李 嘉，胡劍生，王旭昊，王海明

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司,河南許昌,461000）

0 引言

光伏匯流箱是大型光伏電站最基本的電量匯集單元，在大型光伏電站中數(shù)量眾多，安裝數(shù)量在360臺(tái)～1200臺(tái)之間。同時(shí)，由于光伏電站地域廣袤，導(dǎo)致匯流箱的分布也極其分散。正是因?yàn)閰R流箱具有數(shù)量多、分布廣的特點(diǎn)，所以匯流箱對(duì)其監(jiān)測(cè)單元的采樣的質(zhì)量、運(yùn)行的可靠性、功能的豐富性提出越來(lái)越高的要求。如果匯流箱監(jiān)測(cè)單元采樣質(zhì)量低、無(wú)法正常運(yùn)行或功能貧乏，就會(huì)導(dǎo)致用戶對(duì)光伏方陣的監(jiān)測(cè)出現(xiàn)盲區(qū)。當(dāng)匯流箱或其連接的光伏組串出現(xiàn)事故后，用戶無(wú)法第一時(shí)間獲取信息并趕赴現(xiàn)場(chǎng)，從而造成事故蔓延，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析

目前匯流箱監(jiān)測(cè)單元大都可以對(duì)箱內(nèi)電流、電壓進(jìn)行采樣,對(duì)防雷、母線、光伏組串進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障診斷，并具備與主站通訊的功能，但是，監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)用依然存在以下問(wèn)題。

1.1 采樣質(zhì)量不夠高

采樣的高質(zhì)量可解析為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：精確、可靠、穩(wěn)定、靈敏。目前的匯流箱監(jiān)測(cè)單元針對(duì)上述4個(gè)方面或多或少都存在不足。

精確：目前大部分監(jiān)測(cè)單元的精確度都標(biāo)稱(chēng)為1%，實(shí)際上很多客戶的要求都已經(jīng)達(dá)到0.5%。產(chǎn)品采樣精確性與市場(chǎng)需求產(chǎn)生脫節(jié)。

可靠：要求監(jiān)測(cè)單元受到外界干擾后依然能夠正常采樣或采樣出現(xiàn)異常后能夠自行恢復(fù)。

從實(shí)際工程來(lái)看，黎明和傍晚時(shí)段對(duì)采樣的可靠性影響最大。這是由于監(jiān)測(cè)單元絕大多是為自供電方式，即電源輸入取自光伏組件本身。在黎明傍晚時(shí)段，光照強(qiáng)度波動(dòng)大且較小的光照強(qiáng)度使得光伏組件產(chǎn)生的電壓恰在監(jiān)測(cè)單元的電源啟動(dòng)門(mén)檻值附近。圖1為監(jiān)測(cè)單元的電源施加門(mén)檻啟動(dòng)電壓時(shí)的輸出上升波形，電源正常輸出電壓為24 V，從圖中可見(jiàn)在0 V到24 V的變化過(guò)程中斜率非常大，持續(xù)時(shí)間僅為120ms。圖2為監(jiān)測(cè)單元掉電時(shí)的輸出跌落波形，從圖中可見(jiàn)在24 V到0 V的變化過(guò)程中斜率相對(duì)較小，持續(xù)時(shí)間達(dá)到600ms。

圖1 電源輸出上升波形Fig.1 Rising waveform of power output

圖2 電源輸出跌落波形Fig.2 Falling waveform of power output

當(dāng)監(jiān)測(cè)單元的電源輸入電壓在啟動(dòng)門(mén)檻值附近波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致電源輸出的抖動(dòng)較為劇烈，見(jiàn)圖3。從圖3中可見(jiàn)電源輸出從24 V降落到12 V時(shí)突然又恢復(fù)到24 V。

圖3 電源輸出波動(dòng)波形Fig.3 Fluctuation waveform of power output

監(jiān)測(cè)單元電源的輸出為測(cè)量芯片提供工作電壓，工作電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量芯片反復(fù)初始化。在測(cè)量芯片初始化過(guò)程中一般涉及到對(duì)芯片的配置，一旦初始化失敗則無(wú)法正常采樣。實(shí)踐證明該概率雖然不到1%，但是由于光伏電站中匯流箱數(shù)量眾多，黎明傍晚時(shí)段仍會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)單元初始化失敗的情況，從而無(wú)法正常采樣給用戶帶來(lái)?yè)p失。

