光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置及方法，以實現(xiàn)高速率測量并長時間記錄光照溫度等環(huán)境條件和電池板的實際工作狀態(tài)，本發(fā)明不僅對光照、溫度等氣象數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，同時也對光伏電池的IV特性曲線與最大功率點等工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并且數(shù)據(jù)采集速率提高到1秒一次工作點數(shù)據(jù)采集，10秒一次IV特性曲線掃描；在每次數(shù)據(jù)采集中不僅采集光伏電池在工作點的數(shù)據(jù)，而且掃描了光伏電池的IV特性曲線，記錄光伏陣列的長期工作狀態(tài)。本發(fā)明大大縮減了數(shù)據(jù)采集間隔，并且能夠檢測光伏電池的IV曲線、獲取長期大量的光伏電池板特性數(shù)據(jù)，為今后光伏電站的研究與設(shè)計提供了寶貴資料。
【專利說明】光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電氣工程與通訊工程【技術(shù)領(lǐng)域】，應(yīng)用于光伏電站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，并網(wǎng)太陽能光伏電站得到了迅速發(fā)展，由于現(xiàn)有電網(wǎng)主干部分大多成型，分布式光伏電站接入較為普遍。而大量的光伏電站接入后，會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，因此需要采集光伏電站的遙信、遙測數(shù)據(jù)。目前光伏電站的數(shù)據(jù)采集在技術(shù)上仍有一些關(guān)鍵問題有待解決，例如:
[0003]I)光伏變換器設(shè)計方面——①光伏陣列最大功率點的變化速率不明確，難以給出合理的跟蹤速率與單臺變換器相連的局部光伏陣列出力變化速率不明確，難以從變換器輸出功率變化率的要求出發(fā)確定變換器內(nèi)儲能元件(如直流母線電容)的參數(shù)。
[0004]2)光伏電站設(shè)計方面——①缺乏足夠的數(shù)據(jù)以準確估算電站總能量產(chǎn)出；②光伏變換器集群的出力變化速率不明確，難以從電站輸出功率變化率的要求出發(fā)確定電站內(nèi)儲能設(shè)備(如蓄電池)的參數(shù)。
[0005]3)電站監(jiān)控方面一①缺乏足夠的數(shù)據(jù)進行預(yù)防性維護，以保證電站穩(wěn)定運行和防范潛在風(fēng)險；②無法持續(xù)優(yōu)化電站的運營管理和全壽命周期的產(chǎn)出。
[0006]4)電網(wǎng)規(guī)劃方面——①缺乏足夠的數(shù)據(jù)以準確估算光伏電站的置信容量；②尚不充分了解光伏電站出力變化對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的概率和大小。
[0007]上述這些重要問題都與光伏陣列發(fā)電能力的變化規(guī)律密切相關(guān)，因此需要對其進行深入而細致的研究。決定光伏陣列發(fā)電能力的因素有二:一是環(huán)境因素，二是光伏電池本身的特性。
[0008]目前考量環(huán)境因素的主要依據(jù)是氣象數(shù)據(jù)。但是這些數(shù)據(jù)的采集和記錄速率很低，通常以小時為單位，遠遠低于光伏電站和電力系統(tǒng)中電磁能量變化的時間常數(shù)，因此不能滿足實際需求。此外，這些數(shù)據(jù)是按氣象行業(yè)相關(guān)標準測得的，而沒有考慮實際光伏電池的應(yīng)用特性，因此不能準確反映光伏系統(tǒng)的運行情況。環(huán)境因素與光伏陣列運行狀態(tài)的關(guān)系復(fù)雜(例如電池出力和組件溫度會相互影響)，僅從環(huán)境條件難以準確推算實際發(fā)電能力，因此需要直接測量光伏陣列在實際應(yīng)用環(huán)境中的特性。
[0009]目前一些已建成的光伏電站配有監(jiān)測系統(tǒng)，可記錄環(huán)境和運行狀態(tài)。但電站的運行受很多因素的制約，不能長期保證理想的測量條件，且目前已有的電站監(jiān)測解決方案的采樣速率較低。另外，光伏發(fā)電與地理位置密切相關(guān)，實際環(huán)境的測量和發(fā)電能力的估算應(yīng)當(dāng)在電站建成之前(設(shè)計時)進行。
[0010]由美國國家新能源實驗室(NREL)、德國宇航局(DLR)等數(shù)十家機構(gòu)共同參與的太陽能風(fēng)能資源評估(SWERA)項目提供了有關(guān)太陽能和風(fēng)能的氣象數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)采樣率太低，且很多數(shù)據(jù)不是直接實地測得的，而是通過衛(wèi)星照片估算的。
