基于嵌入式的光伏逆变器监控平台的研究

刘海妹

(湖南安全技术职业学院，湖南长沙410151)

基于嵌入式的光伏逆变器监控平台的研究

刘海妹

(湖南安全技术职业学院，湖南长沙410151)

结合光伏发电设备的运行情况，利用嵌入式技术，开发了通过无线串口通讯的远程无线实时光伏逆变器监控系统。该方案采用分布式处理，能够实现光伏逆变器数据实时无线自动采集及存储的功能。利用嵌入式平台构建Web服务器，构建出具有主动告警机制的光伏逆变器监控系统。实验表明，该系统性能稳定，所采集数据准确性高，实时性强，可以为太阳能装置的运行提供可靠的分析。

光伏系统；嵌入式；监控；无线传输

光伏发电具有绿色、环保、可持续的优点，但是太阳能的不均衡性为光伏发电的发展带来了不小的阻力。为了加强光伏电能的利用，对太阳能发电系统进行有效的监控已经成为一种必然。近年来，随着电力电子技术的发展，光伏发电的监控已经取得了许多研究成果。在太阳能发电系统的各种设备中，光伏逆变器具有举足轻重的作用，因此对它的监控是重点。过去，对光伏逆变器的监控常常采用8位或16位的单片机进行控制，但是这些芯片功能简单、性能相对较差，同时实时性不强，难以保证对光伏逆变器实现有效的智能监控。因此，采用更加完善的技术对光伏逆变器进行监控，是保证太阳能发电系统正常、可靠、高效运行的保障。

1 光伏逆变器的基本结构及工作原理

逆变器是一种把直流电转变为交流电的电力装置[1]。在太阳能发电系统中，光伏阵列所输出的电能是直流电，但是大多数电气设备所使用的都是交流电，因此需要逆变器将光伏阵列发出的直流电转变成电器可使用的交流电。

光伏逆变器作为光伏发电系统的专用设备，必须适应光伏发电系统的基本特性，因此，其结构也有一定的要求：(1)光伏逆变器应当能够适应光伏电池输出电压的波动范围，具有一定范围的耐压力；(2)具有较高的转换效率；(3)输出电压具有相当的稳定性，抗干扰能力强。

图1所示是一种具有较高效率的正弦波光伏逆变器。图中，太阳能光伏阵列的输出电压经过两级电容滤波后输入主功率模块，主功率模块由四个IGBT开关管组成，构成了一个全桥逆变电路，全桥逆变的输出信号经过电感后，利用变压器生成各种幅值不同的交流电。

图1 光伏逆变器的基本结构

2 光伏逆变器监控平台整体结构

本监控平台主要由两大部分组成，一部分是下位机数据采集电路组成，主要功能是利用各种传感器感知光伏逆变器各部件的电压、电流、温度、湿度等信息，并利用无线短距离通信方式将所采集的数据通过串口传输至监控平台的主控芯片；监控平台的另一部分是下位机的主控电路，主要由核心控制器、数据存储器、下位机人机交互、以太网接口、无线通信接口、JTAG系统调试接口组成。主控电路的主要作用是形成下位机数据处理的中心，将采集单元传送过来的数据进行初步的处理和分析，利用有效的预警算法对故障点进行预估，同时将处理后的数据利用远程传送网传送至远程监控中心。具体结构如图2所示。

图2 总体设计框图

3 监控平台硬件电路设计

本监控平台的核心采用ARM处理器。相比较8位或16位的单片机，32位的ARM微处理器具有更为丰富的片上外设和更强的功能，可以提高监控系统的稳定性和可靠性。同时，ARM芯片相比于PC机而言，体积小、携带方便，是构成监控平台的良好选择。

本设计采用32位S3C6410作为RISC微处理器，采用64位内部总线架构，由AXI、AHB和APB总线组成，还具有强大的硬件加速器，可方便地移植Linux操作系统，带有丰富的USB接口及网卡接口，完全可以满足监控系统的需要。

本监控平台的主控芯片硬件结构如图3所示。

图3 智能监控平台核心电路设计框图

核心板利用串口与下位机采集系统进行通信，下位机采集系统采用基于ZigBee技术的无线传感网来设计。整个系统结构采用分布式体系，每个分布式体系的核心是一个光伏控制器，光伏控制器的运行参数由各种传感器采集后，传至Zig-Bee芯片CC2530。CC2530是带有8051单片机的短距离射频芯片，符合ZigBee协议栈要求，自带A/D转换接口，可以连接多种传感器，利用C语言可以实现各种数据的采集及继电器的动作[2]。每个分布式体系构成一个星形的数据采集网，处于终端的是半功能设备，只负责数据的采集和向上传送，处于星形中心的是全功能ZigBee协调器，带有一定的数据处理和路由功能，ZigBee协调器将数据利用串口上传至核心板。

4 嵌入式系统数据采集模块设计

下位机的数据采集采用中断的方式，整体的驱动框架如图4所示。

监控平台与远程监控中心的通信采用以太网连接至Internet。本设计采用CS8900以太网控制器来完成灵活的组网功能。

图4 数据采集驱动模块

5 总结

本文设计了基于嵌入式系统的光伏逆变器监控平台。该平台以无线短距离通信ZigBee技术为核心技术，以CC2530为底层数据采集芯片，并采用星形网络结构将各光伏逆变器所采集的分布式数据，利用串口传送至嵌入式芯片S3C6410。S3C6410芯片将处理后的数据利用以太网卡CS8900连接至Internet网，从而实现数据的远程传送。

经实验证明，该平台运行稳定、数据采集实时性高，是一种良好的分布式光伏控制监控系统。

[1]张永健.电网监控与调度自动化[M].北京：中国电力出版社，2011：3-5.

[2] 屈军锁.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011：124-125.

Research of photovoltaic inverter based on embedded platform

LIU Hai-mei

Based on the operation situation of photovoltaic power generation equipment, and using the embedded PV inverter technology, the wireless photovoltaic inverter real-time remote monitoring system was developed which communicated through the wireless serial ports. The distributed processing was adopted, achieving real-time wireless automatic data acquisition and storage of the photovoltaic inverter. Besides, Web server was built through the embedded platform and the PV inverter control system with active warning mechanism was built. Experiments show that the system performance is stable, the accuracy of collected data is high, the real-time performance is strong, and can provide reliable analysis for the operation of the solar installation.

photovoltaic systems; embedded; monitoring; wireless transmission

TM 464

A

1002-087 X(2015)04-0830-02

2015-01-05

刘海妹(1981—)，女，河北省人，硕士，讲师，主要研究方向为电子与通信。