光伏监控系统.docx

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光伏监控系统

不足之处:

目前国内已建成了几座太阳光伏电站远程监控系统，尽管系统具有强大的监测功能，但其仍存在如下一些问题：

（1）数据采集间隔时间长，无法实时记录光伏电站的故障波形，而且数据传输速率低；

（2）系统不能显示电站的故障信息，对所采集的数据也不能进行分析、比较。

因此，本文设计了一种基于神经网络的光伏监控系统，不仅能够实时记录光伏系统运行的各项数据，还能通过对运行数据的分析验证光伏阵列是否处于最大功率点并给出调控系数。

光伏监控系统是统筹光伏系统的太阳能光伏阵列和铅酸蓄电池模块（储能单元）的关键，也是整个光伏系统的智能核心。

它不仅控制整个系统的工作状态，包括太阳能光伏阵列工作状态和蓄电池充放电的工作状态，还为系统的可靠运行提供保障，同时建立必要的人机通讯，也为多个光伏系统之间的通讯和管理提供接口，控制较为复杂。

1光伏监控系统的硬件结构

光伏监控系统的硬件结构如图1所示。

控制系统完成对光伏系统运行状态参数的采集,如光伏阵列电压、光伏阵列电流、蓄电池电压、蓄电池温度、充电电流、环境温度、风速、光强等。

2光伏监控系统的工作原理

光伏监控系统主要由两部分组成。

该系统硬件部分采用高性能的DSP进行实时数据采集,并通过预设的参数对采集的数据进行初步的分析处理。

软件部分不仅实现光伏系统的在线采集和显示信号、读取和存储数据、计算波形特征参数等功能，并针对光伏系统的最大功率跟踪，对其进行验证和调控。

2.1控制系统工作模式及其切换

控制系统采用较高的采样频率实时完成光伏系统运行状态参数（如光伏阵列电压、光伏阵列电流等）的采集，并记录在循环记录单元中。

数据存储按照时间顺序循环覆盖，从而减小整个循环记录单元的大小。

在光伏发电系统比较稳定或者只有较小扰动时，控制系统并不是将所有的数据上传给计算机监控中心，而是根据监控中心的预设指令定时（数据传送间隔与常规监控系统相似）发送光伏系统的运行参数和状态至监控中心，接受监控中心的控制指令并执行相应的控制。

这样，当光伏发电系统正常工作时，系统数据传输量较小。

在系统中发生较大扰动或者故障时，控制系统根据实时采集的数据进行综合判断后，立即将波形数据存储到外扩的数据存储器中，同时进行相关的故障处理。

系统同时向监控中心上传循环记录单元和外部数据存储器中记录的故障波形。

此时，故障波形中包含了故障前几个周波的实时故障波形，这样就避免了故障发生后无法实时记录完整故障波形的现象。

2.2数据检测

光伏系统输入输出的电压、电流数据的获取是先在一个工频周期中利用片内AD进行200次（开关频率为10kHz）采样,然后利用傅里叶级数算出其有效值即可。

为了实现对电网电压频率和相位的跟踪，可利用滞环比较器进行过零检测，调用控制器的捕获中断计算其电压频率和相位差，并存储在相应的存储器中等待下一步处理。

3软件设计

3.1控制系统软件

光伏系统智能控制器的软件设计主要包含两部分,即主程序和中断服务子程序。

而中断服务子程序又包括T1UFINT、T2PRINT、SCITXINTA_ISR、SCIRXINTA_ISR、CAPINT1和NMI等中断。

主程序又分为初始化部分和循环执行部分。

在初始化部分主要设置中断入口

地址,工作区单元清零,设置堆栈指针,初始化计数器和串行口等然后根据标志位进行数据通讯。

一旦有了中断请求信号,而且当前中断的级别，是最高的,则主程序立即响应中断,并执行相应的中断服务子程序,下面介绍几个主要中断的子程序所完成的功能。

SCIRXINTA_ISR中断主要是接受监控中心的控制指令和实时参数。

而T1UFINT中断完成主要任务:

通过A/D获取光伏系统输入输出的电压、电流、频率

数据,根据数据计算和综合分析后判断系统是否正常运行,并实现录波决策和数据通讯。

3.2监控系统软件

监控软件读入数据后，进行系统运行状态识别。

如果是运行数据则一方面将运行数据通过曲线的形式直观地反映出目前的运行状态，另一方面，将需要的数据定时存入相应的数据库，因为在正常运行的情况下，数据的波动范围不大，控制员并不需要知道运行数据，所以每隔一段时间将运行数据存入运行数据库；如果是故障数据，则立刻写入故障数据库，同时以图形闪烁的方式提醒控制者并网逆变器出现了故障。

