光伏逆变器在线监测系统设计与实现

光伏逆变器在线监测系统设计与实现

王钏

特变电工西安电气科技有限公司  陕西 西安  710000

摘要：以某企业屋顶光伏电站为例，本文对其在线监测系统进行了设计。该监控系统属于汇流箱、逆变器等系列设备配备通信模块，根据RS485总线来和其他通信模块进行相连，将运行数据输送给上位机，利用组态软件来组建监控界面，对系统的运行数据进行智能化分析，以便对光伏电站在各时段的运行状态进行动态监测。当设备遇到故障，上位机也会利用监控界面来发起报警，确保光伏电站的运行安全。

关键词：光伏逆变器；在线监测系统；设计

引言

目前，全球能源产业结构正面临新的升级，各行业对环境问题也给予更多的重视。凭借资源丰富、易于布局的优势，太阳能成为新能源发展的主流，很多光伏电站均开始投入运营。光伏电站安全运行，是以汇流箱、逆变器等这些设备的无故障运行为基础，加强设备状态监测很有必要。如今，光伏电站大多是选择人工检查、网络化监控两种方式。考虑到人员有限，光伏监测系统智能化程度偏低，两种方式均存在光伏阵列监测不力、难以对故障进行定位等问题。

1 逆变器工作原理

光伏逆变器可分为隔离型和非隔离型两大类。 其中,非隔离型逆变器是未来光伏系统的发展方向。不过，由于未采用变压器，逆变器可能会往电网中注入适当的直流分量。同时，这种拓扑释放的对地漏电流至今仍是未攻克的技术难题。在并网系统中，由于电网电压相对固定，故可控量仅限于并网电流。我们仅需对输出电流的幅值、相位进行控制，便可明确逆变器输出的有功、无功功率。转变逆变器两桥臂上开关管的通断状态，即可改变输出滤波电感双侧的极性。该情况下，滤波电感两端也将会流经某种交变电流。当开关频率上升后，谐波成分反而会减小，输出侧滤波电容，能够经将系统的高频谐波电流予以滤除。而调制波或是载波发出的信号，能够对逆变器桥臂上开关予以触发。载波本身是个固定值，以三角波、锯齿波为主。调制波需结合控制目标，调整原始的幅值和相位，改变开关导通持续、开通和关断时间，以控制逆变器输出电流及其相位。

2 发电系统对光伏逆变器的质量要求

光伏逆变器，本身就是太阳能光伏阵列、电网二者完成能量交换的重要载体，其输出端需遵从如下基本的要求。

（1）高质量电能转换。要确保输出电压的频率、幅值以及相位，完全与电网一致；输出谐波、直流分量包括三相不平衡度均需满足行业的入网要求。（2）确保系统安全。具备过欠压、过欠频、防孤岛、过载、短路、低电压穿越等保护功能。（3）较高的可靠性。能够适应极端环境、长期运行，保持一种健康的状态。（4）提高光伏系统效率。如今，光伏发电总成本相对偏高，提升逆变器转化效率实质上也是提高光伏发电系统效率的必备手段。

3 智能监控系统设计方案

当光伏设备出现故障后，为了精准定位故障点，我们在硬件上优先选择了智能型汇流箱、逆变器。依托组态软件建立了一个界面，在界面上显示各个不同的智能元器件，利用RS485总线将这些数据传输至机柜串口，利用光纤和上位机进行接通，促进在线监视。该系统除了采集数据和状态监控外，也支持直观、便捷的人机交互。数据采集、数据分析和状态监控，均可利用各类智能元器件予以实现，利用组态软件来完成人机交互。在组态软件中，构建一个监控界面，将数据导入其中，用于初步处理，二者连接则是利用C区串口机柜来实现。

设备故障时，我们制定了如下报警设计方案：监测系统中，提前安装一个报警装置，当光伏面板发电量相比正常值要低，系统会发起一种报警信号。遇到晴天，软件系统也会对故障告警信号作出反馈。而阴雨天，软件则会自动屏蔽逆变器孤岛保护、回流量0 A电流输入发出的告警。不过，其他告警仍旧会响应。到晚上，对任何告警都不再反馈。根据上述说明，我们利用一台上位机电脑（GPS校时），查询历史上每个月或是每10天日出、日落的时间。超出日出和日落的时间，即晚上，此时对故障告警不做任何的响应。处于该范围内的时间，即晴天，系统会对故障告警做出响应。考虑到软件算法无法对阴雨、多云还有光照强度偏低的天气进行计算，故该工作还是要交给值班人员负责。软件有开关功能，值班人员在阴雨天气同样可以关闭孤岛保护或是0 A电流输入发出的告警。

