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标题: 基于LabVIEW的光伏逆变器性能监测系统 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2014-12-15 19:45 标题: 基于LabVIEW的光伏逆变器性能监测系统

光伏逆变器厂商通常会向用户提供额定功率、效率曲线、功率因数等性能参数，这些可为光伏电站的工程规划和基础建设提供必要的基础参数。然而，在光伏电站建成投运后，仍需监测并分析光伏电站各项运行数据，如有功/无功功率、并网电能质量、瞬时转换效率等，从而能对系统进行实时故障诊断、运行调度和能量管理。
国内外知名的光伏逆变器厂商通常会提供其自有的监控系统解决方案，但这些系统主要是配合自家产品，其对外数据接口往往是封闭的，对于状态参数、采集速率、分析功能等难于灵活设置和扩展。为此，另外较常使用的方法是将多通道示波器、高精度功率分析仪、电能质量分析仪等专用仪器仪表组合，构成专用的监测系统。然而，此方案的不足在于: 仪器功能单一、投资成本高，可扩展能力不强; 设备操作繁琐、实时处理和管理能力较差，且测试数据难以存储，不便于进行后续的处理分析。

鉴于常规监测方案及传统仪器仪表的诸多不足和限制，目前的测试和监测系统已逐渐引入了虚拟仪器(Virtual Instrument － VI) 技术。VI 的核心思想是“软件就是仪器”，它将仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。VI 通过标准的数字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口将各种测量硬件或板卡连接到计算机平台上，从而使计算机及测量仪器等硬件资源与计算机软件资源( 如数据处理、分析、控制、存储、显示等) 有机结合起来，用虚拟的计算机“软面板”代替传统仪器的“硬面板”。当然，VI 的内涵绝不仅仅是两个面板的替换，这是一场革命，在VI 系统中，硬件仅仅负责信号的输入输出，而系统的开发、功能的提升，在很大层度上都要依靠软件，软件成为整个仪器的关键。

LabVIEW 是由美国NI 公司创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，它是一种图形化的编程语言( G 语言) ，还提供了大量的虚拟仪器和丰富的函数库来帮助编程。

本文基于VI 技术开发了适用于功率15kW 以下的单相光伏逆变器实时性能监测系统，其对于评估光伏发电系统性能、诊断系统故障具有非常重要的作用。该监测系统的底层硬件主要采用高速多功能数据采集卡、霍尔传感器及环境传感器相结合对测试过程中的各种电气参量和过程参量进行检测和转换; 而上层测控系统则基于工业控制计算机硬件，其中运行NI 公司LabVIEW 环境中编制的光伏逆变器虚拟仪器测控软件。此测试系统可以实现光伏逆变器测试过程中各种复杂的信号分析与显示功能，并且扩展能力强。测试及使用效果表明，该系统能够满足光伏逆变器性能分析与实验的要求。

1 系统结构与硬件设计

1.1 系统构成

典型的光伏并网逆变器，主要是太阳能光伏阵列，其输出经DC /DC 变换器进行最大功率跟踪( MPPT) ，然后经DC /AC 变换器将能量输送到电网。其中DC /DC 环节和DC /AC 环节组成了两级式的光伏逆变器，整个系统结构如图1 所示。

图1 中，待测量电气参量主要有逆变器输入侧( 即光伏阵列输出) 的直流电压VPV和电流IPV，还有输出侧的交流电压VAV以及电流IAV。另外，还可以从逆变器中测量直流母线的电压VDV以及电流IDV，用于评估逆变器前后级的效率。对于光伏阵列，需要测量其斜面辐照度以及工作温度，从而可以实时分析其输出特性曲线。采集得到的数据经过信号调理电路后通过数据采集卡输送到上位机软件中进行下一步的分析和处理。

图1 系统结构框图

1.2 硬件设计与选型

为了对各种电气参量进行监测，根据应用需要，设计了以传感器、信号调理电路、采集卡为核心的硬件采集系统。

( 1) 传感器与变送器

测量的电压主要有直流电压与电网电压，电压传感器选择宇波CHV － 25P /400 模块，由于功率等级在15kW，因此电流传感器选择CHB － 50A 模块。两种传感器的精度均为1%，线性度为0． 1%。