此时，并网逆变器已经在智能控制系统的控制下将各个开关管断开，并切换至关机待命状态（但与控制微机间仍保持通信）。

BP神经网络诊断程序运行时首先需要选择分析的组件,根据选择的组件读取数据。

读取数据有两种方式,一种是打开数据文件读取数据,另一种是从原始数据库中读取数据。

神经网络的结构如图4所示，其输入是阵列温度、光照辐射强度、光伏电池的输出电压、输出电流，输出是当前功率系数和调控系数。

当前功率系数是在当前光照辐射强度和阵列温度条件下，当前光伏阵列的输出功率与最大输出功率的比值，调控系数是光伏阵列的输出电压需要调控的方向和比例。

神经网络的输出与给定值比较，构成智能控制程序的数据输入。

神经网络学习所需的各种实例来自于实验和仿真得到的数据。

1、太阳能发电系统智能控制所涉及的主要技术问题

　　蓄电池的充放电过程控制有非常明确的技术要求,一般地,充电过程包括主充电、均衡充电和浮充三个阶段,每个阶段中,对电压和电流的值都有严格的技术规定,在放电过程中,为防止出现过放电损坏电池,也有放电终止电压的要求,并且,这些技术要求的数值都要进行温度补偿,放电终止电压的值也随放电电流的大小而变化。

　　太阳能供电系统全部为浮充供电方式,其特点:

一是相对负载来说电池容量很大,电池放电电流小、放电率低,在光照充足时容易发生过充而损害电池;二是太阳能发电在时间上随昼夜轮回和阴晴变化呈阶段性特点,并且光照强度和光照时间的变化无法掌握,难以每次都完成完整的三阶段充电过程;三是当遇长时间连续无光照的情况,由蓄电池连续独立放电为设备提供电源供应,此时容易发生过放电。

根据蓄电池的技术特性和太阳能供电系统的特点,实现系统的智能化控制主要应考虑以下几点:

　　一是充电控制。

太阳能板的发电能力有限,发电时间随光照的变化也呈阶段性,要实现严格规范的充电控制十分困难,因此只能采取极限值限定的方法控制其充电过程。

即根据电池当前电压确定充电过程应处的阶段,在主充电阶段限制充电电流,不得超过0.15C（C为电池容量）,这样可以在确保不损害电池的前提下尽可能最高效率地储存电能;在均充和浮充两个阶段,则限定充电电压,使电池既得到充分的电能存储,又防止过充电。

　　二是放电控制。

在光照不足设备单独依靠电池放电工作时,随时监测放电电流和电池电压,根据实际放电电流科学地设定放电终止电压。

　　三是负载管理。

当电池深度放电至接近所设定的放电终止电压时,要自动切断大负载,及时对电池进行有效的保护,当天气恢复光照后,自动恢复所有设备的正常运行。

　　四、太阳能供电系统智能监控的实现方案

　　系统采用模块化结构,太阳能板通过充电器、供电开关、电流传感器为蓄电池组充电,蓄电池通过电流传感器和供电开关输出电能为负载供电。

　　电池巡检仪完成蓄电池组的检测,它检测每一节电池的电压、电池周围的环境温度和电池的充、放电电流,并将检测结果通过串行通信接口传输到智能控制单元。

　　智能控制单元是整个系统控制的中心,它通过数据通信线路从电池巡检仪读取电池的电压、电流以及环境温度,对这些数据进行技术分析,据此对充电和放电过程进行科学合理的控制,并在必要时关闭大负载,保护蓄电池,同时它还通过数据通信单元完成远程数据通信。

　　人机界面是操作人员进行系统设置与控制的界面,智能控制单元根据所进行的技术参数设置和相关技术规则对运行过程进行判断和控制。

　　对蓄电池的充电在太阳能板获得光照的条件下进行,受智能控制单元的严格控制。

　　供电开关完成蓄电池组电力输出的开关控制,当蓄电池放电接近放电终止电压时,根据智能控制单元的指令断开主要的负载,防止蓄电池因过放电造成损坏。

　　2、主要技术参数

　　由于不同公司蓄电池的充电特性、温度补偿系数值不同,因此,系统开始工作前或在更换新的蓄电池时,要通过人机界面输入系统蓄电池的所有与充、放有关的技术参数,其主要包括:

　　1）电池容量（C）;

　　2）标称均充电压（VE）:

25℃时的均充电压;

　　3）标称浮充电压（VF）:

25℃时的浮充电压;

　　4）标称终止电压（VS）:

25℃时,针对0.1C10放电率放电的终止电压;

　　5）标称最大充电电流（ICM）:

25℃时的最大充电电流值;