4 硬件选型

4.1 直流汇流箱

直流汇流箱，有必要对各个光伏面板上传递的电流进行监测。一旦某个回路上出现电流故障，则该模块也会发出报警。同时，汇流箱应当对保护断路器实际的触点信号进行采集，判断断路器位置。跳闸后，立即将信号予以送出。有关直流汇流箱，我们最终还是选用特变电工生产的TH1610光伏直流汇流箱。

4.2 逆变器

根据设计规范，逆变器要具备远程控制。故障时，可以瞬时对报警信号进行输出。所以，选用型号不一样的逆变器，一是CS1并网型光伏逆变器。该逆变器支持多个不同的通信接口和在线控制，其输入电压相对较宽，适合小型组串低压设备。还有一种是TS50KTL-PLUS组串式逆变器。这组串式逆变器是以模块化设计为支撑，可以避免电池组件在最佳工作点上与逆变器不匹配的现象，扩大发电量。

5 软件开发

利用Riyear-PowerNet系统，开发光伏电站相关的工业现场信息。元器件数据均是存放于Riyear-PowerNet系统，构建历史和实时数据库。当系统遇到故障，根据存储数据同样可以对故障进行初步定位。

5.1 软件结构

智能硬件系统，需利用Modbus驱动程序主动和上位机进行连接。在人机界面上，记录设备数据，并发出报警。

5.2 软件设计与实现

一是添加组态，选用特变电工西安电气科技有限公司的两种I/O组态。二是定义数据库，方便后续的数据读取。三是定义中间变量。定义数据库变量前，应当明确设备类型、模块，由Modbus标准命令负责采集，保存于寄存器中，使软件能够自由地数据进行读取。在设备配置中，按照相关要求来对设备地址、通信参数还有串口编号进行编制。数据库变量的范围，涉及到整个应用程序。定义数据库，也就是定义地址，将变量和相关设备进行连接。此时，连接时即可依靠事先设置的地址，精准搜集想要的数据。假如设备出现故障，软件可以判断并作出响应，并迅速切换到故障界面，发起报警声音。如果逆变器出现故障，系统主界面也会开始区域闪烁，此时值班人员可以迅速定位故障点。

5.3 软件运行流程

首先启动软件，加载完成软件基本环境后，TCP/IP进行网络连通，连接完成后初始化各个串口，根据地址向硬件设备发送数据。如果发送失败，则再连续尝试发送三次，如果仍然未能发送成功，则判断该台设备离线；如果成功，在智能设备接收数据信息后，将自身数据回馈至上位机，软件接收数据后存入实时数据库，并在人机界面读取数据。将各个串口互相连接通信并将历史数据加载读取。如果智能设备出现故障，将向系统发送故障数据，系统根据定义好的算法判断设备的故障类型，在界面上显示报警区域，在故障解除之后软件系统回到正常状态。

图1 软件运行流程

结束语

毋庸置疑，设备监测影响着光伏电站的安全运行、管理维护。为促进电站智能、精细化管理，本文设计和开发了一款光伏电站智能监测系统。该系统可以采集光伏电站中的设备数据，利用RS485总线将这些数据输送给上位机。而后，利用Riyear-PowerNet软件将电站过往、实时数据构建一个数据库，实现对电站的动态、在线监测。当光伏设备出现故障，监测系统也会对数据库数据进行初步分析，快速、精准地定位故障位置。事实表明，该监测系统有效保障了光伏电站的可靠运行和集中管理。

参考文献：

[1]万彩辉.ZigBee技术在太阳能板监测系统的应用研究网.东北石油大学，2019．

[2]余运江.单相光伏并网逆变器的研究[D]．浙江大学电气工程学院，2018．

[3]张兴，曹仁贤，等.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]．北京浙械工业出版社，2020．

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