光伏电站抗风监测装置分析与设计

陆振宇，马 健

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044）

光伏发电是能源结构体中的重要组成部分。而我国是一个台风、暴雨等自然灾害多发的国家，恶劣天气会对光伏电站的安全性能产生很大影响。而光伏组件作为光伏电站的核心模块，在安装时其稳定性就存在客观性差异，再经历长期的野外工作后，导致光伏组件安装孔位的稳定性不断降低，久而久之可能导致光伏组件发生松动，甚至出现脱落的现象。这对光伏电站的正常运行造成了严重的影响，使我国因此遭受巨大的经济损失。

目前，我国对光伏电站的研究中关于光伏组件的检测方案类的研究较少，校验系统与装备均处于起步阶段，对其安全性能的校验也不尽完善，所以为光伏电站的定期检测提供技术手段与装备具有必要性与紧迫性的实践意义。

因此，本文以克服现有技术的不足为研究目的，设计出了一种光伏电站抗风性能监测装置。该监测装置通过设置光伏组件上的震动传感器，实时检测光伏组件震动系数，同时测量光伏电站现场的风速和风向，将光伏组件震动与环境数据结合获得光伏电站的整体抗风性能，提高光伏电站的安全性，解决光伏电站长期运行中的抗风安全性问题[1]。

1 抗风监测装置原理分析

光伏电站的抗风性能监测主要体现在太阳能板震动系数与环境风速比值的曲线关系上。该装置通过安装在太阳能电池板背面的震动传感器和电站内的风速、风向传感器，对太阳能电池板的震动系数以及环境风速、风向进行采集；监测各太阳能板震动系数与风速之比，对松动的太阳能板进行警报；对风向数据进行划分，记录不同风向区间内同等风速对太阳能电池板抗风性能指数的影响，同时将太阳能电池板警报时抗风性能指数存储，预测太阳能电池板所能承受最大风力，从而对太阳能板的安全性能进行全面预估与评测[2]。

2 抗风监测装置流程分析

采集器将风向传感器输出的0～360°风向数据平均划分为8个区间，如图1所示。

图1 风向区间分度表Fig.1 Wind interval indexing table

1）光伏电站内太阳能电池板的数量不固定，每块太阳能电池板对应一个采集器，即每一块太阳能电池板配有一个采集器对其抗风性能指数进行监测；

2）采集器每分钟对各参数进行十次数据采集，得出各参数平均值，包括震动数据（V_m）、平均风速（WS_m）、平均风向(WD_m)，m为采样分钟值(m=1,2,3…)；

3）采集器根据当前风向值（WD_m），判断组件所属风向区间(A-H)；

4）采集器将第m分钟内震动数据 (V_m)与风速（WS_m）相比，得到第m分钟太阳能电池板抗风性能指数（V_m/WS_m），将数据存储后，继续采样，得出第m+1分钟内抗风性能指数（V_m+1/WS_m+1)；

5）若第m+1分钟风向 （WD_m+1）与第m分钟风向(WD_m)所属风向区间相同，对比太阳能电池板在第m+1分钟和第m分钟内抗风性能指数大小。

6）若太阳能电池板在第m+1分钟内的抗风性能指数大于第m分钟内抗风性能指数(V_m/WS_m

7）若第 m+1分钟风向 （WD_m+1）与第m分钟风向(WD_m)所属风向区间不同，判断第m+1分钟风向（WD_m+1）所属风向区间是否有数据存储，若没有数据存储，将第m+1分钟内抗风性能指数（V_m+1/WS_m+1)存储；若有数据存储，则将所存数据与第m+1分钟内抗风性能指数比较后取较大值存储；

8）综上所述，采集器得出每日各风向区间内太阳能电池板抗风性能指数最大值，记作历史数据存储，若某风向区间未进行数据采样，则记0处理；

9）若同一风向区间内，太阳能抗风性能指数超出历史数据（非0）平均值的50%，则可推断太阳能电池板出现松动，采集器发出警报信号；

10）主控制器将每日各个采集器所存数据汇总上传至PC机绘图显示，使监测更加直观。

3 抗风监测装置硬件分析

3.1 抗风监测装置框图分析

如图2所示，光伏电站抗风监测装置主要由主控制部分、信号采集处理部分和数据传输存储部分组成。其主控制电路以单片机MSP430F149为核心处理器,实现了震动、风速、风向信号的采集、处理和传输功能；存储器选用AT25080用于保存一个月内各风向区间太阳能板抗风性能指数，并具有历史数据查询的功能；通讯接口采用RS485接口，用于与PC机的远程通信,实现分布式多点采集和数据集中管理；本文将在下面两小节中对震动系数采集电路与环境要素采集理电路进行重点分析[3-4]。

