光伏監(jiān)控系統(tǒng)

不足之處:目前國內(nèi)已建成了幾座太陽光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，盡管系統(tǒng)具有強大的監(jiān)測功能，但其仍存在如下一些問題：（1）數(shù)據(jù)采集間隔時間長，無法實時記錄光伏電站的故障波形，而且數(shù)據(jù)傳輸速率低；（2）系統(tǒng)不能顯示電站的故障信息，對所采集的數(shù)據(jù)也不能進(jìn)行分析、比較。因此，本文設(shè)計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r記錄光伏系統(tǒng)運行的各項數(shù)據(jù)，還能通過對運行數(shù)據(jù)的分析驗證光伏陣列是否處于最大功率點并給出調(diào)控系數(shù)。光伏監(jiān)控系統(tǒng)是統(tǒng)籌光伏系統(tǒng)的太陽能光伏陣列和鉛酸蓄電池模塊（儲能單元）的關(guān)鍵，也是整個光伏系統(tǒng)的智能核心。它不僅控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括太陽能光伏陣列工作狀態(tài)和蓄電池充放電的工作狀態(tài)，還為系統(tǒng)的可靠運行提供保障，同時建立必要的人機(jī)通訊，也為多個光伏系統(tǒng)之間的通訊和管理提供接口，控制較為復(fù)雜。1光伏監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)光伏監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)完成對光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)的采集，如光伏陣列電壓、光伏陣列電流、蓄電池電壓、蓄電池溫度、充電電流、環(huán)境溫度、風(fēng)速、光強等。圖1光伏監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2光伏監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理光伏監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成。該系統(tǒng)硬件部分采用高性能的DSP進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，并通過預(yù)設(shè)的參數(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析處理。軟件部分不僅實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的在線采集和顯示信號、讀取和存儲數(shù)據(jù)、計算波形特征參數(shù)等功能，并針對光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤，對其進(jìn)行驗證和調(diào)控。2.1控制系統(tǒng)工作模式及其切換控制系統(tǒng)采用較高的采樣頻率實時完成光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)（如光伏陣列電壓、光伏陣列電流等）的采集，并記錄在循環(huán)記錄單元中。數(shù)據(jù)存儲按照時間順序循環(huán)覆蓋，從而減小整個循環(huán)記錄單元的大小。在光伏發(fā)電系統(tǒng)比較穩(wěn)定或者只有較小擾動時，控制系統(tǒng)并不是將所有的數(shù)據(jù)上傳給計算機(jī)監(jiān)控中心，而是根據(jù)監(jiān)控中心的預(yù)設(shè)指令定時（數(shù)據(jù)傳送間隔與常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)相似）發(fā)送光伏系統(tǒng)的運行參數(shù)和狀態(tài)至監(jiān)控中心，接受監(jiān)控中心的控制指令并執(zhí)行相應(yīng)的控制。這樣，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較小。在系統(tǒng)中發(fā)生較大擾動或者故障時，控制系統(tǒng)根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷后，立即將波形數(shù)據(jù)存儲到外擴(kuò)的數(shù)據(jù)存儲器中，同時進(jìn)行相關(guān)的故障處理。系統(tǒng)同時向監(jiān)控中心上傳循環(huán)記錄單元和外部數(shù)據(jù)存儲器中記錄的故障波形。此時，故障波形中包含了故障前幾個周波的實時故障波形，這樣就避免了故障發(fā)生后無法實時記錄完整故障波形的現(xiàn)象。