太阳能光伏汇流箱监测系统设计

沙 涛，彭柱椋

(西安科技大学电控学院，陕西西安 710054)

中国光伏企业产品大多集中在下游技术，结合中国特殊的财务市场状况和劳动资本，截至2011年，中国销往欧洲的光伏电池组件及零部件总额高达210亿欧元，约占中国光伏产品出口额的60%。2012年，欧盟对中国进口的光伏板、光伏电池以及其他光伏组件发起反倾销调查，导致中国大部分光伏企业受国际经济形势影响，处于停产或半停产状态，在中国光伏产业面临决定自身命运的关键时刻［1］。将高科技技术与光伏技术进行结合才是光伏产业的出路。

1 系统总体设计

针对光伏组件阵列的电流检测问题，文中设计了基于STC12C5A60S2单片机自动巡检光伏组件阵列输出电流的硬件电路及光伏汇流箱温度检测的硬件电路。硬件系统结构如图1所示。

图1 硬件系统结构图

数据主站PC通过通信模块给单片机发送抄收命令，当单片机接收到命令时，开始采集电流和温度信号，进行简单的存储并利用通信模块发送回数据主站PC机。为获取更高的电压和电流，光伏组件需要串联获取大电流，并联获取高电压。由于光伏组件串联结构，每一块光伏组件的电流完全相同，因此设计只要测量支路电流就可得到每一块光伏板的输出电流。

2 硬件电路设计

2.1 主控电路

数据终端的主控电路采用功能强大的STC12C5A60S2单片机。是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度提升8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路 PWM，8 路高速10 位 A/D 转换(250 kbit·s－1，即25万次/s)。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型A/D转换器具有速度高、功耗低等优点。此外该单片机通过模拟多路开关，将通过ADC0～ADC7的模拟量输入到比较器。用数模转换器(DCA)转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器比较，将其结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。单片机STC12C5A60S2管脚图如图2所示。

图2 STC12C5A60S2管教图

2.2 电流巡检电路

选用JCE20－TSRP/2V霍尔电流传感器，该传感器是利用高性能霍尔原件，采用霍尔闭环原理实现对直流、交流或脉冲电流进行电隔离测量，测量电压正比于被测电流，具有良好的准确度、线性度和稳定性，采用UL94－V0标准的绝缘外壳［2］。其额定测量电流达20 A，额定测量输出电压2.5±0.2 V，电源电压5 V。霍尔电流传感器原理图如图3所示。

当通电导线中输出电流ip时，将产生的磁通量通过磁芯集中在磁路中，此时处于气隙中的霍尔原件检测ip产生的磁通Bp，通过给绕在磁芯上的多匝线圈输入补偿电流Is，将产生磁通Ba，此时Ba与Bp反向相互抵消，使得磁路中磁通始终保持为零。最后再经过电路的处理，相应的输出端能够准确地输出与原电流成正比的电压信号。

图3 霍尔电流传感器

光伏阵列并联支路有多路，可利用一个由数字量控制的模拟量多通道选择开关CD4051，其是单8通道控制模拟电子开关，有3个二进制输入端A、B、C和选通INH输入，具有低导通阻抗和较低的截止漏电流［3］。CD4051的输入端与霍尔电流传感器的输出端相连，输出端与控制核心的A/D采集端口连接。当系统需要测量支路电流时，控制核心输出二进制数来选择通道的开关，控制核心进行A/D转换，利用软件的算法计算出通电导线中的电流。CD4051与单片机的连接如图4所示。

图4 CD4051与单片机的连接

2.3 电源电路

光伏组件汇流后电压达到400～1 000 V，而控制核心与其他外围器件的供电电压只有5 V，系统利用超宽范围的PMH15－12开关电源，将直流高电压下降为直流低电压。PMH15－12开关电源具有300～1 150 V(dc)超宽输入电压范围，输入输出隔离电压达4 kV(ac)，固定开关频率、工业级模块化设计、专为风力、光伏发电及超高压电气设备设计，输出电压为12 V，输出电流1.2 A，并且当输入电压超过设定值时，电源自动停止工作。内部采用DC－DC降压式开关电源［4］，如图5 所示。

图5 DC－DC降压式原理图

在此电路中，输入电压是直流电压，输出电压的平均值通过控制开关的导通和断开时间进行调整。由功率开关S、储能电感L、续流二极管D、滤波电容C和负载电阻R组成。开关S的通断由控制回路提供的方波信号控制。当开关导通时，续流二极管因反偏而截止，电感从电源处获得能量;当开关转换成断开时，由于电感电流无法突变，二极管导通，电感电流随时间减小，在下一个周期开关导通前如果iL还未降至零，则称电路工作在电流连续导通模式。开关受周期为T的方波信号控制，开关导通的时刻为t0;导通持续时间为Ton;开关占空比用d表示

电路在稳态时，各电压和电流的周期均为T，因iL(t0+T)=iL(t0)，则电感电压在一个周期的积分为零

因电感电压在开关导通时为(Vin+Vout)，断开时为Vout，则

由式(3)可得

当负载及电源输入电压变化时，可通过反馈电路自动调节d，使输出电压的平均值Vout保持不变。

此电路输出电压为12 V，为得到控制核心所需的5 V工作电压，系统采用串联稳压电路，利用78L05将12 V电压稳定为5 V电压，电路如图6所示。

图6 78L05稳压电源

2.4 通信电路

单片机与PC主站的通信采用RS485的通信方式。RS－485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比RS－232强，即便在信号电压较小的情况下也可获得稳定的传输［5］。但微机本身并不具备专用的 RS－485通信口。由于 RS－485与RS－232的工作电平不同，PC机与控制核心间若利用485进行通信还需电平转换［6］，转换图如图7所示。另外控制核心通信时与RS－232通信机不同，RS－485需要控制其接收或是发送，系统的RS－485通信由控制核心的P24、P25管脚控制，连接电路图如图8所示。

3 结束语

随着国内光伏产业的发展，光伏发电监测系统的研究也变得日益重要。文中介绍的光伏汇流箱监测系统的设计，提高了对光伏发电监测的自动化程度，节约了人力。该设计已在西安科技大学高新学院光伏电站得到应用，实践证明该系统工作稳定且简单实用，能较好地实现对光伏发电工作情况进行实时监测。

［1］王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［2］卢艳，黄云龙.光伏电池板巡检系统的硬件设计与实现［J］.自动化技术与应用，2009，28(12):89－92.

［3］孙王强.多路光电流采集［J］.济南大学学报:自然科版，2007，21(2):117 －120.

［4］邱关源.现代电路理论［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［5］陈再清.单片机与微机RS－485通信［J］.电子世界，2002(3):26－27.

［6］吴晶.开关门自动照明模拟电路［J］.电子科技，2012，25(5):24－25.