光伏组件积尘清洗测试仪设计

陈固胜

（中船重工海为（新疆）新能源有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 研究背景

光伏电站建成后，其发电量基本取决于光照、温度和光伏组件（Photovoltaic，PV）表面污染程度。光伏组件表面污染主要是灰尘造成的[1]。在光伏组件表面积尘清洁时，无论采用人工方式还是机械方式，都会产生一定的清洗费用。如果清洗频率过高，清洗费用将远远大于清洗后多发电所带来的收益；如果清洗频率过低，光伏组件表面积尘，影响光伏组件的发电效率，最终影响光伏电站的总体收益[2]。目前，光伏电站清洗频率主要依靠光伏电站运维人员的主观判断，并没有数据和理论计算的支撑。

在大型地面光伏电站内，选取两块与光伏电站同规格型号的光伏组件，其中一块组件每天清洗，另一块组件与光伏电站其他组件同步清洗，光伏组件积尘清洗测试仪采用霍尔元件精确测量两块光伏组件输出的实时电压、电流，通过对组件实时功率差、一定时限内总电量差、并网电价、光伏电站规模和清洗费用等数据进行对比，规划合理的清洗频率，从而实现光伏电站收益最大化[3]。

2 总体方案

光伏组件积尘清洗测试仪主要包括两块光伏组件、主回路、主控电路、显控系统等4 个部分，其中主控电路包括模拟/数字（A/D）采样、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）主控器件、增强型脉冲宽度调制（Enhanced Pulse Width Modulation，EPWM）模块、通信单元。光伏组件积尘清洗测试仪总体方案见图1。光伏组件积尘清洗测试仪通过霍尔元件实时测量两块光伏组件的输出电压、电流，并通过A/D 采样送至DSP 处理。DSP主控器件实现最大功率点跟踪（MPPT）以及各种保护功能，并将实时直流电压/电流、光伏组件积尘清洗测试仪内部温度、实时功率、总发电量等值送至显控装置。显控装置通过与光伏电站规模及清洗费用的对比，给出光伏电站是否需要清洗的建议，确保光伏电站收益最大化。

图1 光伏组件积尘清洗测试仪总体方案图

3 主回路器件选型

光伏组件积尘清洗测试仪可以分为并网型和离网型两种模式，其中光伏组件、控制回路及显控装置等在两种模式下基本相同，并网型和离网型的本质区别在于主回路和控制算法，而控制算法很大程度上取决于主回路。本文选型计算以离网型为主，同时兼顾并网型的升级需要。光伏组件采用市场主流组件，功率范围为0～300 W，最大直流侧电压为50 V，最大短路电流为10 A。为了提高系统的可信度，两块光伏组件在使用前应该进行初步筛选，尽量选择参数一致性较好的组件。

3.1 光伏组件输出电压/电流采样器件选型

主回路的电压/ 电流对测试结果的影响较大，因此电压/电流采样精度要求比较高，为了减小测量误差对测试结果的影响，光伏组件积尘清洗测试仪采用LV25-P 型霍尔电压传感器和TBC30SY 型霍尔电流传感器。其中LV25-P 测量范围为10～1 500 V，测量精度为0.8%；TBC30SY 测量范围为0～30 A，测量精度为0.5%。

3.2 光伏组件输出滤波电容选型

光伏组件输出滤波电路主要由滤波电容组成，用来减小输入端电压的脉动，假设变换器传输最大功率为Pmax，由输入输出功率相等可以得到一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为

式中：η 为逆变电路的效率；f 为全控器件的工作频率。将Pmax=3 W，η=0.90，f=20 kHz 代入式（1）可得Win=0.016 7 J，每半个周期输入滤波电容所提供的能量为

式中：Vinmin为最小的输入直流电压；ΔVinmin一般取3%Vinmin。在本设计中Vinmin=20 V，代入式（2）可得C=3 132 μF，选用2 200 μF、63V 的滤波电容。为了保证光伏组件工作的连续性以及滤波效果，光伏组件积尘清洗测试仪主回路中采用2 组2 200 μF、63V 的滤波电容并联使用。为增强滤波效果，光伏组件积尘清洗测试仪主回路中又并联了1 个0.1 μF 的小电容。

3.3 开关管选型

开关管需要能够承受光伏组件的最大直流电压50 V，通过的电流满足

电流I 的峰值电流为

由于光伏电站的场站分布广泛，为提高光伏组件积尘清洗测试仪的适应性，开关管选型要综合考虑使用环境、海拔等因素。在高海拔、高温环境中，影响器件散热，半导体器件应降额使用。本文充分考虑电压、电流的工作余量，开关管选型为IRFS52N15D，该器件使用温度范围为-40～+60 ℃，可承受150 V 电压和60 A 电流，满足使用要求。

