基于LabVIEW的光伏逆变器性能监测系统

2014-12-11 09:42:10来源: ednchina
光伏逆变器厂商通常会向用户提供额定功率、效率曲线、功率因数等性能参数,这些可为光伏电站的工程规划和基础建设提供必要的基础参数。然而,在光伏电站建成投运后,仍需监测并分析光伏电站各项运行数据,如有功/无功功率、并网电能质量、瞬时转换效率等,从而能对系统进行实时故障诊断、运行调度和能量管理。

国内外知名的光伏逆变器厂商通常会提供其自有的监控系统解决方案,但这些系统主要是配合自家产品,其对外数据接口往往是封闭的,对于状态参数、采集速率、分析功能等难于灵活设置和扩展。为此,另外较常使用的方法是将多通道示波器、高精度功率分析仪、电能质量分析仪等专用仪器仪表组合,构成专用的监测系统。然而,此方案的不足在于: 仪器功能单一、投资成本高,可扩展能力不强; 设备操作繁琐、实时处理和管理能力较差,且测试数据难以存储,不便于进行后续的处理分析。

鉴于常规监测方案及传统仪器仪表的诸多不足和限制,目前的测试和监测系统已逐渐引入了虚拟仪器(Virtual Instrument - VI) 技术。VI 的核心思想是“软件就是仪器”,它将仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。VI 通过标准的数字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口将各种测量硬件或板卡连接到计算机平台上,从而使计算机及测量仪器等硬件资源与计算机软件资源( 如数据处理、分析、控制、存储、显示等) 有机结合起来,用虚拟的计算机“软面板”代替传统仪器的“硬面板”。当然,VI 的内涵绝不仅仅是两个面板的替换,这是一场革命,在VI 系统中,硬件仅仅负责信号的输入输出,而系统的开发、功能的提升,在很大层度上都要依靠软件,软件成为整个仪器的关键。

LabVIEW 是由美国NI 公司创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具,它是一种图形化的编程语言( G 语言) ,还提供了大量的虚拟仪器和丰富的函数库来帮助编程。

本文基于VI 技术开发了适用于功率15kW 以下的单相光伏逆变器实时性能监测系统,其对于评估光伏发电系统性能、诊断系统故障具有非常重要的作用。该监测系统的底层硬件主要采用高速多功能数据采集卡、霍尔传感器及环境传感器相结合对测试过程中的各种电气参量和过程参量进行检测和转换; 而上层测控系统则基于工业控制计算机硬件,其中运行NI 公司LabVIEW 环境中编制的光伏逆变器虚拟仪器测控软件。此测试系统可以实现光伏逆变器测试过程中各种复杂的信号分析与显示功能,并且扩展能力强。测试及使用效果表明,该系统能够满足光伏逆变器性能分析与实验的要求。

1 系统结构与硬件设计

1.1 系统构成

典型的光伏并网逆变器,主要是太阳能光伏阵列,其输出经DC /DC 变换器进行最大功率跟踪( MPPT) ,然后经DC /AC 变换器将能量输送到电网。其中DC /DC 环节和DC /AC 环节组成了两级式的光伏逆变器,整个系统结构如图1 所示。

图1 中,待测量电气参量主要有逆变器输入侧( 即光伏阵列输出) 的直流电压VPV和电流IPV,还有输出侧的交流电压VAV以及电流IAV。另外,还可以从逆变器中测量直流母线的电压VDV以及电流IDV,用于评估逆变器前后级的效率。对于光伏阵列,需要测量其斜面辐照度以及工作温度,从而可以实时分析其输出特性曲线。采集得到的数据经过信号调理电路后通过数据采集卡输送到上位机软件中进行下一步的分析和处理。

图1 系统结构框图
图1 系统结构框图

1.2 硬件设计与选型

为了对各种电气参量进行监测,根据应用需要,设计了以传感器、信号调理电路、采集卡为核心的硬件采集系统。

( 1) 传感器与变送器

测量的电压主要有直流电压与电网电压,电压传感器选择宇波CHV - 25P /400 模块,由于功率等级在15kW,因此电流传感器选择CHB - 50A 模块。两种传感器的精度均为1%,线性度为0. 1%。

组件温度测量用T 型热电偶变送器,输出信号为电流值,使用精密采样电阻将其转换为电压信号,其测量范围- 50℃ ~ 100℃,精度为1℃。

辐照度测量使用TBQ - 2 传感器及变送器,范围0 ~ 2000W/m2,精度为5%,与热电偶一样也需要采样电阻进行信号变换。

( 2) 信号调理与采集

采集卡选择研华PCI - 1742 型多功能采集卡,其拥有16bit 采样精度,单通道最大1Ms /s、多通道800ks /s 的采集速率,32 路单端或16 路双端模拟输入,输入电压范围为- 10V ~ 10V。

由于采集卡具有较高的采样频率,并且在实际应用中需要分析并网电流的高次谐波,信号调理电路采用了截止频率50kHz 的二阶无源滤波器。为了抑制共模信号的影响,采集卡的输入选择双端差分输入的形式。

2 软件结构与实现

LabVIEW上位机所需完成的主要工作是对数据显示、分析与存储,开发中采用了LabVIEW 的显示控件及报表生成工具包,其转换效率和电能质量分析是程序最主要的计算部分。软件的基本结构如图2 所示。

2.1 软件模式选择

本监测系统需要分析逆变器并网点处的电能质只有采样频率至少是被采样信号最高频率的2 倍以上的时候,被采样信号频率才能被真实还原,通常为了更加精确,选5 ~ 10 倍左右。同时,软件还需要兼顾被采集信号的分析、显示与存储。因此最终选择将数据采集和处理同步进行的并行软件结构。

图2 监测系统软件结构
图2 监测系统软件结构

LabVIEW 具有多种程序并行处理的实现方式,这里考虑主/从模式和生产者/消费者模式。其中所不同的是生产者/消费者模式多出了一个FIFO 的机制,主要是避免在使用主/从模式时读取数据率小于写入数据时会发生的数据丢失。采用FIFO 可以作为数据的缓存,根据实际情况在两种模式之间进行选择。

由于采集频率较高,而CPU 同时需要参与数据的处理过程,因此不能让CPU 响应每次的采集,所以选择DMA( 直接内存存取) 方式。在这种方式下的CPU 不会参与到每次的采集过程中,而会直接将采集的数据写到内存中,仅当数据存储到一定数量的时候才会向CPU 发出中断申请,这样可以大幅度降低CPU 负担,能更加及时得处理其它程序部分。

研华PCI - 1742 型采集卡内部有DMA 处理器,软件实现时,首先创建一个FIFO 空间,其大小为设定一次采集点数的两倍。将整个FIFO 分成两块,分别定为1#和2#,当1#空间才满时,给从循环发送信号,当从循环取出1#空间的数据时,数据采集的结果放在2#空间,然后反过来。若保证数据分析的时间小于一次采集的时间,则不会发生数据的丢失。

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关键字:LabVIEW  光伏逆变器  性能监测系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1211/article_10321.html
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