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光伏逆變器廠商通常會向用戶提供額定功率、效率曲線、功率因數等性能參數，這些可為光伏電站的工程規劃和基礎建設提供必要的基礎參數。然而，在光伏電站建成投運后，仍需監測并分析光伏電站各項運行數據，如有功/無功功率、并網電能質量、瞬時轉換效率等，從而能對系統進行實時故障診斷、運行調度和能量管理。 國內外知名的光伏逆變器廠商通常會提供其自有的監控系統解決方案，但這些系統主要是配合自家產品，其對外數據接口往往是封閉的，對于狀態參數、采集速率、分析功能等難于靈活設置和擴展。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、電能質量分析儀等專用儀器儀表組合，構成專用的監測系統。然而，此方案的不足在于: 儀器功能單一、投資成本高，可擴展能力不強; 設備操作繁瑣、實時處理和管理能力較差，且測試數據難以存儲，不便于進行后續的處理分析。 鑒于常規監測方案及傳統儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測試和監測系統已逐漸引入了虛擬儀器(Virtual Instrument － VI) 技術。VI 的核心思想是“軟件就是儀器”，它將儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。VI 通過標準的數字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口將各種測量硬件或板卡連接到計算機平臺上，從而使計算機及測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源( 如數據處理、分析、控制、存儲、顯示等) 有機結合起來，用虛擬的計算機“軟面板”代替傳統儀器的“硬面板”。當然，VI 的內涵絕不僅僅是兩個面板的替換，這是一場革命，在VI 系統中，硬件僅僅負責信號的輸入輸出，而系統的開發、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鍵。 LabVIEW 是由美國NI 公司創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具，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庫來幫助編程。 本文基于VI 技術開發了適用于功率15kW 以下的單相光伏逆變器實時性能監測系統，其對于評估光伏發電系統性能、診斷系統故障具有非常重要的作用。該監測系統的底層硬件主要采用高速多功能數據采集卡、霍爾傳感器及環境傳感器相結合對測試過程中的各種電氣參量和過程參量進行檢測和轉換; 而上層測控系統則基于工業控制計算機硬件，其中運行NI 公司LabVIEW 環境中編制的光伏逆變器虛擬儀器測控軟件。此測試系統可以實現光伏逆變器測試過程中各種復雜的信號分析與顯示功能，并且擴展能力強。測試及使用效果表明，該系統能夠滿足光伏逆變器性能分析與實驗的要求。 1 系統結構與硬件設計 1.1 系統構成 典型的光伏并網逆變器，主要是太陽能光伏陣列，其輸出經DC /DC 變換器進行最大功率跟蹤( MPPT) ，然后經DC /AC 變換器將能量輸送到電網。其中DC /DC 環節和DC /AC 環節組成了兩級式的光伏逆變器，整個系統結構如圖1 所示。 圖1 中，待測量電氣參量主要有逆變器輸入側( 即光伏陣列輸出) 的直流電壓VPV和電流IPV，還有輸出側的交流電壓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，從而可以實時分析其輸出特性曲線。采集得到的數據經過信號調理電路后通過數據采集卡輸送到上位機軟件中進行下一步的分析和處理。 圖1 系統結構框圖 1.2 硬件設計與選型 為了對各種電氣參量進行監測，根據應用需要，設計了以傳感器、信號調理電路、采集卡為核心的硬件采集系統。 ( 1) 傳感器與變送器 測量的電壓主要有直流電壓與電網電壓，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行信號變換。 ( 2) 信號調理與采集 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，并且在實際應用中需要分析并網電流的高次諧波，信號調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 軟件結構與實現 LabVIEW上位機所需完成的主要工作是對數據顯示、分析與存儲，開發中采用了LabVIEW 的顯示控件及報表生成工具包，其轉換效率和電能質量分析是程序最主要的計算部分。軟件的基本結構如圖2 所示。 