張婷婷

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

在各種高科技產(chǎn)品及設(shè)備更新?lián)Q代的今天，人們享受著巨大便利，用電量也隨之日益增加。而與之相矛盾的是，作為發(fā)電主體方式--火力發(fā)電，其原料：煤、碳、石油、天然氣等不可再生資源的大幅度消耗和對環(huán)境的污染后果日益凸顯。曾經(jīng)眾人矚目的核能發(fā)電也因?yàn)槠浒踩[患和高防護(hù)技術(shù)要求而被民眾所排斥，難以普及。這時，太陽能作為最清潔最環(huán)保分布最廣的可持續(xù)自然能源之一，受到各國科學(xué)家的青睞，如何將太陽能轉(zhuǎn)換為之所用的相關(guān)技術(shù)也在不斷攻克之中。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽能的使用領(lǐng)域一般有三種方式：太陽能的熱利用、太陽能熱發(fā)電、太陽能光發(fā)電。

太陽能的熱利用是最普通的方式，它是利用太陽光的照射所產(chǎn)生的熱能直接加以使用，如大家最常見的太陽能熱水器。太陽能熱發(fā)電是指用吸收到的太陽能加熱水產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，這種方式遵循了傳統(tǒng)的發(fā)電模式。最后一種太陽能光發(fā)電方式，是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)，利用太陽光照射半導(dǎo)體晶片制成的太陽能電池，直接將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能，這是目前研究最多的方式，也就是通常說的光伏發(fā)電。

當(dāng)然作為一個完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，光靠組件完成光電效應(yīng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楣夥M件經(jīng)過光電效應(yīng)后轉(zhuǎn)換成的電能是直流電，而實(shí)際傳輸和使用的電網(wǎng)應(yīng)該為交流電，所以我們還需要直流變交流的環(huán)節(jié)，即逆變控制。除此之外，作為發(fā)電系統(tǒng)，人們最注重的是效益性和安全性，因此完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該包括：光伏組件、逆變控制器、交直流配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等。

二、光伏發(fā)電監(jiān)測的必要性

事實(shí)上，在發(fā)展和推廣光伏發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)程中，最大的阻礙來自于其極高的價格成本。而在通過改進(jìn)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步降低成本的同時，降低價格的更快更有效的途徑就在于提高相同成本下系統(tǒng)的使用壽命，即保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行時間和維護(hù)水平，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性。這要求必須建立起監(jiān)測系統(tǒng)，精確測量環(huán)境因素，增加監(jiān)控參量，再將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)記錄、處理和分析，提高監(jiān)控量水平，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、有效、穩(wěn)定的運(yùn)行。所以說在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，監(jiān)測結(jié)果直接影響到系統(tǒng)的使用壽命，非常重要。

三、監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)由信號變送、數(shù)據(jù)采集、處理診斷三大部分構(gòu)成。

（一）信號變送

為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析，延長系統(tǒng)的使用壽命，我們通常需要監(jiān)測反映發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的物理量，如直流端電流、電壓、交流端電流、電壓、輸出功率等，以及諸如太陽輻射強(qiáng)度、溫度、照度、風(fēng)速等可能影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的環(huán)境因素。然而這些物理量一般很難直接測量，而且不易處理，所以我們需要將其轉(zhuǎn)換成容易測量處理的電量，此即信號變送，這一功能就是由傳感器實(shí)現(xiàn)的。傳感器是利用傳感元件將各種各樣的物理量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)變成電參數(shù)（如電阻、電感、電容、頻率等）的檢測裝置。一般的光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最多的傳感器主要有下述幾種：

1、電流傳感器

在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中涉及到逆變控制器，有直流端和交流端兩組電流數(shù)據(jù)的測量，因此要用到兩種電流傳感器。首先在直流端的電流測量中，可采用高精度直流大電流傳感器。這種傳感器是利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)原理，將直流端導(dǎo)電母線穿過互感器鐵芯，其電流在鐵芯中會產(chǎn)生一個與其成一定比例的感應(yīng)磁場，而安裝在鐵芯氣隙中的霍爾元件可以感應(yīng)到磁場，并輸出與磁場成正比的霍爾電壓，從而完成將直流端電流轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定電壓輸出，它精確反映了被測直流端電流值，并可傳輸結(jié)果。另外它還能起到一個隔離作用，避免直流信號引入電網(wǎng)。而在交流端的電流測量中，一般采用電流互感器，利用磁平衡原理將被測電流轉(zhuǎn)成0mA～50mA標(biāo)準(zhǔn)信號電流，再經(jīng)過外加取樣電路轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，便于分析。

2、電壓傳感器

電壓傳感器與上述相類似，主要用于采集直流端和交流端的電壓數(shù)據(jù)，同樣采用電磁調(diào)制型隔離原理來有效的克服直流漂移。

3、光強(qiáng)傳感器

光伏發(fā)電的能源均來自于太陽能，而太陽光的強(qiáng)度和光伏組件表面光強(qiáng)直接關(guān)系到光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此監(jiān)測一個光伏系統(tǒng)是否有足夠的光照高效發(fā)電，陽光輻射照度的測量尤為關(guān)鍵，一般我們可采用光強(qiáng)傳感器來完成測量。光強(qiáng)傳感器是利用光電池的輸出短路電流與光照輻度成正比的原理，選取一塊標(biāo)定過標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的光電池，通過測量其短路電流和表面溫度，即可計算出當(dāng)時其表面所承受的光照輻度。