[0011]在光伏陣列特性測試方面，前人已有很多研究經(jīng)驗。主要的光伏陣列伏安特性測試方法有兩種:電子負載掃描法和動態(tài)電容掃描法。遺憾的是，這些測試沒有考慮光伏陣列在實際發(fā)電系統(tǒng)中的工作狀態(tài)，且尚未見附帶環(huán)境數(shù)據(jù)的長期記錄結(jié)果發(fā)表。
[0012]在光伏陣列長期記錄方面，也有一些研究成果發(fā)表。這些文獻研制了長期測試記錄光伏陣列實際發(fā)電情況的設(shè)備。然而，其采樣速率較低，且僅記錄當(dāng)前工作點的數(shù)據(jù)，沒有對整個伏安特性進行掃描。
[0013]綜上所述，光伏電站數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)有技術(shù)中主要存在如下問題:數(shù)據(jù)采集速率較低、數(shù)據(jù)采集總量不足、沒有考慮光伏陣列在實際發(fā)電系統(tǒng)中的狀態(tài)、缺乏長期的記錄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]為了解決上述問題，實現(xiàn)高速率測量并長時間記錄光照溫度等環(huán)境條件和電池板的實際工作狀態(tài)，本發(fā)明提供了一種專用于考查光伏電池發(fā)電能力的綜合數(shù)據(jù)采集技術(shù)——光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置及方法，不僅對光照、溫度等氣象數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，同時也對光伏電池的IV特性曲線與最大功率點等工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并且數(shù)據(jù)采集速率由之前的幾小時一次提高到I秒一次工作點數(shù)據(jù)采集，10秒一次IV特性曲線掃描；在每次數(shù)據(jù)采集中不僅采集光伏電池在工作點的數(shù)據(jù)，而且掃描了光伏電池的IV特性曲線，并且能夠長期采集監(jiān)視光伏電池板的工作狀態(tài)，記錄光伏陣列的長期工作狀態(tài)。
[0015]本發(fā)明的光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置包括:光伏電池板、切換開關(guān)、蓄電池、上位機、驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集模塊、充電電路、能量泄放電路、IV曲線掃描電路、主控制芯片、GPRS模塊、SD卡存儲設(shè)備；數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器、信號調(diào)理電路、AD采樣電路；其中，光伏電池板一端通過數(shù)據(jù)采集模塊與主控制芯片連接，另一端依次連接切換開關(guān)、充電電路、蓄電池、能量泄放電路；切換開關(guān)與IV曲線掃描電路連接；主控制芯片通過驅(qū)動電路與切換開關(guān)、充電電路、能量泄放電路連接，并且所述主控制芯片還與數(shù)據(jù)采集模塊、SD卡存儲設(shè)備連接；主控制芯片、GPRS模塊、驅(qū)動電路、傳感器、信號調(diào)理電路及AD采樣電路都由蓄電池供電；
[0016]數(shù)據(jù)采集模塊:用于采集光照強度和溫度；
[0017]充電電路:用于在光照強度足夠時，從被測的光伏電池板取電，并向蓄電池充電；
[0018]能量泄放電路:用于蓄電池充滿后，消耗掉多余的電能；能量泄放電路由主控制芯片控制，當(dāng)電池能量高于預(yù)設(shè)的閾值時啟動；
[0019]IV曲線掃描電路:光伏電池伏安特性掃描電路間歇式工作，掃描時，充電電路和能量泄放電路構(gòu)成的主電路停止工作；
[0020]GPRS模塊與SD卡存儲設(shè)備:與主控制芯片連接，主控制芯片定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過GPRS模塊將采集到的光伏電池板數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機，并且同時向SD卡存儲數(shù)據(jù)。
[0021]進一步，數(shù)據(jù)采集模塊中，光照強度優(yōu)選采用三種方式采集:直接輻射傳感器、散射福射傳感器、參考電池板；溫度信息優(yōu)選在三處米集:大氣環(huán)境、參考電池板、被測的光伏電池板；
[0022]進一步，IV曲線掃描電路的間歇式工作的優(yōu)選方案是每隔IOs切換至掃描電路，進行IOOms快速掃描，然后切換回主電路等待下次掃描；