穩(wěn)定：當(dāng)采樣對(duì)象在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定時(shí)要求采樣值的波動(dòng)也穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)（電流采樣值的波動(dòng)一般不超過(guò)100 mA，電壓采樣值的波動(dòng)一般不超過(guò)5 V），且各組串電流采樣之間沒(méi)有相互干擾（即某組串的電流改變時(shí)其他組串電流的采樣應(yīng)該不受影響）。

實(shí)際工程中很多監(jiān)測(cè)單元不滿足穩(wěn)定性要求。采樣波動(dòng)大是因?yàn)闆](méi)有合適的濾波算法。各組串電流采樣之間存在相互干擾是因?yàn)槟壳爸髁麟娏鞑蓸釉閭鞲衅?，傳感器的一次、二次?cè)通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。當(dāng)傳感器之間相鄰距離太近或主回路導(dǎo)線不平直，則主回路電流的磁場(chǎng)對(duì)相鄰傳感器產(chǎn)生干擾，從而出現(xiàn)組串電流采樣相互干擾的情況。

靈敏：要求采樣滿足一定的刷新速率，一般為0.5 s。這是考慮到單臺(tái)監(jiān)測(cè)單元與主站之間每次信息交互時(shí)間通常小于0.6 s，采樣刷新速率小于0.6 s是比較合理的。

實(shí)際上很多匯流箱的采樣刷新速率會(huì)大于1 s。這是因?yàn)闉V波算法中整個(gè)量程范圍內(nèi)使用同一個(gè)誤差條件f或采樣窗口過(guò)長(zhǎng)所致。倘若整個(gè)量程范圍內(nèi)使用同一個(gè)誤差條件勢(shì)必導(dǎo)致小采樣值或大采樣值刷新速率慢；當(dāng)采樣窗口過(guò)長(zhǎng)則意味著參與誤差比較的樣本過(guò)多，當(dāng)任意一個(gè)不滿足誤差條件則導(dǎo)致本次采樣不刷新，因此也會(huì)延緩刷新速率。

1.2 故障診斷種類(lèi)較少，個(gè)別故障診斷邏輯造成誤判

目前監(jiān)測(cè)單元很少具備“弧光故障診斷”。匯流箱內(nèi)產(chǎn)生弧光后，弧光會(huì)以300m/s的速度迸發(fā)，摧毀途中的物質(zhì)。只要匯流箱不斷電，弧光就會(huì)一直存在，因此很有必要加設(shè)弧光故障診斷。

容易造成誤判的故障診斷是“組串?dāng)嗦饭收稀?。?dǎo)致此種故障的原因多是熔斷器熔斷或組串回路松動(dòng)，診斷的目的是及時(shí)告知用戶采取相應(yīng)措施以免損失更多的發(fā)電量。常見(jiàn)故障邏輯為圖4。

圖4 常見(jiàn)斷路故障診斷框圖Fig.4 Usual block diagram of open circuit

Udoor-電壓門(mén)檻

|Im|-第m路電流絕對(duì)值

Idoor-有流門(mén)檻值

Tdl-延時(shí)時(shí)間

圖4的弊端是當(dāng)人為斷開(kāi)匯流箱斷路器或逆變器停止工作時(shí)造成測(cè)量裝置的誤判給客戶帶來(lái)不便。

1.3 不具備電能計(jì)量功能且不能保證電能值的長(zhǎng)期讀寫(xiě)

一些用戶為了比較組串之間的發(fā)電效率都會(huì)要求監(jiān)測(cè)單元具備單個(gè)組串電能計(jì)量及整個(gè)匯流箱的總電能計(jì)量。實(shí)際上很多監(jiān)測(cè)單元不具備電能計(jì)量功能。有些監(jiān)測(cè)單元具備此功能卻面臨著頻繁讀寫(xiě)電能值的問(wèn)題。這是因?yàn)楣夥娬镜脑O(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間通常為20年，正常情況下測(cè)量裝置每天上電時(shí)讀取一次累計(jì)電能值，掉電時(shí)存儲(chǔ)一次累計(jì)電能值，則20年內(nèi)每臺(tái)測(cè)量裝置需要讀寫(xiě)7300次，考慮到黎明傍晚時(shí)段測(cè)量裝置的電源在啟動(dòng)門(mén)檻附近波動(dòng)，很可能導(dǎo)致測(cè)量裝置1天內(nèi)多次讀寫(xiě)累計(jì)電量值，因此對(duì)存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)次數(shù)非?？捎^。但是存儲(chǔ)芯片的擦寫(xiě)壽命是有限的，因此必須最大程度地利用存儲(chǔ)芯片的寫(xiě)操作次數(shù)。