组件温度测量用T 型热电偶变送器，输出信号为电流值，使用精密采样电阻将其转换为电压信号，其测量范围－ 50℃ ～ 100℃，精度为1℃。

辐照度测量使用TBQ － 2 传感器及变送器，范围0 ～ 2000W/m2，精度为5%，与热电偶一样也需要采样电阻进行信号变换。

( 2) 信号调理与采集

采集卡选择研华PCI － 1742 型多功能采集卡，其拥有16bit 采样精度，单通道最大1Ms /s、多通道800ks /s 的采集速率，32 路单端或16 路双端模拟输入，输入电压范围为－ 10V ～ 10V。

由于采集卡具有较高的采样频率，并且在实际应用中需要分析并网电流的高次谐波，信号调理电路采用了截止频率50kHz 的二阶无源滤波器。为了抑制共模信号的影响，采集卡的输入选择双端差分输入的形式。3 系统实验效果

实验所使用的硬件平台如图9 所示。由光伏模拟器、光伏逆变器、数据采集模块，还有工控机所组成。实验所使用的逆变器为SMA 公司Sunny Boy 型额定功率5000W 的单相光伏并网逆变器。使用Chroma 光伏模拟器根据EN50530 标准产生光伏组件特性曲线，参数为辐照度1000W/m2，峰值功率2500W，与逆变器匹配。

在上位机软件系统中，系统前面板的主选项卡如图10 所示。主选项卡显示输入与输出电流电压的直流值与有效值。并显示逆变器效率还有当前的系统时间。同时可以扩展显示辐照度。

图9 系统硬件实验平台

图10 监测系统主窗口

在选项卡外有基本参数的设定，主要是采样频率和需显示的谐波次数，采样频率我们默认单通道100kHz，这样可以采集到开关频率次的谐波，而需显示的谐波数在后面的选项卡中会产生作用。

然后交流波形的选项卡显示前1s 的输出交流电压电流波形。同时包括基频、有功功率、功率因数等电能参数的显示。电能质量分析模块显示如图11 所示。分析目标可选择所采集的所有四个量，交流可以观察其谐波，而直流可以观察其纹波大小。图11 是所分析信号的整个频率，极限在奈奎斯特频率处，而下图为一些低次谐波的含量显示，同时图形显示对于真实值不够清晰，还提供了各次谐波含量精确值的查询。

图11 电能质量分析选项卡

最后的是光伏直流侧的逐秒显示，主要是针对动态光照下的测试，如图12 所示。由于光照的变化是一个长时间的过程，所以我们需要针对长时间下光照变化下逆变器MPPT 的能力，实时检测实际光伏板的输出特性变化是不可能的，但可以使用光伏模拟器模拟相对严苛光照变化条件下的逆变器MPPT能力，比如图10 显示的就是10 分钟内光照在300W/m2 到1000W/m2 快速往复变化时逆变器直流侧的电压电流，可以从得到的数据中分析出光伏逆变器动态MPPT 的性能，可以认为当逆变器接实际光伏板时的性能与此时相似的。

图12 动态光照下直流侧逐秒数据

4 结束语

利用LabVIEW 软件以及研华PCI － 1742 采集卡以及LabVIEW 强大的功能，完成了整套的光伏并网逆变器监测系统。

系统根据实际情况选择使用主/从模式，达到了数据采集与数据处理的同步，通过软件的优化实现了精确的循环时间结构。数据分析从并网电流的电能质量、功率、效率等出发全面展示了逆变器性能的各个方面。数据存储方面直接与Excel 相连，使存储的数据更加易于阅读与后续处理。

整个系统能够实时、准确显示逆变器当前工作状态，并且有较高的可扩展性，通过增加采集的信号还能够加入温度、辐照度等信息的显示与分析，瞬时数据和长时数据的存储可以方便之后所需要的扩展分析。同时系统本身与所使用的逆变器无关，更换所使用的逆变器系统的软件结构不需要进行大幅修改。软件的维护和升级都非常方便。适用于不同工况下的光伏逆变器状态监测，提高了系统的稳定性和可靠性。

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