2.1 軟件模式選擇 本監測系統需要分析逆變器并網點處的電能質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。因此最終選擇將數據采集和處理同步進行的并行軟件結構。 圖2 監測系統軟件結構 LabVIEW 具有多種程序并行處理的實現方式，這里考慮主/從模式和生產者/消費者模式。其中所不同的是生產者/消費者模式多出了一個FIFO 的機制，主要是避免在使用主/從模式時讀取數據率小于寫入數據時會發生的數據丟失。采用FIFO 可以作為數據的緩存，根據實際情況在兩種模式之間進行選擇。 由于采集頻率較高，而CPU 同時需要參與數據的處理過程，因此不能讓CPU 響應每次的采集，所以選擇DMA( 直接內存存取) 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據寫到內存中，僅當數據存儲到一定數量的時候才會向CPU 發出中斷申請，這樣可以大幅度降低CPU 負擔，能更加及時得處理其它程序部分。 研華PCI － 1742 型采集卡內部有DMA 處理器，軟件實現時，首先創建一個FIFO 空間，其大小為設定一次采集點數的兩倍。將整個FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當1#空間才滿時，給從循環發送信號，當從循環取出1#空間的數據時，數據采集的結果放在2#空間，然后反過來。若保證數據分析的時間小于一次采集的時間，則不會發生數據的丟失。 采集的數據都是首先存在緩存中的，然后在每次發送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/從模式的基本結構。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 為了保證采集數據的連續性及程序運行的可靠性，采集部分的程序的運行時間需較為精確，不至于產生時間上的累計誤差。循環時間間隔定為1s。 同時，為了所得數據的連續性，不能在循環體內使用延時。因此為了保證循環體能夠按照精確時間間隔進行循環，在循環體內只保留采集的部分，將所有的設置移到循環體外。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，需要設定能被10M 所整除的采樣頻率，不然所設定的采樣頻率和真實的采樣頻率會有偏差，造成時間上的偏差。 主循環體內程序如圖4 所示。主要的設置已經放置在循環外，在圖中未顯示。這款采集卡使用的通信方式為事件，即當FIFO 為半滿或全滿的時候向CPU 發送事件，CPU 響應之后取出FIFO 的數據，然后開始下一輪的采集。 圖4 采集部分程序 最終運行結果顯示，在較長時間里，主循環都能精確保證1000ms 的循環間隔。 2.3 數據分析模塊 逆變器輸出的波形質量是對光伏逆變器性能評估的一個重要組成部分。對于光伏并網逆變器，輸出的波形質量需要滿足一定的并網標準。 由于輸出的電壓是電網電壓，所以主要關注的是輸出并網電流的一些特性還有逆變器的效率。 首先是對并網電流的諧波分析。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 是采樣點數。 使用FFT 變換的時候有三種固有的效應會造成結果產生誤差，分別是頻譜混疊、柵欄與泄露效應。 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生的結果，在所得的頻譜中會產生假頻的成分，對于真實的信號成分造成影響，從而產生誤差。在實際中，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。 柵欄效應產生的原因是由于得到的頻譜是離散化的，并非連續的。而相鄰兩個頻點的頻率間隔如下: Δf = 1 /T ( 2) 式中T 為一次采集的時間。對于我們所選取的1s，則相鄰兩個頻點間的差為1Hz，即為所有的整數頻率點，但是在大多數時候我們所需要分析的頻率點并不是正好分布在這些離散的頻率點上的，而是在這些點之間，比如電網的頻率會在50Hz 附近波動，從而無法觀測到真實頻點的能量。解決方法可以是加長采樣時間，但系統實時性降低，故一般采用的方法為特定的插值算法。 頻譜泄露的主要現象是由于采樣頻率并不是被測信號的整數倍的時候，則信號的能量會擴散到整個頻譜上。產生原因是由于我們采樣的點數是有限的，DFT 變換會將隱性得將采樣點在整個周期內進行延拓，如圖5 所示。當采樣周期不是信號頻率的整數倍時，在延拓時的邊緣部分會產生階躍，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和頻譜泄露的根本原因。本系統通過對采集得到的數據加窗來抑制頻譜泄露所造成的影響。 對于電能質量分析，一般選用余弦窗函數。不同的窗函數的選擇原則一般為: 如果測試信號含有多個頻率分量，頻譜表現得十分復雜，且測試的目的更多關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，Hanning 窗是一個很好的選擇。