[0023]進一步，能量泄放電路預(yù)設(shè)的閾值優(yōu)選設(shè)為27V ；[0024]進一步，充電電路由主控制芯片控制，執(zhí)行最大功率點跟蹤技術(shù)，使光伏電池板工作在最大功率點處；最大功率點跟蹤技術(shù)采用成熟的干擾觀察法，并以伏安特性掃描結(jié)果為參考；
[0025]進一步，主控制芯片向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔優(yōu)選是IOs或20s。
[0026]本發(fā)明的光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集方法，使用上述光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置，包括如下步驟:
[0027]步驟一:采集光照強度和溫度；光照強度優(yōu)選采用三種方式采集:直接輻射傳感器、散射福射傳感器、參考電池板；溫度信息優(yōu)選在三處米集:大氣環(huán)境、參考電池板、被測的光伏電池板；
[0028]步驟二:當(dāng)光照強度足夠時，充電電路工作，從被測電池板取電，向蓄電池充電；當(dāng)蓄電池充滿時，多余的電能通過能量泄放電路消耗掉；能量泄放電路由主控制芯片控制，當(dāng)電池能量高于27V的閾值時啟動，將多余的能量泄放；
[0029]步驟三:充電電路由主控制芯片控制，執(zhí)行最大功率點跟蹤技術(shù)，使被測電池板工作在最大功率點處；最大功率點跟蹤技術(shù)采用成熟的干擾觀察法，并以伏安特性掃描結(jié)果為參考；
[0030]步驟四:光伏電池伏安特性掃描電路間歇式工作，每隔IOs切換至掃描電路，進行IOOms快速掃描，然后切換回主電路等待下次掃描；掃描時，充電電路和能量泄放電路構(gòu)成的主電路停止工作；
[0031]步驟五:設(shè)置GPRS通訊模塊和大容量的SD卡存儲設(shè)備，每隔IOs或20s，主控制芯片定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)給上位機，并且同時向SD卡存儲數(shù)據(jù)；主控制芯片，GPRS模塊，驅(qū)動電路，傳感器以及信號調(diào)理電路等都由蓄電池供電。
[0032]通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得了如下的技術(shù)效果:
[0033]1、大大縮減了數(shù)據(jù)采集間隔。上位機所獲取的數(shù)據(jù)平均10秒更新一次，更加有利于光伏電站工作人員對電池板工作狀態(tài)進行監(jiān)控；
[0034]2、在不影響光伏電池板正常工作的前提下，能夠檢測光伏電池的IV曲線，使得對光伏電池板的監(jiān)控更為全面；
[0035]3、能夠獲取長期大量的光伏電池板特性數(shù)據(jù)，為今后光伏電站的研究與設(shè)計提供了寶貴資料。
[0036]根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，可以更細致地考查環(huán)境變化及其對光伏發(fā)電的影響，進一步了解光伏電池的應(yīng)用特性，為變換器和電站的設(shè)計提供依據(jù)，為電網(wǎng)的規(guī)劃和運行提供參考。例如，這些數(shù)據(jù)有助于解決下列重要問題:光伏電站出力預(yù)測；決定進行最大功率點跟蹤的速度；判斷電站對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的概率和大小；估算電站置信容量；合理設(shè)計儲能容量。此外，所研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備可用于不同地點、不同光伏組件、不同最大功率點跟蹤方法、不同電池板傾角、不同太陽方位跟蹤方式的實驗比較。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖2是本發(fā)明光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集方法實施例流程圖?！揪唧w實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0040]如圖1所示，包括了光伏電池板、切換開關(guān)、蓄電池、上位機、驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集模塊(包括傳感器、信號調(diào)理電路、AD采樣電路)、充電Buck電路、能量泄放Buck電路、IV曲線掃描電路、主控制芯片、GPRS模塊、SD卡存儲設(shè)備；
[0041]其中主控制芯片需要產(chǎn)生至少4路PWM，至少具有12路AD采樣功能，具有I路同步串行SPI接口，I路異步串行USART接口。主控制芯片可以采用STM32F103RBT6單片機。