1.4 監(jiān)測(cè)單元為裸露電路板

裸露電路板存在以下缺陷：

a)考慮到出廠安裝的復(fù)雜度，監(jiān)測(cè)單元的電路板大多平鋪在匯流箱內(nèi)，占用匯流箱大量面積，據(jù)統(tǒng)計(jì)約為797 cm2，從而導(dǎo)致匯流箱體積龐大。加之匯流箱的箱體材質(zhì)多為冷軋鋼板，現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

b)雖然監(jiān)測(cè)單元的強(qiáng)電回路標(biāo)有危險(xiǎn)標(biāo)志，但是由于監(jiān)測(cè)單元均為裸露電路板，還是存在運(yùn)行人員遭受電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

c)現(xiàn)場(chǎng)施工不規(guī)范的現(xiàn)象大有存在，箱體IP65的防護(hù)等級(jí)由于施工的原因可能會(huì)受到削弱。匯流箱是戶外設(shè)備，長(zhǎng)期受到風(fēng)沙雨雪及鹽霧的腐蝕后，監(jiān)測(cè)單元的裸露電路板極易短路銹蝕，從而無(wú)法可靠運(yùn)行。

2 解決方案

2.1 高質(zhì)量采樣的實(shí)現(xiàn)

精確：更大程度上取決于硬件的分辨率，選用一款高精度測(cè)量芯片并配合軟件上的偏移及增益校準(zhǔn)一般都能保證，此處不再贅述。

可靠：增加測(cè)量芯片故障診斷功能以便實(shí)時(shí)診斷測(cè)量芯片工作狀態(tài)。一旦檢測(cè)出測(cè)量芯片故障則進(jìn)行可靠的初始化使測(cè)量芯片快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

測(cè)量芯片故障診斷的方法如下：由于測(cè)量芯片初始化過(guò)程中對(duì)一些特殊寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作配置，則可以實(shí)時(shí)讀取這些特殊寄存器的數(shù)值與“預(yù)寫(xiě)數(shù)值”進(jìn)行比對(duì)，一旦二者不吻合則認(rèn)為測(cè)量芯片故障，此時(shí)觸發(fā)測(cè)量芯片初始化操作以便測(cè)量芯片恢復(fù)正常工作。

要確保測(cè)量芯片的可靠初始化，特別要注意芯片各引腳時(shí)序的配合。時(shí)序的時(shí)延選用典型時(shí)間，切不可為了追求裝置的快速啟動(dòng)而冒險(xiǎn)選用最小時(shí)間。當(dāng)時(shí)序時(shí)延采用最小臨界值時(shí)會(huì)導(dǎo)致初始化失敗。

穩(wěn)定：需要采用濾波算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)及改善電流采樣回路。采樣示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 電源輸出波動(dòng)波形Fig.5 Sampling sketch

設(shè)采樣窗口長(zhǎng)度為n，采樣值為a1～an，采樣順序?yàn)檠h(huán)采樣，即當(dāng)采樣窗填滿后，下一個(gè)采樣覆蓋第1個(gè)采樣。設(shè)當(dāng)前采樣為第m個(gè)采樣，其采樣值為am，將am與n個(gè)采樣值進(jìn)行比較，如果誤差均滿足誤差條件f，則采樣讀數(shù)刷新為am，如果差值不全滿足條件f，則采樣讀數(shù)不刷新，但am仍需保存，因?yàn)橛锌赡艽丝滩蓸訉?duì)象確實(shí)已經(jīng)發(fā)生了變化，當(dāng)再次進(jìn)行完n-1次采樣后采樣對(duì)象的變化便能通過(guò)采樣讀數(shù)顯示出來(lái)。

設(shè)計(jì)電路板時(shí)要保證采樣回路中的傳感器之間不存在交錯(cuò)重疊，從裝配工藝上保證各個(gè)組串回路中導(dǎo)線的平直。

靈敏：誤差條件函數(shù)f采用分段函數(shù)。小采樣值的誤差條件應(yīng)為絕對(duì)誤差，大采樣值的誤差體檢應(yīng)為相對(duì)誤差。采樣窗口長(zhǎng)度建議小于等于5，過(guò)小會(huì)失去濾波意義，過(guò)大則延長(zhǎng)刷新時(shí)間。