2.2數(shù)據(jù)檢測光伏系統(tǒng)輸入輸出的電壓、電流數(shù)據(jù)的獲取是先在一個工頻周期中利用片內(nèi)AD進(jìn)行200次（開關(guān)頻率為10kHz）采樣，然后利用傅里葉級數(shù)算出其有效值即可。為了實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓頻率和相位的跟蹤，可利用滯環(huán)比較器進(jìn)行過零檢測，調(diào)用控制器的捕獲中斷計算其電壓頻率和相位差，并存儲在相應(yīng)的存儲器中等待下一步處理。3軟件設(shè)計3.1控制系統(tǒng)軟件光伏系統(tǒng)智能控制器的軟件設(shè)計主要包含兩部分，即主程序和中斷服務(wù)子程序。而中斷服務(wù)子程序又包括T1UFINT、T2PRINT、SCITXINTA_ISR、SCIRXINTA_ISR、CAPINT1和NMI等中斷。主程序又分為初始化部分和循環(huán)執(zhí)行部分。在初始化部分主要設(shè)置中斷入口地址，工作區(qū)單元清零，設(shè)置堆棧指針，初始化計數(shù)器和串行口等然后根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。一旦有了中斷請求信號，而且當(dāng)前中斷的級別，是最高的，則主程序立即響應(yīng)中斷，并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序,下面介紹幾個主要中斷的子程序所完成的功能。SCIRXINTA_ISR中斷主要是接受監(jiān)控中心的控制指令和實時參數(shù)。而T1UFINT中斷完成主要任務(wù):通過A/D獲取光伏系統(tǒng)輸入輸出的電壓、電流、頻率數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算和綜合分析后判斷系統(tǒng)是否正常運行，并實現(xiàn)錄波決策和數(shù)據(jù)通訊。3.2監(jiān)控系統(tǒng)軟件監(jiān)控軟件讀入數(shù)據(jù)后，進(jìn)行系統(tǒng)運行狀態(tài)識別。如果是運行數(shù)據(jù)則一方面將運行數(shù)據(jù)通過曲線的形式直觀地反映出目前的運行狀態(tài)，另一方面，將需要的數(shù)據(jù)定時存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，因為在正常運行的情況下，數(shù)據(jù)的波動范圍不大，控制員并不需要知道運行數(shù)據(jù)，所以每隔一段時間將運行數(shù)據(jù)存入運行數(shù)據(jù)庫；如果是故障數(shù)據(jù)，則立刻寫入故障數(shù)據(jù)庫，同時以圖形閃爍的方式提醒控制者并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)了故障。此時，并網(wǎng)逆變器已經(jīng)在智能控制系統(tǒng)的控制下將各個開關(guān)管斷開，并切換至關(guān)機(jī)待命狀態(tài)（但與控制微機(jī)間仍保持通信）。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷程序運行時首先需要選擇分析的組件，根據(jù)選擇的組件讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)有兩種方式，一種是打開數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù)，另一種是從原始數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其輸入是陣列溫度、光照輻射強度、光伏電池的輸出電壓、輸出電流，輸出是當(dāng)前功率系數(shù)和調(diào)控系數(shù)。當(dāng)前功率系數(shù)是在當(dāng)前光照輻射強度和陣列溫度條件下，當(dāng)前光伏陣列的輸出功率與最大輸出功率的比值，調(diào)控系數(shù)是光伏陣列的輸出電壓需要調(diào)控的方向和比例。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與給定值比較，構(gòu)成智能控制程序的數(shù)據(jù)輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)所需的各種實例來自于實驗和仿真得到的數(shù)據(jù)。1、太陽能發(fā)電系統(tǒng)智能控制所涉及的主要技術(shù)問題蓄電池的充放電過程控制有非常明確的技術(shù)要求，一般地，充電過程包括主充電、均衡充電和浮充三個階段，每個階段中，對電壓和電流的值都有嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定,在放電過程中，為防止出現(xiàn)過放電損壞電池，也有放電終止電壓的要求，并且，這些技術(shù)要求的數(shù)值都要進(jìn)行溫度補償，放電終止電壓的值也隨放電電流的大小而變化。