基于LabVIEW的光伏逆變器性能監測系統

光伏逆變器廠(chǎng)商通常會(huì )向用戶(hù)提供額定功率、效率曲線(xiàn)、功率因數等性能參數，這些可為光伏電站的工程規劃和基礎建設提供必要的基礎參數。然而，在光伏電站建成投運后，仍需監測并分析光伏電站各項運行數據，如有功/無(wú)功功率、并網(wǎng)電能質(zhì)量、瞬時(shí)轉換效率等，從而能對系統進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷、運行調度和能量管理。

國內外知名的光伏逆變器廠(chǎng)商通常會(huì )提供其自有的監控系統解決方案，但這些系統主要是配合自家產(chǎn)品，其對外數據接口往往是封閉的，對于狀態(tài)參數、采集速率、分析功能等難于靈活設置和擴展。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(zhuān)用儀器儀表組合，構成專(zhuān)用的監測系統。然而，此方案的不足在于: 儀器功能單一、投資成本高，可擴展能力不強; 設備操作繁瑣、實(shí)時(shí)處理和管理能力較差，且測試數據難以存儲，不便于進(jìn)行后續的處理分析。

鑒于常規監測方案及傳統儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測試和監測系統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”，它將儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。VI 通過(guò)標準的數字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口將各種測量硬件或板卡連接到計算機平臺上，從而使計算機及測量?jì)x器等硬件資源與計算機軟件資源( 如數據處理、分析、控制、存儲、顯示等) 有機結合起來(lái)，用虛擬的計算機“軟面板”代替傳統儀器的“硬面板”。當然，VI 的內涵絕不僅僅是兩個(gè)面板的替換，這是一場(chǎng)革命，在VI 系統中，硬件僅僅負責信號的輸入輸出，而系統的開(kāi)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NI 公司創(chuàng )立的一個(gè)功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開(kāi)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庫來(lái)幫助編程。

本文基于VI 技術(shù)開(kāi)發(fā)了適用于功率15kW 以下的單相光伏逆變器實(shí)時(shí)性能監測系統，其對于評估光伏發(fā)電系統性能、診斷系統故障具有非常重要的作用。該監測系統的底層硬件主要采用高速多功能數據采集卡、霍爾傳感器及環(huán)境傳感器相結合對測試過(guò)程中的各種電氣參量和過(guò)程參量進(jìn)行檢測和轉換; 而上層測控系統則基于工業(yè)控制計算機硬件，其中運行NI 公司LabVIEW 環(huán)境中編制的光伏逆變器虛擬儀器測控軟件。此測試系統可以實(shí)現光伏逆變器測試過(guò)程中各種復雜的信號分析與顯示功能，并且擴展能力強。測試及使用效果表明，該系統能夠滿(mǎn)足光伏逆變器性能分析與實(shí)驗的要求。

1 系統結構與硬件設計

1.1 系統構成

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)節和DC /AC 環(huán)節組成了兩級式的光伏逆變器，整個(gè)系統結構如圖1 所示。

圖1 中，待測量電氣參量主要有逆變器輸入側( 即光伏陣列輸出) 的直流電壓VPV和電流IPV，還有輸出側的交流電壓VAV以及電流IAV。另外，還可以從逆變器中測量直流母線(xiàn)的電壓VDV以及電流IDV，用于評估逆變器前后級的效率。對于光伏陣列，需要測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(xiàn)。采集得到的數據經(jīng)過(guò)信號調理電路后通過(guò)數據采集卡輸送到上位機軟件中進(jìn)行下一步的分析和處理。

圖1 系統結構框圖

1.2 硬件設計與選型

為了對各種電氣參量進(jìn)行監測，根據應用需要，設計了以傳感器、信號調理電路、采集卡為核心的硬件采集系統。

( 1) 傳感器與變送器

測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(xiàn)性度為0． 1%。

組件溫度測量用T 型熱電偶變送器，輸出信號為電流值，使用精密采樣電阻將其轉換為電壓信號，其測量范圍－ 50℃ ～ 100℃，精度為1℃。

輻照度測量使用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)行信號變換。

( 2) 信號調理與采集

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)際應用中需要分析并網(wǎng)電流的高次諧波，信號調理電路采用了截止頻率50kHz 的二階無(wú)源濾波器。為了抑制共模信號的影響，采集卡的輸入選擇雙端差分輸入的形式。

2 軟件結構與實(shí)現

LabVIEW上位機所需完成的主要工作是對數據顯示、分析與存儲，開(kāi)發(fā)中采用了LabVIEW 的顯示控件及報表生成工具包，其轉換效率和電能質(zhì)量分析是程序最主要的計算部分。軟件的基本結構如圖2 所示。

2.1 軟件模式選擇

本監測系統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最高頻率的2 倍以上的時(shí)候，被采樣信號頻率才能被真實(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的分析、顯示與存儲。因此最終選擇將數據采集和處理同步進(jìn)行的并行軟件結構。

圖2 監測系統軟件結構

LabVIEW 具有多種程序并行處理的實(shí)現方式，這里考慮主/從模式和生產(chǎn)者/消費者模式。其中所不同的是生產(chǎn)者/消費者模式多出了一個(gè)FIFO 的機制，主要是避免在使用主/從模式時(shí)讀取數據率小于寫(xiě)入數據時(shí)會(huì )發(fā)生的數據丟失。采用FIFO 可以作為數據的緩存，根據實(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)需要參與數據的處理過(guò)程，因此不能讓CPU 響應每次的采集，所以選擇DMA( 直接內存存取) 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 )直接將采集的數據寫(xiě)到內存中，僅當數據存儲到一定數量的時(shí)候才會(huì )向CPU 發(fā)出中斷申請，這樣可以大幅度降低CPU 負擔，能更加及時(shí)得處理其它程序部分。

研華PCI － 1742 型采集卡內部有DMA 處理器，軟件實(shí)現時(shí)，首先創(chuàng )建一個(gè)FIFO 空間，其大小為設定一次采集點(diǎn)數的兩倍。將整個(gè)FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當1#空間才滿(mǎn)時(shí)，給從循環(huán)發(fā)送信號，當從循環(huán)取出1#空間的數據時(shí)，數據采集的結果放在2#空間，然后反過(guò)來(lái)。若保證數據分析的時(shí)間小于一次采集的時(shí)間，則不會(huì )發(fā)生數據的丟失。