安科瑞霍爾傳感器在太陽(yáng)能光伏發(fā)電檢測系統的應用

安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

18706168062

摘要：太陽(yáng)能光伏發(fā)電組件的實(shí)時(shí)檢測備受關(guān)注，本文設計了基于霍爾傳感器的太陽(yáng)能光伏系統的檢測裝置。該裝置主要由信號采集電路單元、數據處理單元和局域網(wǎng)控制器（ControllerAreaNetwork簡(jiǎn)稱(chēng)CAN）總線(xiàn)數據傳輸電路單元三部分結合進(jìn)行檢測。實(shí)驗結果表明霍爾傳感器的測量精度高、范圍大、響應速度快、測量方法線(xiàn)性度好、不受外界環(huán)境因素影響，且實(shí)現實(shí)時(shí)監測發(fā)電系統運行狀態(tài)并上傳數據。充分證明本文設計的檢測系統是高效可行的。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；光伏發(fā)電；CAN總線(xiàn)傳輸；實(shí)時(shí)檢測

0引言

由于太陽(yáng)能具有清潔、無(wú)污染、可再生的特點(diǎn)，我國又出臺的新能源政策促使光伏產(chǎn)品質(zhì)量與數量齊升。面臨的首要問(wèn)題是對光伏發(fā)電組件進(jìn)行檢測與維護。而光伏系統主要采用直流電源，可以依據輸出端電壓、電流來(lái)判斷光伏組件運行狀態(tài)。因此，監測光伏組件的輸出端電壓、電流具有重要意義。

監測系統主要是采集光伏組件輸出電壓、電流信號。但是，陣列中的電壓、電流值較高且電池板間具有電位聯(lián)系，導致目前實(shí)現直接測量比較困難。研究前期，提出一些測量方法：共模、差模、V/F轉換無(wú)觸點(diǎn)采樣等方法來(lái)測量電壓，但都存在精度低，線(xiàn)性度差，電壓測量范圍小，響應速度慢，不能適用于任何波形等缺點(diǎn)；采用直放式LEM傳感器、羅氏線(xiàn)圈、電磁式電流互感器、TMR電流傳感器、分流器或直接檢測等方法來(lái)測量電流，但是存在零點(diǎn)漂移、破壞原有系統完整性、影響被測電流波形、絕緣難度大等問(wèn)題。

因此，針對光伏發(fā)電系統的特殊性并結合目前的測量方法，采用依據霍爾效應制作的一種磁場(chǎng)傳感器—霍爾傳感器[5]來(lái)測量光伏陣列的電壓、電流；采用CAN總線(xiàn)[6-7]，實(shí)時(shí)上傳數據至上位機。設計了一種方便操作且結構簡(jiǎn)單的可以實(shí)現實(shí)時(shí)監測光伏發(fā)電組件工作狀態(tài)的裝置。相比于其他單一的光伏發(fā)電監測系統，它可以克服目前測量方法存在的不足。而且具有兩大優(yōu)勢：一是可以實(shí)現同時(shí)監測發(fā)電組件的電壓、電流；二是可以實(shí)現數據的實(shí)時(shí)上傳。

1設計要求

太陽(yáng)能光伏陣列的檢測關(guān)鍵是對太陽(yáng)能光伏陣列輸出電壓、電流信號的采集。但是，電池板串聯(lián)數量多使得串聯(lián)整組的電壓、電流高，而且每個(gè)發(fā)電組件之間的電位都有一定的聯(lián)系。因此，為實(shí)現實(shí)時(shí)監測光伏發(fā)電組件的工作狀態(tài)并上傳數據；第一時(shí)間定位故障點(diǎn)的具體位置并給出報警信號。對本檢測系統的設計提出以下要求：

1）傳感器裝置價(jià)格低廉，絕緣度高，體積小且重量輕。

2）檢測系統對工作溫度檢測精度應高于1%，任何波形都適用，進(jìn)而提高測量效率。

3）系統電壓測量范圍應擴大到6400V。

4）系統采樣動(dòng)作的延遲時(shí)間要短且不受外界影響維持長(cháng)期穩定。

5）檢測系統響應速度快，線(xiàn)性度要達0.1%

2總體結構設計

總體監測系統如圖1所示，主要由信號采集電路單元、數據處理電路單元、CAN總線(xiàn)數據傳輸電路單元、穩壓電路單元、撥碼開(kāi)關(guān)單元和數據處理計算機7部分組成。