[0042]GPRS模塊用于將采集到的光伏電池板數(shù)據(jù)無線發(fā)送至上位機，可以采用SM900模塊。
[0043]數(shù)據(jù)采集模塊中，通過分壓電阻來采集電壓，通過電流傳感器采集電流，通過光照輻射傳感器采集光照強度，通過貼片式溫度傳感器采集光伏電池板溫度，并且經(jīng)過信號調(diào)理電路之后通過AD采樣電路使芯片采集到這些數(shù)據(jù)。
[0044]SD卡通過同步串行接口 SPI由主控制芯片進行讀寫操作。
[0045]切換開關(guān)用于控制IV曲線掃描電路的投切，由于環(huán)境光照和溫度不會非常劇烈地變化，因此采取IOs進行一次光伏電池板IV特性曲線掃描，IV曲線掃描電路工作時，切斷充電Buck電路。選擇IV曲線掃描電路合適的參數(shù)，使得掃描時間控制在100ms，并且在曲線掃描電路工作時，進行高速采樣，保證Ims采樣一次，得到足夠的數(shù)據(jù)點。IV曲線掃描電路工作完畢之后，切斷掃描電路，使得充電Buck電路繼續(xù)工作。
[0046]由于掃描電路的工作時間很短，因此不會影響到光伏電池板的正常發(fā)電，在光伏電池板正常發(fā)電狀態(tài)下，使用最大功率點技術(shù)之干擾觀察法，保證光伏電池板工作在最大功率點，符合實際運行狀態(tài)。在正常工作時，采集最大功率點時光伏電池板的數(shù)據(jù)，此時不需要高速采樣，保持Is采樣一次即可。
[0047]采集到光伏電池板的IV曲線數(shù)據(jù)和正常工作最大功率點數(shù)據(jù)之后，主控制芯片定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，GPRS模塊和上位機建立TCP/IP協(xié)議之后，GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機得到數(shù)據(jù)之后進行存儲和分析。同時主控制芯片將數(shù)據(jù)寫入SD卡，作為數(shù)據(jù)備份。
[0048]能量泄放Buck電路用于實現(xiàn)電池能量的管理，保證電池的壽命，根據(jù)蓄電池的充電特性，如果電池電壓高于閾值，說明蓄電池能量接近充滿，則需要泄放電路將多余的能量泄放掉，使得蓄電池工作在浮充狀態(tài)。并且在光照不足如夜晚和清晨的時候，切斷能量泄放電路，避免能量浪費。
[0049]圖2為本發(fā)明實施例的方法流程圖。在判斷光照大于5001ux之后，系統(tǒng)進入白天正常工作狀態(tài)，實現(xiàn)最大功率點跟蹤MPPT算法，并且在電池能量足夠之后使泄放電路工作。并且定時掃描曲線，采集數(shù)據(jù)，并且發(fā)送數(shù)據(jù)。具體步驟如下:
[0050]步驟一:采集光照強度和溫度；光照強度優(yōu)選采用三種方式采集:直接輻射傳感器、散射福射傳感器、參考電池板；溫度信息優(yōu)選在三處米集:大氣環(huán)境、參考電池板、被測的光伏電池板；
[0051]步驟二:當(dāng)光照強度足夠時，充電電路工作，從被測電池板取電，向蓄電池充電；當(dāng)蓄電池充滿時，多余的電能通過能量泄放電路消耗掉；能量泄放電路由主控制芯片控制，當(dāng)電池能量高于27V的閾值時啟動，將多余的能量泄放；[0052]步驟三:充電電路由主控制芯片控制，執(zhí)行最大功率點跟蹤技術(shù)，使被測電池板工作在最大功率點處；最大功率點跟蹤技術(shù)采用成熟的干擾觀察法，并以伏安特性掃描結(jié)果為參考；
[0053]步驟四:光伏電池伏安特性掃描電路間歇式工作，每隔IOs切換至掃描電路，進行IOOms快速掃描，然后切換回主電路等待下次掃描；掃描時，充電電路和能量泄放電路構(gòu)成的主電路停止工作；
[0054]步驟五:設(shè)置GPRS通訊模塊和大容量的SD卡存儲設(shè)備，每隔IOs或20s，定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)給上位機，并且同時向SD卡存儲數(shù)據(jù)；主控制芯片，GPRS模塊，驅(qū)動電路，傳感器以及信號調(diào)理電路等都由蓄電池供電。
[0055]上述實施方式中所涉及到的技術(shù)特征，只要彼此間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。