3.4 负载电阻选型及MPPT 实现原理

最大功率点跟踪（MPPT）实际上是一个电路动态负载匹配的过程，本文的实现方法是在光伏组件与负载之间接一个直流/直流（DC/DC）转换电路。当外界条件变化引起最大功率点发生变动时，只要调节DC/DC 变换电路（BUCK 电路）的开关占空比，使外电路等效电阻始终等于光伏组件的内电阻，实现动态负载匹配，就可以得到光伏组件的最大功率输出。虽然光伏组件和DC/DC 变换电路特性都是非线性的，但是在极短的时间内，可以按照线性处理。

在BUCK 电路中，输入电压Ui和输出稳定电压Uo之间的关系为

式中：D 为占空比。显然，调整D 可以改变输出电压Uo和输入电压Ui的关系。BUCK 电路的输入电压即为光伏组件的输出电压，设输出稳定电压Uo加在纯电阻负载两端，从光伏组件端口看进去，虚线后的BUCK 电路和负载可视为一个等效电阻Req，且它在数值上等于Ui和Ii的比值。若以理想情况考虑，忽略中间环节的能量损耗，设光电输出100%转换为负载消耗，则由功率平衡可得

而纯电阻负载消耗的功率可表示为Po=UoIo=可得

稍作变形，即可得

由此可见，改变D就可改变电路输入端的等效电阻值，相当于改变了负载特性曲线的斜率，于是负载曲线与光伏组件I-U 曲线的交点也随着改变，而此交点正是光伏组件的工作点。因此，通过调节D，就可在限定范围内调节光伏组件的输出电压，使其有最大功率输出。由于R=Uo2/P，离网时输出电压Uo=20 V，光伏组件的最大功率为300 W，因此

在设计电路时，电阻应选择符合要求且型号正确的最小值，选用1 Ω、300 W的电阻。

3.5 BUCK 电路的电感/电容计算

BUCK 电路中电流波形尖锋毛刺很大，有可能影响功率计量的精度，电感L 主要用来蓄能、平滑电流曲线，滤波电容C 可辅助电感LC，续流二极管在开关管关断时提供回路。由于输出电压为20 V，输入电压为22～50 V，因此占空比D 的取值范围是电感取值不能太小，以防止电路工作在电感电流断续状态。电感LC取决于电阻R、开关频率f 及占空比D，将R、f、D 代入公式

可得LC=(1－D)=0.015 mH。只要电感大于此值，即可保证电感电流的连续。由于本文的光伏组件积尘清洗测试仪为离网型设备，能量均由电阻消耗掉，为了兼容后续升级为并网型设备，同时计算并网模式下的滤波电感为10 mH，完全可以满足离网需求，因此本文中电感取10 mH。滤波电容C=其中ΔUo为纹波电压，取电压Uo的2%。计算可得C=0.7 μF，取C=1 μF 完全可以满足需要。

4 控制回路设计

控制回路主要完成主回路控制、实时监控及保护、通信等功能，包括最大功率跟踪控制、故障保护、显示控制及与上位机的通信功能等。

4.1 控制回路电源设计

电源模块的功能是为控制板上各元器件供电，同时也担负部分主回路上检测元器件的供电，如主回路霍尔电流传感器TBC30SY/SYW 和温度传感器AD592 的±15 V。为保证测试数据的正确性，排除干扰，控制回路电源采用220 V 交流输入。经过交流/直流（AC/DC）变换，电源模块将220 V 交流电变换为+24 V 直流电，+24 V 直流电经过DC/DC变换为+5 V 直流电，为控制回路中的集成器件如运放等提供电源支持，同时+5 V 直流电又经过DC/DC 变换生成+3.3 V 直流电和+1.8 V 直流电为主控芯片DSP 供电，同时+5 V 直流电还通过DC/DC隔离变换生成±15 V 直流电为主回路传感器和IR2110 驱动电路供电。

4.2 主控芯片及外围设计

控制电路主要是通过对采样信号的处理完成控制和保护功能。主控板包括采样信号处理单元、主控器件和通信单元。其中采样信号处理单元主要是对霍尔传感器采集到的信号进行一系列处理，使其能够直接送入主控器件或者外部A/D 处理。外部A/D 选用AD7938，该器件有8 路12 位高速A/D，可以将采集的各类模拟信号（如直流侧电压、电流等），快速转换为DSP 可以处理的数字信号，参与控制策略的形成；主控器件选择DSP TMS320 F28335，DSP 作为控制核心主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能，该芯片为浮点型32 位DSP 芯片，可以很方便的使用C/C++等高级计算机语言来编制控制软件和算法。DSP 综合MPPT、正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）以及其他功能型控制策略产生相应的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）驱动信号，PWM 信号经过驱动电路放大后驱动两路主回路中的开关管，通过控制开关管的导通和关断来改变占空比D，实现MPPT。控制板中具有控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线通信接口，从而方便与外部设备之间进行通信。