太陽能供電系統(tǒng)全部為浮充供電方式，其特點：一是相對負(fù)載來說電池容量很大，電池放電電流小、放電率低，在光照充足時容易發(fā)生過充而損害電池;二是太陽能發(fā)電在時間上隨晝夜輪回和陰晴變化呈階段性特點,并且光照強度和光照時間的變化無法掌握，難以每次都完成完整的三階段充電過程；三是當(dāng)遇長時間連續(xù)無光照的情況，由蓄電池連續(xù)獨立放電為設(shè)備提供電源供應(yīng)，此時容易發(fā)生過放電。根據(jù)蓄電池的技術(shù)特性和太陽能供電系統(tǒng)的特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制主要應(yīng)考慮以下幾點：一是充電控制。太陽能板的發(fā)電能力有限，發(fā)電時間隨光照的變化也呈階段性，要實現(xiàn)嚴(yán)格規(guī)范的充電控制十分困難，因此只能采取極限值限定的方法控制其充電過程。即根據(jù)電池當(dāng)前電壓確定充電過程應(yīng)處的階段,在主充電階段限制充電電流，不得超過0.15C（C為電池容量），這樣可以在確保不損害電池的前提下盡可能最高效率地儲存電能;在均充和浮充兩個階段，則限定充電電壓，使電池既得到充分的電能存儲，又防止過充電。二是放電控制。在光照不足設(shè)備單獨依靠電池放電工作時，隨時監(jiān)測放電電流和電池電壓,根據(jù)實際放電電流科學(xué)地設(shè)定放電終止電壓。三是負(fù)載管理。當(dāng)電池深度放電至接近所設(shè)定的放電終止電壓時,要自動切斷大負(fù)載,及時對電池進(jìn)行有效的保護(hù)，當(dāng)天氣恢復(fù)光照后，自動恢復(fù)所有設(shè)備的正常運行。四、太陽能供電系統(tǒng)智能監(jiān)控的實現(xiàn)方案系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，太陽能板通過充電器、供電開關(guān)、電流傳感器為蓄電池組充電,蓄電池通過電流傳感器和供電開關(guān)輸出電能為負(fù)載供電。電池巡檢儀完成蓄電池組的檢測，它檢測每一節(jié)電池的電壓、電池周圍的環(huán)境溫度和電池的充、放電電流，并將檢測結(jié)果通過串行通信接口傳輸?shù)街悄芸刂茊卧?。智能控制單元是整個系統(tǒng)控制的中心，它通過數(shù)據(jù)通信線路從電池巡檢儀讀取電池的電壓、電流以及環(huán)境溫度,對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)分析,據(jù)此對充電和放電過程進(jìn)行科學(xué)合理的控制，并在必要時關(guān)閉大負(fù)載，保護(hù)蓄電池，同時它還通過數(shù)據(jù)通信單元完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。人機(jī)界面是操作人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置與控制的界面,智能控制單元根據(jù)所進(jìn)行的技術(shù)參數(shù)設(shè)置和相關(guān)技術(shù)規(guī)則對運行過程進(jìn)行判斷和控制。對蓄電池的充電在太陽能板獲得光照的條件下進(jìn)行，受智能控制單元的嚴(yán)格控制。供電開關(guān)完成蓄電池組電力輸出的開關(guān)控制，當(dāng)蓄電池放電接近放電終止電壓時，根據(jù)智能控制單元的指令斷開主要的負(fù)載，防止蓄電池因過放電造成損壞。2、主要技術(shù)參數(shù)由于不同公司蓄電池的充電特性、溫度補償系數(shù)值不同，因此,系統(tǒng)開始工作前或在更換新的蓄電池時,要通過人機(jī)界面輸入系統(tǒng)蓄電池的所有與充、放有關(guān)的技術(shù)參數(shù)，其主要包括：電池容量(C);標(biāo)稱均充電壓(VE):25°C時的均充電壓；標(biāo)稱浮充電壓(VF):25C時的浮充電壓；標(biāo)稱終止電壓(VS):25C時，針對0.1C10放電率放電的終止電壓；標(biāo)稱最大充電電流(ICM):25C時的最大充電電流值；溫度補償系數(shù)(TC)。3、軟件流程通過硬件的連接構(gòu)成系統(tǒng)后,智能控制單元根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)則和對蓄電池電壓以及電流和溫度的監(jiān)測結(jié)果通過軟件控制系統(tǒng)運行?？