圖1總體結構

信號采集電路單元由電壓信號采集電路和電流信號采集電路組成，電壓、電流信號采集電路輸入電壓和電流信號；CAN總線(xiàn)數據傳輸電路單元對三個(gè)電路單元傳輸過(guò)來(lái)的數據作處理；穩壓電路單元主要是提供穩定電源。

2.1信號采集電路單元結構

如圖2所示，信號采集電路由8個(gè)霍爾傳感器組成（H1~H7為電壓霍爾傳感器，H8為電流霍爾傳感器）。其中電壓霍爾傳感器H1~H6檢測單塊太陽(yáng)能電池板電壓，H7檢測串聯(lián)支路兩端總電壓，電流霍爾傳感器采集太陽(yáng)能光伏陣列每條支路上的電流信號。

圖2信號采集電路單元結構

其中H1~H7使用+15V直流電源供電，H8使用+5V直流電源供電。電壓霍爾傳感器H1～H7通過(guò)接線(xiàn)端子J5~J11與電池板相連（圖2）產(chǎn)生霍爾效應，得到0~5V的電壓信號。將太陽(yáng)能電池板輸出電流導線(xiàn)穿過(guò)帶有電流感應孔的電流霍爾傳感器H8輸出額定值為0~2.5伏直流電壓信號。上述電壓信號連接單片機U1的A/D引腳（圖3），將分壓電阻R101～R108（圖2）放在單片機U1與霍爾傳感器之間，防止感應電壓過(guò)高而損壞單片機。

圖3數據處理電路單元結構

2.2數據處理電路單元結構

數據處理電路由單片機U1（PIC18F25K80）、電阻R28、電阻R1、電阻R5、電容C1～C3、電容C10、晶振Y1、LED燈L2、接線(xiàn)端子J1等構成。將外部+24V直流電源通過(guò)穩壓電路單元接入接線(xiàn)端子J2的一端，接線(xiàn)端子J2另一端與電源芯片MC7805和MC7815相連，MC7805將24V電源轉化為+5V，MC7815將24V電源轉化為+15V；+5V直流電源用于為單片機和電流霍爾傳感器供電，+15V直流電源用于為電壓霍爾傳感器供電，而電源部分為通用電路。

單片機U1內部A/D模塊對接收到的霍爾傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行數模轉換。其內部模塊按照如下公式進(jìn)行數據計算和相應分析處理。

被測電壓=（（ad結果采樣）*基準）/AD位數，8位AD位數=256

被測電流=（（ad結果采樣）*基準）/AD位數，8位AD位數=256

該算法得到的電壓數據和電流數據存儲至單片機U1的內部寄存器，再由其內部的ECAN模塊將檢測結果輸出給CAN總線(xiàn)數據傳輸電路單元；數據處理電路單元中的LED指示燈L2會(huì )閃爍時(shí)單片機處于工作狀態(tài)；接線(xiàn)端子J1是編程線(xiàn)，通過(guò)連接計算機USB接口可以使用計算機下載、編寫(xiě)和運行調試單片機U1的相關(guān)程序。

2.3CAN總線(xiàn)數據傳輸電路單元結構

CAN總線(xiàn)數據傳輸電路（圖4）由通訊收發(fā)芯片U6（TJA1040）、分壓電阻R2和R3、共模濾波電感L3、CAN總線(xiàn)濾波放大電路（圖5）、瞬態(tài)抑制二極管Z1和Z2、保險F1和F2組成。U6可以實(shí)現CAN總線(xiàn)協(xié)議的轉換，U6的1號引腳（TX）和4號管腳（RX）用來(lái)實(shí)現與U1之間的數據交互。分壓電阻R2、R3連接在U6和U1之間是為了保護電路。通訊收發(fā)芯片U6的6號和7號管腳為CAN總線(xiàn)數據連接引腳，在它們外部連接抗感擾的共模濾波電感L3。如圖5所示，該電路將輸入信號進(jìn)行濾波、放大，然后采用CAN總線(xiàn)傳輸電路傳送信號。

圖4CAN總線(xiàn)傳輸電路結構

限壓型的過(guò)電壓保護器件瞬態(tài)抑制二極管Z1和Z2，可以保護后續電路結構的正常使用，因為該二極管把電路中過(guò)高的電壓可以控制在一個(gè)安全范圍內。保險F1和F2主要是保護電路中的其他所有電子元件，以防外部電路中過(guò)高的電壓輸入該電路。CAN總線(xiàn)的OCANH、OCANL端子與接線(xiàn)端子J2相連接，用來(lái)執行和上位機之間的通訊操作。

