智能光伏汇流箱的设计

第36卷第3期2014年6月山东冶金ShandongMetallurgyVol.36No.3June2014摘要：通过设计远程监测控制软件，通过RS485通讯方式，使得智能光伏汇流箱能够通过监控软件实现远程控制，从而实现较全面的监测保护功能，实现了整个光伏电站的智能化、数字化。关键词：光伏汇流箱；监控软件；远程控制中中图分类号号：TM615文献标识码：B文章编号：1004-4620（2014）03-0072-02收稿日期：2013-09-17作者简介：王晓东，男，1981年生，2003年毕业于山东大学控制科学与工程专业。现为山东省冶金科学研究院研创中心助理工程师，从事光伏逆变器设计、太阳能光伏发电系统设计工作。智能光伏汇流箱的设计王晓东1，杨文琪2，刘伸1（1山东省冶金科学研究院，山东济南250014；2威海中玻光电有限公司，山东威海264205）1前言太阳能是一种低密度的平面能源，需要数量巨大的太阳能电池板阵列进行串并联组合来达到所需功率［1］。光伏汇流箱是光伏发电的重要组成部分，主要用于太阳能光伏组件与直流控制柜间的连接。为了减少光伏电池组件与逆变器之间的连接线，方便光伏电站的施工和维护工作，需要将光伏阵列发出的电能通过分段连接、逐级汇流的方式进行一次和二次汇流，这里便需使用光伏汇流箱。采用在光伏汇流箱内加装智能监测单元模块的方式，能够很好地监测每一路光伏组件串联回路的工作电流、电压等工作状态，并通过通讯模块与上位机通讯，实现整个光伏电站的远程监控。为了进一步提高太阳能光伏电站的智能化、数字化水平，山东省冶金科学研究院从提高光伏汇流箱的智能化程度入手，研发设计的智能光伏汇流箱具有较全面的监测保护功能，设计光伏汇流箱与上位机的通讯，能够通过监控软件实现光伏汇流箱的远程监控。2智能光伏汇流箱的设计光伏电池组件接收太阳光辐射能量，并将其转化为直流电能，通过串联组合进入智能光伏汇流箱中，经过光伏熔断器的保护作用，并联接至汇流母排，再经由直流断路器通断控制及保护作用，输出到直流柜或光伏逆变器。智能光伏汇流箱的基本组成如图1所示。智能光伏汇流箱主要由高防护壳体、直流熔断器、汇流铜排、直流断路器、浪涌保护器、智能检测单元等部件组成。2.1汇流箱一次线路智能光伏汇流箱一次线路由直流熔断器、汇流铜排、直流断路器组成，主要功能是实现各回路光伏阵列直流电能的汇集和保护。在智能光伏汇流箱中，直流熔断器应选用额定工作电压为直流1000V的产品。它的主要功能是在该路光伏阵列回路中出现电流过大的情况时能够及时断开回路，避免对其他光伏阵列回路造成损害。直流断路器主要功能是根据需要控制该光伏汇流箱输出的通断，要求工作电压达到直流1000V，分断时间短，具备极好的短路限流能力。2.2汇流箱防雷功能由于智能光伏汇流箱大部分是安装在户外，所以必须考虑增加防雷击保护设备。为此，在智能光伏汇流箱的直流输出部分并联了1个光伏直流专用的浪涌保护器。在发生雷击情况时，浪涌保护器迅速把过大的电能泄放掉，从而保证智能光伏汇流箱内各元器件正常工作不受损坏。同时，需在浪涌保护器的上端增加熔断器，其作用是防止因雷击而产生的续流对浪涌保护器及其线路造成损坏；在维护浪涌保护器时，直接断开熔断器即可对浪涌保护器进行操作；防止因浪涌保护器老化而造成线路故障。2.3智能监测单元由于光伏电池组件造价高，光伏阵列的占地面积大，光伏组件布置相对分散，对光伏组件的监测及控制显得尤为重要。对此，根据现场需求的实际情况，研发设计出安全可靠性相对较高，系统运行较为稳定的就地监测控制单元。并设计通过RS485接口，遵循Modbus通讯协议，实现上位机与就地监测控制单元的通讯，使用上位机人机对话界面实现远􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀦊􀤊􀦊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀦊􀤊􀦊经验交流经验交流浪涌保护器RS485/RS232通信电流传感器智能检测单元FU13-2熔断器FU13-1熔断器L+L-人机对话界面光伏阵列直流断路器图1智能光伏汇流箱基本组成72程监测控制。2.3.1就地监测控制单元组成就地监测控制单元主要由开关电源、霍尔传感器、开关量采集模块、RS485通讯接口、就地显示模块、就地键盘控制等元器件组成，组成框图见图2。