刂栖浖目傮w上包括三個大部分，一是監(jiān)測,主要是與電池巡檢儀之間通過數(shù)據(jù)通信讀取檢測數(shù)據(jù),并進(jìn)行判斷,給出判斷結(jié)果，必要時發(fā)出告警;二是充放電控制部分，在充電過程中，判斷電池當(dāng)前所處的充電階段,并根據(jù)有關(guān)規(guī)則調(diào)整充電器的輸出電壓和電流，及時實現(xiàn)各階段的轉(zhuǎn)換，既最大效率地存儲電能，同時又防止因為過充電損傷電池;三是遠(yuǎn)程通信部分，通信方式采取短消息和GPRS均可，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。2充電控制部分的程序流程。1）充電的階段轉(zhuǎn)換程序蓄電池獨立放電供設(shè)備工作后。當(dāng)光照再次出現(xiàn)時,太陽能板重新供出電能,于是便開始了新一輪充電過程，開始時系統(tǒng)首先判斷電池電壓，如果電壓低于均衡充電電壓，則進(jìn)入主充電階段，此時燈器不發(fā)光,工作電流不大，充電器以大電流為電池充電;一旦電池電壓達(dá)到均衡充電電壓，則轉(zhuǎn)入均衡充電階段,智能控制單元控制充電器以均衡充電電壓VE對蓄電池進(jìn)行均衡充電;當(dāng)均衡充電時間到了以后，則轉(zhuǎn)入浮充充電階段，充電器將充電電壓調(diào)整到浮充電壓VF。2）主充電過程控制流程主充電的原則是在充電電流不超過蓄電池最大充電電流的前提下,控制充電器以盡可能大的電流向蓄電池充電，因此，在充電過程中，隨時判斷充電電流，只要充電電流不大于最大充電電流，則使充電電流盡可能增大；同時判斷電池電壓，當(dāng)充電使電池電壓達(dá)到均衡充電電壓后，則轉(zhuǎn)入均衡充電。3）均衡充電和浮充過程的控制系統(tǒng)進(jìn)入均衡充電后,要保持均衡充電到預(yù)定的時間后，才轉(zhuǎn)入浮充充電，因此，在均衡充電過程中，主要是對均衡充電進(jìn)行計時，計時時間到了以后,要轉(zhuǎn)入浮充階段。在浮充過程中，只要太陽能有電能輸出，系統(tǒng)就一直保持浮充,百至太陽能供電結(jié)束。實現(xiàn)方式太陽能供電系統(tǒng)的智能控制在具體實現(xiàn)上可以采用多種方式，以單獨建立一個完整的系統(tǒng)獨立工作二，太陽能光伏電站并網(wǎng)逆變電源系統(tǒng)主要功能是將太陽能電池發(fā)出的直流電逆變成三相交流電送入電網(wǎng).并解決并網(wǎng)逆變中的最大轉(zhuǎn)換效率、諧波干擾、保護(hù)等問題.控制部分主要是控制功率部分產(chǎn)生與電網(wǎng)同相位的電壓，并跟蹤實際輸出功率,使電源的輸出功率與太陽能電池的最大輸出功率相等.控制部分核心主要是通過DSP多通道高速ADC采樣分別監(jiān)測電網(wǎng)電壓、太陽能電池端電壓、太陽能電池輸出電流、直流調(diào)壓輸出電壓.同時，DSP產(chǎn)生用于調(diào)壓和換向的開關(guān)管動作，產(chǎn)生正弦波輸出.可通過本地控制面板控制，同時提供基于RS232接口的遠(yuǎn)程控制.1.系統(tǒng)保護(hù)描述a）并網(wǎng)保護(hù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的一部分需要接入保護(hù)裝置，一方面對光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)，防止孤島效應(yīng)等發(fā)生；另一方面需要安裝繼電保護(hù)裝置，防止線路事故或是功率失穩(wěn).這些保護(hù)功能包括低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、過頻率保護(hù)、過電流保護(hù)和孤島保護(hù).b）孤島問題逆變器失去了并網(wǎng)賴以參考的電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，這種情況稱之為孤島效應(yīng).孤島效應(yīng)的產(chǎn)生可能會使電網(wǎng)的重新連接變得復(fù)雜,且會對電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生危害.該系統(tǒng)采用了被動式和主動式兩種孤島檢測技術(shù)，保證可靠地檢出孤島現(xiàn)象，確保設(shè)備安全.三相關(guān)保護(hù)設(shè)備及附件1）旁路元件當(dāng)太陽能電池組件中某部分電池單元因遮光物形成陰影的時候，會使得該部分的電池不能發(fā)電，且這部分電池電阻升高。那么就會使得串聯(lián)連接回路的電壓全部加在這個單元上，當(dāng)電流流過這個高電阻的單元上，會產(chǎn)生高溫，引起里面的保護(hù)膜膨脹，甚至?xí)p壞此單元的組件乃至整個電池組件。為了防止這種情況，要在構(gòu)成太陽能陣列的每一個太陽能電池組件上都安裝旁路元件，是高電抗的太陽能電池單元或者太陽能電池組件中流過的