本發(fā)明不限于上述實施例，一切采用等同替換或等效替換形成的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置，包括光伏電池板、切換開關(guān)、蓄電池、上位機、驅(qū)動電路，其特征在于，還包括:數(shù)據(jù)采集模塊、充電電路、能量泄放電路、IV曲線掃描電路、主控制芯片、GPRS模塊、SD卡存儲設(shè)備；數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器、信號調(diào)理電路、AD采樣電路；其中，光伏電池板一端通過數(shù)據(jù)采集模塊與主控制芯片連接，另一端依次連接切換開關(guān)、充電電路、蓄電池、能量泄放電路；切換開關(guān)與IV曲線掃描電路連接；主控制芯片通過驅(qū)動電路與切換開關(guān)、充電電路、能量泄放電路連接，并且所述主控制芯片還與數(shù)據(jù)采集模塊、SD卡存儲設(shè)備連接；主控制芯片、GPRS模塊、驅(qū)動電路、傳感器、信號調(diào)理電路及AD采樣電路都由蓄電池供電； 數(shù)據(jù)采集模塊:用于采集光照強度和溫度； 充電電路:用于在光照強度足夠時，從被測的光伏電池板取電，并向蓄電池充電； 能量泄放電路:用于蓄電池充滿后，消耗掉多余的電能；能量泄放電路由主控制芯片控制，當(dāng)電池能量高于預(yù)設(shè)的閾值時啟動； IV曲線掃描電路:光伏電池伏安特性掃描電路間歇式工作，掃描時，充電電路和能量泄放電路構(gòu)成的主電路停止工作； GPRS模塊與SD卡存儲設(shè)備:主控制芯片定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過GPRS模塊將采集到的光伏電池板數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機,并且同時向SD卡存儲數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述數(shù)據(jù)采集模塊中，光照強度用三種方式米集:直接福射傳感器、散射福射傳感器、參考電池板；溫度信息在三處米集:大氣環(huán)境、參考電池板、被測的光伏電池板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述IV曲線掃描電路，每隔IOs切換至掃描電路，進行IOOms快速掃描，然后切換回主電路等待下次掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述能量泄放電路預(yù)設(shè)的閾值是27V。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是所述充電電路由主控制芯片控制，執(zhí)行最大功率點跟蹤技術(shù)，使光伏電池板工作在最大功率點處；最大功率點跟蹤技術(shù)采用干擾觀察法，并以伏安特性掃描結(jié)果為參考。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是所述主控制芯片每隔IOs或20s發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊。
7.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集方法，其特征是，使用如權(quán)利要求1所述的光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集裝置，并且所述光伏發(fā)電系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)采集方法包括如下步驟: 步驟一:采集光照強度和溫度； 步驟二:當(dāng)光照強度足夠時，充電電路工作，從被測電池板取電，向蓄電池充電；當(dāng)蓄電池充滿時，多余的電能通過能量泄放電路消耗掉；能量泄放電路由主控制芯片控制，當(dāng)電池能量高于27V的閾值時啟動，將多余的能量泄放； 步驟三:充電電路由主控制芯片控制，執(zhí)行最大功率點跟蹤技術(shù)，使被測電池板工作在最大功率點處；最大功率點跟蹤技術(shù)采用干擾觀察法，并以伏安特性掃描結(jié)果為參考； 步驟四:光伏電池伏安特性掃描電路間歇式工作，每隔IOs切換至掃描電路，進行100ms快速掃描，然后切換回主電路等待下次掃描；掃描時，充電電路和能量泄放電路構(gòu)成的主電路停止工作； 步驟五:設(shè)置GPRS通訊模塊和大容量的SD卡存儲設(shè)備，每隔IOs或20s，由主控制芯片定時發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)給上位機，并且同時向SD卡存儲數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，步驟一中所述光照強度用三種方式采集:直接輻射傳感器、散 射輻射傳感器、參考電池板；所述溫度信息在三處采集:大氣環(huán)境、參考電池板、被測的光伏電池板。
【文檔編號】H02S20/32GK104009705SQ201410252373
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】楊晟, 鐘山, 趙爭鳴, 袁立強, 魯挺, 孫曉瑛, 賀凡波, 桑宇, 曹陽 申請人:蘇州青云能源科技有限公司, 清華大學(xué)