟件的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了精確的循環(huán)時間結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)分析從并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量、功率、效率等出發(fā)全面展示了逆變器性能的各個方面。數(shù)據(jù)存儲方面直接與Excel 相連，使存儲的數(shù)據(jù)更加易于閱讀與后續(xù)處理。 整個系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確顯示逆變器當(dāng)前工作狀態(tài)，并且有較高的可擴(kuò)展性，通過增加采集的信號還能夠加入溫度、輻照度等信息的顯示與分析，瞬時數(shù)據(jù)和長時數(shù)據(jù)的存儲可以方便之后所需要的擴(kuò)展分析。同時系統(tǒng)本身與所使用的逆變器無關(guān)，更換所使用的逆變器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行大幅修改。軟件的維護(hù)和升級都非常方便。適用于不同工況下的光伏逆變器狀態(tài)監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 |
