基于LabVIEW的光伏逆變器性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

光伏逆變器廠商通常會(huì)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(cè)并分析光伏電站各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如有功/無(wú)功功率、并網(wǎng)電能質(zhì)量、瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率等，從而能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷、運(yùn)行調(diào)度和能量管理。

國(guó)內(nèi)外知名的光伏逆變器廠商通常會(huì)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(duì)外數(shù)據(jù)接口往往是封閉的，對(duì)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(cè)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(shí)處理和管理能力較差，且測(cè)試數(shù)據(jù)難以存儲(chǔ)，不便于進(jìn)行后續(xù)的處理分析。

鑒于常規(guī)監(jiān)測(cè)方案及傳統(tǒng)儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測(cè)試和監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。VI 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口將各種測(cè)量硬件或板卡連接到計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，從而使計(jì)算機(jī)及測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源( 如數(shù)據(jù)處理、分析、控制、存儲(chǔ)、顯示等) 有機(jī)結(jié)合起來(lái)，用虛擬的計(jì)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(gè)面板的替換，這是一場(chǎng)革命，在VI 系統(tǒng)中，硬件僅僅負(fù)責(zé)信號(hào)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(gè)儀器的關(guān)鍵。

LabVIEW 是由美國(guó)NI 公司創(chuàng)立的一個(gè)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(yǔ)言( G 語(yǔ)言) ，還提供了大量的虛擬儀器和豐富的函數(shù)庫(kù)來(lái)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(shí)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其對(duì)于評(píng)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(cè)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(duì)測(cè)試過(guò)程中的各種電氣參量和過(guò)程參量進(jìn)行檢測(cè)和轉(zhuǎn)換; 而上層測(cè)控系統(tǒng)則基于工業(yè)控制計(jì)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(cè)控軟件。此測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光伏逆變器測(cè)試過(guò)程中各種復(fù)雜的信號(hào)分析與顯示功能，并且擴(kuò)展能力強(qiáng)。測(cè)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(yàn)的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

典型的光伏并網(wǎng)逆變器，主要是太陽(yáng)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(jí)式的光伏逆變器，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中，待測(cè)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(cè)量直流母線的電壓VDV以及電流IDV，用于評(píng)估逆變器前后級(jí)的效率。對(duì)于光伏陣列，需要測(cè)量其斜面輻照度以及工作溫度，從而可以實(shí)時(shí)分析其輸出特性曲線。采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后通過(guò)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(jì)與選型

為了對(duì)各種電氣參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了以傳感器、信號(hào)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(cè)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(jí)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(cè)量用T 型熱電偶變送器，輸出信號(hào)為電流值，使用精密采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其測(cè)量范圍－ 50℃ ～ 100℃，精度為1℃。

輻照度測(cè)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(hào)變換。

( 2) 信號(hào)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(hào)調(diào)理電路采用了截止頻率50kHz 的二階無(wú)源濾波器。為了抑制共模信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲(chǔ)，開發(fā)中采用了LabVIEW 的顯示控件及報(bào)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(jì)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(cè)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(hào)最高頻率的2 倍以上的時(shí)候，被采樣信號(hào)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(shí)，軟件還需要兼顧被采集信號(hào)的分析、顯示與存儲(chǔ)。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(cè)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(gè)FIFO 的機(jī)制，主要是避免在使用主/從模式時(shí)讀取數(shù)據(jù)率小于寫入數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)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(shí)需要參與數(shù)據(jù)的處理過(guò)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(huì)參與到每次的采集過(guò)程中，而會(huì)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(chǔ)到一定數(shù)量的時(shí)候才會(huì)向CPU 發(fā)出中斷申請(qǐng)，這樣可以大幅度降低CPU 負(fù)擔(dān)，能更加及時(shí)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(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)FIFO 空間，其大小為設(shè)定一次采集點(diǎn)數(shù)的兩倍。將整個(gè)FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當(dāng)1#空間才滿時(shí)，給從循環(huán)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)從循環(huán)取出1#空間的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果放在2#空間，然后反過(guò)來(lái)。若保證數(shù)據(jù)分析的時(shí)間小于一次采集的時(shí)間，則不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。