2.2 故障診斷的完善與優(yōu)化

弧光故障診斷：由于弧光故障持續(xù)時(shí)間短，因此將弧光信號(hào)開(kāi)入量的采樣放在中斷中實(shí)現(xiàn)，中斷周期為1 ms。累積5次采樣到弧光信號(hào)開(kāi)入量為高電平時(shí)（每次定時(shí)器中斷采樣1次，弧光信號(hào)開(kāi)入量為高電平時(shí)正向累積1次，為低電平時(shí)負(fù)向累積1次。），弧光故障診斷遙信位動(dòng)作同時(shí)輸出開(kāi)出保護(hù)信號(hào)，常開(kāi)繼電器在閉合接點(diǎn)Thg時(shí)間后斷開(kāi)接點(diǎn)。故障遙信位動(dòng)作保持時(shí)間為60 s，60 s后如果累積5次采樣到弧光信號(hào)開(kāi)入量為低電平時(shí)（每次定時(shí)器中斷采樣1次），弧光故障診斷遙信位清零。弧光故障診斷邏輯見(jiàn)圖6。

Thg-保護(hù)繼電器吸合時(shí)間

圖6 弧光故障診斷框圖Fig.6 Block diagram of arcing fault

組串?dāng)嗦饭收显\斷：結(jié)合第1節(jié)中對(duì)常見(jiàn)斷路故障診斷判據(jù)的分析，考慮到匯流箱所有組串同時(shí)斷路為小概率事件，因此增加電流閉鎖條件：輸出電流大于組串有流門(mén)檻值與組串?dāng)?shù)量的乘積，實(shí)踐證明這樣可以較好的規(guī)避上述誤判情況，故障邏輯見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化斷路故障診斷框圖Fig.7 Optimal block diagram of open circuit

|Iout|-輸出電流絕對(duì)值

Udoor-電壓門(mén)檻

OpenCircuitDoor -斷路故障警報(bào)啟動(dòng)門(mén)檻, 數(shù)值上為組串有流門(mén)檻值與組串?dāng)?shù)量的乘積。

|Im|-第m路電流絕對(duì)值

Idoor-有流門(mén)檻值

Tdl-延時(shí)時(shí)間

2.3 電能計(jì)量及電能值長(zhǎng)期讀寫(xiě)的實(shí)現(xiàn)

電能計(jì)量可以通過(guò)對(duì)△t*P（時(shí)間與功率的乘積）的求和方式實(shí)現(xiàn)，△t應(yīng)盡量小以便保證電能值的準(zhǔn)確度。最終將量綱歸算為千瓦時(shí)或度。需要注意的是考慮到長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)電能值長(zhǎng)度很大，所以存儲(chǔ)類(lèi)型應(yīng)為長(zhǎng)整形。

電能值長(zhǎng)期讀寫(xiě)的實(shí)現(xiàn)方法如下：以存儲(chǔ)芯片的最小擦寫(xiě)地址范圍(稱(chēng)為每一頁(yè))為基本單元進(jìn)行分區(qū)循環(huán)擦寫(xiě)，并確保每一頁(yè)可以有效的寫(xiě)入累計(jì)電能值和其他必要信息。設(shè)分區(qū)頁(yè)數(shù)為n，則將存儲(chǔ)芯片的累計(jì)電能讀寫(xiě)次數(shù)擴(kuò)展n倍，但同時(shí)又帶來(lái)累計(jì)電量值讀寫(xiě)的復(fù)雜性。為方便描述，列表進(jìn)行符號(hào)聲明，見(jiàn)表1。