　　6）温度补偿系数（TC）。

　　3、软件流程

　　通过硬件的连接构成系统后,智能控制单元根据有关技术规则和对蓄电池电压以及电流和温度的监测结果通过软件控制系统运行。

　　控制软件从总体上包括三个大部分,一是监测,主要是与电池巡检仪之间通过数据通信读取检测数据,并进行判断,给出判断结果,必要时发出告警;二是充放电控制部分,在充电过程中,判断电池当前所处的充电阶段,并根据有关规则调整充电器的输出电压和电流,及时实现各阶段的转换,既最大效率地存储电能,同时又防止因为过充电损伤电池;三是远程通信部分,通信方式采取短消息和GPRS均可,通过远程数据通信实现系统的远程监测和控制。

2充电控制部分的程序流程。

　　1）充电的阶段转换程序

　　蓄电池独立放电供设备工作后。

当光照再次出现时,太阳能板重新供出电能,于是便开始了新一轮充电过程,开始时系统首先判断电池电压,如果电压低于均衡充电电压,则进入主充电阶段,此时灯器不发光,工作电流不大,充电器以大电流为电池充电;一旦电池电压达到均衡充电电压,则转入均衡充电阶段,智能控制单元控制充电器以均衡充电电压VE对蓄电池进行均衡充电;当均衡充电时间到了以后,则转入浮充充电阶段,充电器将充电电压调整到浮充电压VF。

　　2）主充电过程控制流程

　　主充电的原则是在充电电流不超过蓄电池最大充电电流的前提下,控制充电器以尽可能大的电流向蓄电池充电,因此,在充电过程中,随时判断充电电流,只要充电电流不大于最大充电电流,则使充电电流尽可能增大;同时判断电池电压,当充电使电池电压达到均衡充电电压后,则转入均衡充电。

3）均衡充电和浮充过程的控制

　　系统进入均衡充电后,要保持均衡充电到预定的时间后,才转入浮充充电,因此,在均衡充电过程中,主要是对均衡充电进行计时,计时时间到了以后,要转入浮充阶段。

　　在浮充过程中,只要太阳能有电能输出,系统就一直保持浮充,直至太阳能供电结束。

　　4.实现方式

　　太阳能供电系统的智能控制在具体实现上可以采用多种方式,以单独建立一个完整的系统独立工作

二,太阳能光伏电站并网逆变电源系统

主要功能是将太阳能电池发出的直流电逆变成三相交流电送入电网.并解决并网逆变中的最大转换效率、谐波干扰、保护等问题.

控制部分主要是控制功率部分产生与电网同相位的电压,并跟踪实际输出功率,使电源的输出功率与太阳能电池的最大输出功率相等.

控制部分核心主要是通过DSP多通道高速ADC采样分别监测电网电压、太阳能电池端电压、太阳能电池输出电流、直流调压输出电压.同时,DSP产生用于调压和换向的开关管动作,产生正弦波输出.可通过本地控制面板控制,同时提供基于RS232接口的远程控制.

1.系统保护描述

a）并网保护

光伏并网系统作为电力系统的一部分需要接入保护装置,一方面对光伏发电系统保护,防止孤岛效应等发生;另一方面需要安装继电保护装置,防止线路事故或是功率失稳.

这些保护功能包括低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、过电流保护和孤岛保护.

b）孤岛问题

逆变器失去了并网赖以参考的电网系统电压,这种情况称之为孤岛效应.孤岛效应的产生可能会使电网的重新连接变得复杂,且会对电网中的元件产生危害.该系统采用了被动式和主动式两种孤岛检测技术,保证可靠地检出孤岛现象,确保设备安全.

三相关保护设备及附件

1）旁路元件

当太阳能电池组件中某部分电池单元因遮光物形成阴影的时候，会使得该部分的电池不能发电，且这部分电池电阻升高。

那么就会使得串联连接回路的电压全部加在这个单元上，当电流流过这个高电阻的单元上，会产生高温，引起里面的保护膜膨胀，甚至会损坏此单元的组件乃至整个电池组件。

为了防止这种情况，要在构成太阳能阵列的每一个太阳能电池组件上都安装旁路元件，是高电抗的太阳能电池单元或者太阳能电池组件中流过的电流分流。

2）防止逆流元件

首先，为了防止其他太阳能电池回路和蓄电池产生的电流逆流进该组件，在接线箱中安装防止逆流元件。

其次，当夜间太阳能电池不发电的时间，它就会成为蓄电池的负载，蓄电池对其放电使得电能白白浪费掉，为了防止这种情况的发生，也是安装防止逆流元件的必要性。

3）接线箱

接线箱的功能在于使得多个太阳能电池组件的连接井然有序，在维护检修期间，方便线路分离，在故障时，缩小停电范围。

避雷元件主要是防止雷电的浪涌冲击对太阳能电池的损害所安装的保护装置。

要求每一个组件串都安装避雷元件，并且要求避雷元件的接地侧接线尽量短。