图2 光伏电站抗风监测原理框图Fig.2 Block diagram of wind monitoring device photovoltaic power plant

3.2 震动系数采集电路

如图3所示，震动传感器输出信号为电压信号，由于其内阻极高(10～1 000 MΩ)，本设计方案采用Analog公司的运放AD8476作为前端放大隔离电路 （AD8476为专门用于传感器输入端高输入阻抗的运算放大器）。隔离放大后，因震动传感器输出信号±5 V满足所选A/D转换装置，故将AD8476输出端经RC滤波后直接与A/D转换装置输入端相连即可。所选A/D转换装置为AD7705（AD7705为16位差分放大器，具有抑制输入端共模干扰等特点），此AD采用5 V供电时，转换范围满足震动传感器输出信号要求，因此，模拟通道未进行电压增益设计，其放大倍数为1；AD输入端采用RC滤波，可使输出电压更稳定，纹波电压波动更小[5]。

3.3 环境要素采集电路

如图4所示，风向传感器与风速传感器输出信号为5 V脉冲信号，而MSP430内部计数器允许接收的脉冲信号门限为3.3 V，所以由传感器输出后，先经由上拉电阻确保传感器输出信号始终保持在高电平，以提高脉冲信号的抗干扰性和稳定性；后接入1 μF电容，隔直通交，过滤杂波；最后与LM293比较器相连，与0电平进行比较，LM293具有2 V至36 V的宽工作电压范围和较好的噪声抑制能力，采用3.3 V进行供电时，输出信号满足单片机内部计数器信号输入范围，最终达到脉冲整形的目地[6]。

4 抗风监测装置软件分析

图3 震动传感器调理电路Fig.3 Vibration sensor conditioning circuit

图4 风向风速传感器调理电路Fig.4 The wind sensor conditioning circuit

光伏电站抗风监测装置以MSP430的IAR软件为平台，使用C语言进行编程，整个编程过程全部采用模块化设计。该监测装置的主要组成部分包括系统初始化部分、信号采集部分、信号分析计算部分、数据显示报警部分和数据传输部分，其主要工作任务为：1)对光伏电站中各太阳能板震动系数及环境进行采集；2)对采集到的风向信号进行区间划分，并对各太阳能板抗风性能指数进行计算；3)对太阳能电池板安全状况异常或监测量超限的组件进行报警；4)定时将光伏电站内各太阳能板抗风性能发送至监控中心。具体流程如图5所示。

图5 软件流程框图Fig.5 Software flow diagram

5 结束语

光伏电站抗风性能监测装置主要通过在太阳能电池板上设置震动传感器，避免太阳能电池板在恶劣天气中出现紧固螺丝松动的现象，消除电站的安全隐患，并对光伏电站长期运行中的抗风安全性问题进行预测，提高光伏电站长期运行的安全性和稳定性。

[1]张钲浩，陈虹.基于光伏电站数据采集与监测仪表的设计[J].电测与仪表,2009(9):13-15.ZHANG Zheng-hao,CHENG Hong.Based on data collection and monitoring of photovoltaic power plant instrumentation design[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2009(9):13-15.

[2]胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[3]刘福才，张海良.基于GPRS的光伏电站远程监控系统的设计[J].总线与网络，2006:72-76.LIU Fu-cai,ZHANG Hai-liang.PV plant design GPRS-based remote monitoring system[J].Buses and Networks,2006：72-76.

[4]曹晏宁，李峰.光伏电站数据采集与远程监控[J].能源与节能，2013(9)：34-43.CAO Yan-ning,LI Feng.PV power plant data acquisition and remote monitoring[J].Energy and Energy Conservation,2013(9)：34-43.

[5]刘鑫，董文娟.独立光伏电站数据监测系统设计[J].电测与仪表，2007(3)：23-26.LIU Xin,DONG Wen-juan.Independent data monitoring PV power plant system design[J].Electrical Measurement&Instrumentaion,2007(3)：23-26.

[6]Wenham S R,Honsberg C B,Cotter J E,et al.Austri-alian educational and research opport-unitiesarising through rapid growth in the photovoltaicindustry[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2011,67(1):647-654.