通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置每個(gè)基于霍爾傳感器的太陽(yáng)能光伏發(fā)電檢測系統的站號，撥碼開(kāi)關(guān)的每一位與單片機U1的21號~28號I/O引腳相連。每一位有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，手動(dòng)向上撥即為開(kāi)向單片機寫(xiě)1，手動(dòng)向下?lián)芗礊殛P(guān)向單片機寫(xiě)0，撥碼開(kāi)關(guān)的輸出相當于一個(gè)8位2進(jìn)制數，即00000000－11111111，手動(dòng)調節撥碼開(kāi)關(guān)的8個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，生成一個(gè)8位2進(jìn)制數，即一個(gè)檢測系統的站號，每個(gè)單獨的電壓、電流檢測系統在CAN總線(xiàn)中相當于一個(gè)節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)都具有自己獨特的站號，可以用來(lái)準確識別總線(xiàn)系統里的每一個(gè)節點(diǎn)。

2.4CAN總線(xiàn)濾波放大電路

CAN總線(xiàn)濾波放大電路（圖5）由電容C6～C8、電阻R10～R13構成。

圖5濾波放大電路結構

上述數據傳輸電路單元得到的電壓數據和電流數據經(jīng)過(guò)分壓電阻R2和分壓電阻R3流向通訊收發(fā)芯片U6，通訊收發(fā)芯片U6自帶CAN總線(xiàn)通訊協(xié)議，在接收到單片機U1傳輸的電壓數據和電流數據后對其進(jìn)行通訊協(xié)議轉化，轉化后的電壓數據和電流數據信號流向共模濾波電感L3，濾除掉信號中的干擾成分，并經(jīng)過(guò)電阻R12和電阻R13的分壓保護，經(jīng)過(guò)瞬態(tài)抑制二極管Z1和瞬態(tài)抑制二極管Z2后流向保險F1和保險F2，最終通過(guò)接線(xiàn)端子J2和外部CAN總線(xiàn)相連，并通過(guò)CAN總線(xiàn)將測量得到的電壓數據和電流數據上傳至實(shí)時(shí)監測光伏組件運行狀態(tài)的數據處理計算機，完成整個(gè)檢測流程。

3實(shí)驗結果分析

為了驗證設計的該系統的正確性，以一個(gè)實(shí)際由6*4維光伏陣列構成太陽(yáng)能光伏系統為例。系統中共用到28個(gè)電壓采集電路和5個(gè)電流采集電路。該系統共有4條支路并列運行，而且每6個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)成一組構成一條支路。其中每一個(gè)太陽(yáng)能電池板采用一個(gè)電壓采集電路對其兩端采集電壓信號，每條支路也采用一個(gè)電壓采集電路用來(lái)采集該條支路兩端的總電壓信號；每條支路需要采用一個(gè)電流采集電路來(lái)采集該條支路的電流信號，此外再安裝一個(gè)電流采集電路來(lái)采集4條支路的總電流。運行結果如圖6、圖7所示。

圖6電壓、電流實(shí)時(shí)狀態(tài)

圖7電壓、電流實(shí)時(shí)狀態(tài)

實(shí)例中每塊太陽(yáng)能電池板額定輸出電壓為50V，串聯(lián)后每組額定輸出電壓為300V。如圖6（a）（b）為采用該霍爾傳感器結果，（c）（d）為未使用結果圖。二者比對分析充分體現該檢測系統采用霍爾傳感器對電壓、電流的測量精度高、波動(dòng)范圍小。同時(shí)經(jīng)由CAN總線(xiàn)將數據結果幾乎無(wú)延時(shí)地上傳至上位機，可以實(shí)時(shí)觀(guān)測電壓、電流數據。而（c）（d）地延時(shí)就很長(cháng)。進(jìn)一步采用單片機對數據進(jìn)行分析處理得知每一個(gè)光伏組件的運行狀態(tài)，并對每塊太陽(yáng)能板進(jìn)行編號，可以清楚地了解光伏發(fā)電系統每個(gè)電池板的工作狀態(tài)。

4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過(guò)霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過(guò)載能力強，線(xiàn)性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動(dòng)、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

4.2產(chǎn)品選型

4.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

5結論

該系統體積小，重量輕，成本低廉可應用于未來(lái)的光伏發(fā)電系統，只需依據光伏組件的實(shí)際數量做出具體調整即可。并且證明該系統使用的傳感器測量的電流、電壓信號的精度高、可靠性好。因為該傳感器延時(shí)短可以即時(shí)發(fā)現光伏發(fā)電系統的故障節點(diǎn)，更加方便工作人員及時(shí)對光伏陣列進(jìn)行維護與檢修，進(jìn)而在保證生產(chǎn)成本的基礎上提高了光伏發(fā)電效率。