4、溫度傳感器

在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，我們需實(shí)時監(jiān)測環(huán)境溫度和組件的溫度，分析系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。這個一般是選用精密鉑電阻溫度傳感器。這種電阻式傳感器是利用高強(qiáng)度的鉑電阻絲有穩(wěn)定的正溫度系數(shù)這一特點(diǎn)制成。在溫度發(fā)生變化時，鉑電阻的阻值也會隨之發(fā)生變化，這樣就可以將溫度變化轉(zhuǎn)變成阻值的變化，然后通過電橋法將阻值變化最終變成輸出電壓電信號輸出。故在本系統(tǒng)中，可采用兩個溫度傳感器分別對光伏組件表面的溫度和周圍環(huán)境的溫度進(jìn)行測量，測量結(jié)果轉(zhuǎn)成電信號傳輸?shù)胶罄m(xù)單元。

5、風(fēng)速傳感器

大型的光伏系統(tǒng)一般會設(shè)置在空曠光照好的區(qū)域，但這些區(qū)域一般也會有大風(fēng)天氣。為了保證光伏發(fā)電設(shè)備的安全，系統(tǒng)應(yīng)該有自動防風(fēng)保護(hù)功能，即在風(fēng)力過高如八級以上時能讓光伏組件快速收平，等風(fēng)速下降后，再延遲解除防風(fēng)狀態(tài)，恢復(fù)正常工作，這就用到了風(fēng)速傳感器。風(fēng)速傳感器是以風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)架為感應(yīng)元件，用多齒轉(zhuǎn)盤和光電斷器將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)變成與風(fēng)速成正比的頻率電信號，通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路最終變成與風(fēng)速成正比的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸出。

經(jīng)過上述幾種傳感器就可以實(shí)現(xiàn)信號變送功能，對監(jiān)測物理量進(jìn)行變送，將電信號傳送給后續(xù)單元。這一環(huán)節(jié)是安裝在光伏發(fā)電設(shè)備現(xiàn)場的。

（二）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是一個中間過程，它采集來自傳感器的各種電信號，并將其送往數(shù)據(jù)處理和診斷系統(tǒng)，以便對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分析處理。經(jīng)過前期預(yù)處理的電信號是連續(xù)的模擬量，而送入主控室微機(jī)進(jìn)行處理分析的信號應(yīng)該是離散的數(shù)字信號，必須將傳感器輸出的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而A/D轉(zhuǎn)換器就是數(shù)據(jù)采集的核心，要滿足轉(zhuǎn)換速度和準(zhǔn)確度兩方面的要求。此外，為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度，還需要采取一些抗干擾措施，以提高信號的信噪比，因此，在傳感器變送信號時，一般還會加入預(yù)處理。比如，將電量參數(shù)變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電信號；將信號的幅度調(diào)整到合適的電平；對混疊的干擾采用硬件電路進(jìn)行抑制，大大削弱信號傳輸過程中的干擾，統(tǒng)一構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路。

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集多采用單片機(jī)或者工控機(jī)對采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，并且對采集的數(shù)據(jù)利用專門的處理軟件進(jìn)行分析處理和存儲。這一環(huán)節(jié)一般設(shè)在光伏發(fā)電設(shè)備附近，也在現(xiàn)場。

（三）處理診斷

在經(jīng)過數(shù)據(jù)采集之后所要做的就是對前面采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，如對獲取的數(shù)字信息做時域分析，利用軟件濾波、平均處理等技術(shù)，對信號作進(jìn)一步的處理，提高信噪比，從而獲取反映設(shè)備狀態(tài)的特征值，為診斷提供有效的數(shù)據(jù)和信息。

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)具體的數(shù)據(jù)信息包括：①光伏組件運(yùn)行時的直流電流值、電壓值、功率值，以及經(jīng)過逆變器變換以后輸出的交流電參數(shù)；②采集太陽的輻照度、光伏組件表面和周圍環(huán)境的溫度以及風(fēng)速值；③計算每個系統(tǒng)的實(shí)時發(fā)電量、有功、無功輸出、功率因素等；④通過一定時期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)計算累計發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數(shù)值。隨后根據(jù)這些處理后的數(shù)據(jù)信息，將其和歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)及其他信息進(jìn)行比較分析后，對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析以作出診斷，是否正常運(yùn)行，是否有故障，是否需要改變運(yùn)行方式等。可以說，信號處理和診斷系統(tǒng)，實(shí)際上就是一臺微型計算機(jī)和監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，位置在距現(xiàn)場約數(shù)十至數(shù)百米的主控室內(nèi)。

根據(jù)上述內(nèi)容，可將光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)歸納成如下圖所示的組成框圖，在加入適當(dāng)軟件技術(shù)以后還可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測。

四、結(jié)語

本文將傳感器技術(shù)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，構(gòu)建了一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種發(fā)電特性及周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)來監(jiān)控運(yùn)行過程。本文主要研究了信號變送部分內(nèi)容，選用了適合本系統(tǒng)的各類傳感器及變換器，并簡述了建立數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的方法。在需要研究其他運(yùn)行特性的時候可以很方便地進(jìn)行擴(kuò)充，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，而且具有成本低，使用方便的特點(diǎn)，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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