表1 符號(hào)聲明Tab.1 Notation declaration

監(jiān)測(cè)單元上電操作

a)主芯片上電后先讀出存儲(chǔ)芯片中p到q頁(yè)的WEFTp～WEFTq。

b)如果WEFTp～WEFTq均為0xffff，則說(shuō)明主芯片從未存儲(chǔ)過(guò)電能，將p到q頁(yè)的1～6字節(jié)賦值為0；本次電能存儲(chǔ)操作在第p+1頁(yè)。

c)如果WEFTp～WEFTq不全為0xffff，則找出其中最大值WEFTmax。

d)假設(shè)WEFTmax在第m頁(yè)，且第m頁(yè)中的WEFT比前一頁(yè)的WEFT大1（如果m=p，則前一頁(yè)為q），則認(rèn)為第m頁(yè)的WE為最后一次有效存儲(chǔ)的電能值。

e)如果d)不滿足，則確認(rèn)次大值所在頁(yè)的WEFT是否比前一頁(yè)的WEFT大1，以此類(lèi)推，目的是為防止寫(xiě)操作失敗導(dǎo)致WEFT為隨機(jī)值。

f)讀出最后一次有效存儲(chǔ)的電能值WE及其所在頁(yè)x，將WE賦值給TE。

2.4 監(jiān)測(cè)單元改為封裝方式

監(jiān)測(cè)單元不再以裸露電路板的形式展現(xiàn)給用戶，而是擁有自身的殼體，見(jiàn)圖8。封裝后的監(jiān)測(cè)單元具有以下優(yōu)勢(shì)：

a)利用外殼的支撐，監(jiān)測(cè)單元各電路板實(shí)現(xiàn)了從平面安裝到立體安裝的轉(zhuǎn)變。由于封裝監(jiān)測(cè)單元的最高點(diǎn)小于匯流箱內(nèi)斷路器的最高點(diǎn)，故不會(huì)引起箱體深度的增加，但卻能減少匯流箱的面積，封裝后的監(jiān)測(cè)單元的面積約為512 cm2，相對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)單元減少284 cm2，因此顯得小巧精致。

b)封裝外殼的材質(zhì)為PC與ABS的合成塑膠，阻燃等級(jí)在V-1以上，同時(shí)具有絕緣特性。通過(guò)外殼將強(qiáng)電回路封裝起來(lái)以后，規(guī)避了用戶遭受電擊的風(fēng)險(xiǎn)。

c)封裝式外殼對(duì)電路板防護(hù)后，極大程度減小了風(fēng)沙雨雪及鹽霧對(duì)監(jiān)測(cè)單元的侵蝕速率，提高了可靠性。

圖8 爆炸圖Fig.8 Explode diagram

3 結(jié)論

本文第1節(jié)中所述的問(wèn)題在光伏匯流箱監(jiān)測(cè)單元當(dāng)前工程應(yīng)用中普遍存在，對(duì)用戶的運(yùn)維及供應(yīng)商的售后工作帶來(lái)很大的困擾，第2節(jié)中所述的解決方案原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、操作方便，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證能夠有效解決第1節(jié)中描述的問(wèn)題，具有廣泛推廣的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]CGC/GF002:2010 光伏匯流箱技術(shù)規(guī)范[S].CGC/GF002:2010 Technical Specifications of PV Combiner Box[S].

[2]史朝暉 劉曉茹 蔡磊?；赑IC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2011,(3):76-79.SHI Chao-hui,LIU Xiao-ru,CAI Lei.Design and Application of Confluence Collection Device for Intelligence PV Based PIC24FJ64[J].ELECTRICAL ENGINEERING, 2011,(3):76-79.

[3]劉軍 劉澤方 王曉云 高巧梅 孔俊麗。光伏匯流箱的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息, 2012,(8):148-149.DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.090.LIU Jun, LIU Ze-fang,WANG Xiao-yun, GAO Qiao-mei, KONG Jun-li.The design for the pv combiner box [J].China Science and Technology Information, 2012,(8):148-149.DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.090.

[4]張相明。一種新型光伏發(fā)電智能防雷匯流箱的設(shè)計(jì)與研究[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013,9(2):104-106.ZHANG Xiang-ming.A new type of photovoltaic intelligent mine design and research of junction box[J].Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science), 2013,9(2):104-106.

[5]沙濤,彭柱椋.太陽(yáng)能光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(3):69-71.SHA Tao, Wilensky.PV Combiner Box Buyer's .Guide[J].Home power,2009,2009(Aug./Sep.TN.132):88-94.Electronic Science and Technology [J].2013,26(3):69-71.

[6]Lena Wilensky.PV Combiner Box Buyer's Guide[J].Home power,2009,2009(Aug./Sep.TN.132):88-94.

[7]Chi-ming Laia,R.H.Chenb.Novel heat dissipation design incorporating heat pipes for DC combiner boxes of a PV system[J].Solar Energy,2011,85(9):2053-2060.