开关电源显示模块键盘控制主CPURS485通讯接口开关量采集模块AD采集模块霍尔传感器霍尔传感器......图2就地监测显示控制单元组成2.3.2就地监测控制单元功能1）电流监测功能。该智能光伏汇流箱内电流的采样，是选用霍尔传感器实现对光伏电流的隔离测量。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是指当有一半导体薄片，假设以三维空间的视角来看，在其Y轴方向施加一个一定强度的磁场，在X轴方向通以电流，则在此半导体薄片的Z轴方向会产生电动势，该电动势就是霍尔电势。设计霍尔传感器输入，信号类型为：0～50mA，输入回路数：18路（16路排线输入，信号电流0～50mA；2路接线端子输入，信号电流0～50mA），共负端；预留16路模拟量接插件输入接口（排线输入，信号电流0～50mA）；通过拨码开关控制实际输入回路数。2）开关量监测功能。就地监测控制单元设计有3路开关量输入无源接点，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点的状态，并将工作状态通过RS485通讯传至上位机进行远程监测。3）温度及湿度监测控制功能。设计热电阻输入1路，检测精度0.1℃；温度的上/下限可以设定。配置无源继电器接点输出2路，容量为AC220V，5A，用于控制驱动加热器和风机的工作；并将工作状态及温度通过主控板RS485通讯传至上位机。4）就地显示功能。就地数码管循环显示每通道的输入电流。通过设置拨码开关的位置，可以选择常亮和自动熄灭节电2种模式，0ON为自动熄灭节点模式，1OFF为常亮模式。2.3.3上位机远程监测控制软件针对该智能光伏汇流箱，设计研发了以RS485为接口，遵循Modbus通讯协议的上位机远程监测控制软件，可实现远程监控各路光伏组件串联回路的电流，并提供光伏阵列输出电压、断路器工作状态及防雷器工作状态。可以根据需要，进行汇流箱监测单元地址设置、监测数据循环显示设置、监测数据显示时间间隔设置，可以进行数据监测、查询、报表分析、图形分析、通信调试等。2.3.4通讯功能的实现智能监测控制单元与上位机之间的通讯采用RS485的通讯方式。RS485采用差模信号传输方式，与地电平无关，因而其抗干扰的能力强，即便在信号电压较小的情况下也可获得稳定的传输。1）读写寄存器内容。使用Modbus功能码03（03H）、04（04H）可访问地址表中的所有内容，使用功能码06（06H）可写单个寄存器数据，使用功能码16（10H）可写连续寄存器数据，表格中的数据地址为十进制格式，1个地址代表1个Word数据。2）开关量输入的读取。用Modbus的功能码02（02H）访问相应地址表中的内容，其中1=ON，0=OFF。3）开关量输出状态的读取。用Modbus的功能码01（01H）访问相应地址表中的内容，其中1=ON，0=OFF。4）波特率设置。通过拨码开关上拨码6和7位置来设置通讯的波特率，设置方法见表1。表1波特率设置波特率960048003840019200拨码60101拨码700115）通讯调试。通电前检查电源是否连接正确；通电后，观察电源灯是否点亮，若不亮则表明电源未加上；观察运行灯是否闪烁，若不闪烁，表明模块没有正常运行；只有当通讯指示灯闪烁时，才表明通讯建立起来。设置上位机查询时间间隔，由于总线是半双工方式，上位机应设定适当的时间间隔，时间间隔应根据模块应答命令的长短和波特率决定，时间间隔设置不当会导致通讯失败。3结语随着国内光伏电站的大面积建设，智能光伏汇流箱的设计也变得日益重要。该智能光伏汇流箱具有较全面的监测保护功能，能够就地显示各回路工作状态，通过与上位机的通讯，能够通过监控软件实现远程控制，能够为现场维护人员提供维护数据。方便了光伏电站的整体监测控制，有利于整个光伏电站的智能化、数字化。目前，该智能光伏汇流箱已在多个项目中得到应用，实践证明，智能光伏汇流箱工作稳定且简单实用，能很好地实现光伏电站工作状态的实时监控。参考文献：［1］史朝晖，刘晓茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用［J］.电气技术，2011（3）：93-96.智能光伏汇流箱的设计王晓东等2014年第3期73