如果測試目的更多關注某周期信號頻率點的能量值，那么其幅度的準確性則更加的重要，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，又想使不同頻率點有較高精度的能量顯示，則需要權衡主瓣和旁瓣的寬度，選擇較合適的窗函數。 在本次測試中，權衡幅值精度和頻率點精度后我們選擇使用Blackman 窗，其表達式為: 式中RM( n) 為矩形窗函數。一般使用窗函數后對幅值會有影響，所以需要對使用窗函數之后信號的幅值進行校正，選擇的校正公式為: 信號的分析除了輸出波形質量的分析之外，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: 即直接將采集的數據對應相乘。式中N 為計算的總點數; T 為采集N 點所需要的時間; uk和ik為同一時刻對應的采集值。 功率因數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: 實得的功率因數略小于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 數據顯示與存儲模塊 LabVIEW 最大的特點體現在其圖形化的編程方式上，因此能夠非常方便的進行圖形的顯示。 數據存儲的模塊使用LabVIEW 的報表生成模塊包，它提供了與Microsoft Office 軟件的接口，可以將生成的數據直接存儲在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，使數據的表現更加豐富。軟件中數據存儲模塊實現的方式與LabVIEW 代碼如圖6 與圖7 所示。 圖6 數據存儲的基本模式 圖7 數據存儲模塊程序 最后得到的存儲效果如圖8 所示。存儲數據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，根據需要，軟件可以任意增加所需要存儲的數據量。 圖8 數據存儲的結果顯示 3 系統實驗效果 實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、數據采集模塊，還有工控機所組成。實驗所使用的逆變器為SMA 公司Sunny Boy 型額定功率5000W 的單相光伏并網逆變器。使用Chroma 光伏模擬器根據EN50530 標準產生光伏組件特性曲線，參數為輻照度1000W/m2，峰值功率2500W，與逆變器匹配。 在上位機軟件系統中，系統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前的系統時間。同時可以擴展顯示輻照度。 圖9 系統硬件實驗平臺 圖10 監測系統主窗口 在選項卡外有基本參數的設定，主要是采樣頻率和需顯示的諧波次數，采樣頻率我們默認單通道100kHz，這樣可以采集到開關頻率次的諧波，而需顯示的諧波數在后面的選項卡中會產生作用。 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、功率因數等電能參數的顯示。電能質量分析模塊顯示如圖11 所示。分析目標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 電能質量分析選項卡 最后的是光伏直流側的逐秒顯示，主要是針對動態光照下的測試，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，實時檢測實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 分鐘內光照在300W/m2 到1000W/m2 快速往復變化時逆變器直流側的電壓電流，可以從得到的數據中分析出光伏逆變器動態MPPT 的性能，可以認為當逆變器接實際光伏板時的性能與此時相似的。 圖12 動態光照下直流側逐秒數據 4 結束語 利用LabVIEW 軟件以及研華PCI － 1742 采集卡以及LabVIEW 強大的功能，完成了整套的光伏并網逆變器監測系統。 系統根據實際情況選擇使用主/從模式，達到了數據采集與數據處理的同步，通過軟件的優化實現了精確的循環時間結構。數據分析從并網電流的電能質量、功率、效率等出發全面展示了逆變器性能的各個方面。數據存儲方面直接與Excel 相連，使存儲的數據更加易于閱讀與后續處理。 整個系統能夠實時、準確顯示逆變器當前工作狀態，并且有較高的可擴展性，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，瞬時數據和長時數據的存儲可以方便之后所需要的擴展分析。同時系統本身與所使用的逆變器無關，更換所使用的逆變器系統的軟件結構不需要進行大幅修改。軟件的維護和升級都非常方便。適用于不同工況下的光伏逆變器狀態監測，提高了系統的穩定性和可靠性。 |