4.3 主控软件设计

光伏组件积尘清洗测试仪有启动、待机、运行、故障、关机5 种工作模式。主控软件运行时，先进行系统初始化，初始化是对主控软件中重要的系统参数进行配置；初始化完毕后，主控软件进入定时中断，定时中断按照数模转换，故障检测过程控制和MPPT 顺序执行。数模转换模块负责将传感器采集到的信号转化为数字量并进行滤波预处理。故障检测模块根据采集的状态变量判断光伏组件积尘清洗测试仪是否处于故障状态，如果处于故障或异常状态进行处理，并将故障代码发送至显控装置。过程控制模块决定光伏组件积尘清洗测试仪的工作状态，控制光伏组件积尘清洗测试仪的运行状态。MPPT 模块实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，采用全局搜索的方法找到最大功率点出现的区间，再用干扰观察法找到具体的最大功率点。离网型光伏组件积尘清洗测试仪具有短路保护、过热保护、防反放电保护、过载保护以及直流过压保护等功能。

4.4 显控系统设计

显控系统是光伏组件积尘清洗测试仪的人机交互子系统。显控系统主要负责显示光伏组件积尘清洗测试仪主回路的运行状态和历史数据、向光伏组件积尘清洗测试仪的DSP 下发指令和控制参数，与远程监控系统交互等功能，并根据下位机反馈瞬时功率数据进行两组光伏组件发电量统计，经特定算法处理后根据设定条件为光伏电站清洗提供最佳的清洗方案建议。显控系统采用EVIEW 系列MT5323T 型号触摸屏。显控系统人机界面（Human-Machine Interface，HMI）通过CAN 总线通信与光伏组件积尘清洗测试仪主控系统进行通信，显控系统下发指令参数对主控系统进行控制，同时主控系统将运行状态反馈给HMI 进行显示。设计的中断式功率累计算法，能够有效准确地计算光伏组件积尘清洗测试仪的功率统计、天发电量、月发电量和总发电量统计；结合光伏电站容量、并网电价等光伏电站消息，根据计算所得的数据为光伏电站清洗提供最佳的清洗方案建议；在最优化方案算法中，预留了电场发电量与光伏组件积尘清洗测试仪发电量的拟合算法接口，能够有效弥补光伏电站具体发电量与光伏组件积尘清洗测试仪中电场理论发电量之间的偏差，以达到清洗建议较高的可信度。设计了上位机、下位机特有的握手策略，使光伏组件积尘清洗测试仪支持在线零点校正、系数更改、离/并网状态设置等功能，解决了光伏组件积尘清洗测试仪在调试过程中反复的在线、烧写程序的繁琐过程，大大优化了光伏组件积尘清洗测试仪的调试步骤，提高了光伏组件积尘清洗测试仪的生产调试效率。

4.5 其他设计

由于光伏组件输出电压值为开关机控制的条件之一，因此当光伏组件可输出功率较低、主控回路检测到组件虚电压达到开机运行条件时，设备容易出现频繁重启现象。为解决该问题，首先在主回路中添加小功率消耗电阻通路，当光伏组件的功率较小时，关断主回路的开关管驱动，驱动消耗电阻回路中的开关管，使光伏组件保持连续的工作状态，降低组件的虚电压，避免重启；其次优化开机控制算法，只有当电压为增加方向且连续多次记录值均大于某一门限值，设备才会自动唤醒。光伏组件积尘清洗测试仪从硬件和软件上同时开展的优化设计，有效解决了由于光伏组件虚电压跳变引起的频繁开关机问题。

5 箱体和安装设计

光伏组件积尘清洗测试仪的控制箱尺寸为850 mm×540 mm×253 mm，控制箱是由箱体、主控板、开关电源、电阻器和显示屏组成，防护等级为IP65，为户外使用型，安装效果见图2。

图2 光伏组件积尘清洗测试仪安装效果图

控制箱的进出线方式采用了下进下出的结构形式，分别为电池板、电阻器、电源及通信留有进线端和出线端，同时设置了2 个预留进出线端口，进线端和出线端均采用了尼龙防水接头，以满足户外使用要求。由于设备运行过程中，电阻发热，而箱体上不能开散热孔，因此选用户外型电阻，并将电阻安装在箱体外部，利用自然散热方式将电阻发出的热排出，同时避免了电阻发热对主控板的不利影响。在控制箱正面设置有显示屏，以便观察设备运行数据和状态。控制箱的安装方式为壁挂式，在箱体背部设置有4 个安装脚，每个安装脚上开有长腰孔，采用M8 螺栓固定。光伏支架采用模块化结构，包括底座和托架，采用销轴将两部分连接在一起，并通过螺纹连接方式，将托架和地面间的夹角锁定为33°。托架上可安装两块同型号电池板，电池板与托架通过螺栓连接在一起。底座上安装有两个平行槽钢，用来固定控制箱，底座底板上开有4 个直径为18 mm 的通孔，采用M14 或M16 螺栓将底座与底面固定。

6 结束语

光伏电站清洗频率主要依靠光伏电站运维人员的主观判断，没有数据和理论计算的支撑。光伏组件积尘清洗测试仪通过对比清洁组件和未清洁组件的实时功率差、一定时间内的总电量差、光伏电站规模、清洗费用等参数，给出了合理的清洗建议，提高了光伏电站组件清洗的经济效益，使光伏电站收益最大化。