智能光伏匯流箱的設計

王曉東，楊文琪，劉伸

（1山東省冶金科學研究院，山東濟南 250014；2威海中玻光電有限公司，山東威海 264205）

經驗交流

智能光伏匯流箱的設計

王曉東1，楊文琪2，劉伸1

（1山東省冶金科學研究院，山東濟南 250014；2威海中玻光電有限公司，山東威海 264205）

通過設計遠程監測控制軟件，通過RS485通訊方式，使得智能光伏匯流箱能夠通過監控軟件實現遠程控制，從而實現較全面的監測保護功能，實現了整個光伏電站的智能化、數字化。

光伏匯流箱；監控軟件；遠程控制

1 前言

太陽能是一種低密度的平面能源，需要數量巨大的太陽能電池板陣列進行串并聯組合來達到所需功率［1］。光伏匯流箱是光伏發電的重要組成部分，主要用于太陽能光伏組件與直流控制柜間的連接。為了減少光伏電池組件與逆變器之間的連接線，方便光伏電站的施工和維護工作，需要將光伏陣列發出的電能通過分段連接、逐級匯流的方式進行一次和二次匯流，這里便需使用光伏匯流箱。采用在光伏匯流箱內加裝智能監測單元模塊的方式，能夠很好地監測每一路光伏組件串聯回路的工作電流、電壓等工作狀態，并通過通訊模塊與上位機通訊，實現整個光伏電站的遠程監控。

為了進一步提高太陽能光伏電站的智能化、數字化水平，山東省冶金科學研究院從提高光伏匯流箱的智能化程度入手，研發設計的智能光伏匯流箱具有較全面的監測保護功能，設計光伏匯流箱與上位機的通訊，能夠通過監控軟件實現光伏匯流箱的遠程監控。

2 智能光伏匯流箱的設計

光伏電池組件接收太陽光輻射能量，并將其轉化為直流電能，通過串聯組合進入智能光伏匯流箱中，經過光伏熔斷器的保護作用，并聯接至匯流母排，再經由直流斷路器通斷控制及保護作用，輸出到直流柜或光伏逆變器。智能光伏匯流箱的基本組成如圖1所示。智能光伏匯流箱主要由高防護殼體、直流熔斷器、匯流銅排、直流斷路器、浪涌保護器、智能檢測單元等部件組成。

2.1 匯流箱一次線路

圖1 智能光伏匯流箱基本組成

智能光伏匯流箱一次線路由直流熔斷器、匯流銅排、直流斷路器組成，主要功能是實現各回路光伏陣列直流電能的匯集和保護。

在智能光伏匯流箱中，直流熔斷器應選用額定工作電壓為直流1 000 V的產品。它的主要功能是在該路光伏陣列回路中出現電流過大的情況時能夠及時斷開回路，避免對其他光伏陣列回路造成損害。

直流斷路器主要功能是根據需要控制該光伏匯流箱輸出的通斷，要求工作電壓達到直流1 000 V，分斷時間短，具備極好的短路限流能力。

2.2 匯流箱防雷功能

由于智能光伏匯流箱大部分是安裝在戶外，所以必須考慮增加防雷擊保護設備。為此，在智能光伏匯流箱的直流輸出部分并聯了1個光伏直流專用的浪涌保護器。在發生雷擊情況時，浪涌保護器迅速把過大的電能泄放掉，從而保證智能光伏匯流箱內各元器件正常工作不受損壞。同時，需在浪涌保護器的上端增加熔斷器，其作用是防止因雷擊而產生的續流對浪涌保護器及其線路造成損壞；在維護浪涌保護器時，直接斷開熔斷器即可對浪涌保護器進行操作；防止因浪涌保護器老化而造成線路故障。

2.3 智能監測單元

由于光伏電池組件造價高，光伏陣列的占地面積大，光伏組件布置相對分散，對光伏組件的監測及控制顯得尤為重要。對此，根據現場需求的實際情況，研發設計出安全可靠性相對較高，系統運行較為穩定的就地監測控制單元。并設計通過RS485接口，遵循Modbus通訊協議，實現上位機與就地監測控制單元的通訊，使用上位機人機對話界面實現遠程監測控制。

2.3.1 就地監測控制單元組成

就地監測控制單元主要由開關電源、霍爾傳感器、開關量采集模塊、RS485通訊接口、就地顯示模塊、就地鍵盤控制等元器件組成，組成框圖見圖2。

圖2 就地監測顯示控制單元組成

2.3.2 就地監測控制單元功能

1）電流監測功能。該智能光伏匯流箱內電流的采樣，是選用霍爾傳感器實現對光伏電流的隔離測量。霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是指當有一半導體薄片，假設以三維空間的視角來看，在其Y軸方向施加一個一定強度的磁場，在X軸方向通以電流，則在此半導體薄片的Z軸方向會產生電動勢，該電動勢就是霍爾電勢。設計霍爾傳感器輸入，信號類型為：0～50 mA，輸入回路數：18路（16路排線輸入，信號電流0～50 mA；2路接線端子輸入，信號電流0～50 mA），共負端；預留16路模擬量接插件輸入接口（排線輸入，信號電流0～50 mA）；通過撥碼開關控制實際輸入回路數。

2）開關量監測功能。就地監測控制單元設計有3路開關量輸入無源接點，用于采集直流斷路器、防雷器等輸出空接點的狀態，并將工作狀態通過RS485通訊傳至上位機進行遠程監測。

3）溫度及濕度監測控制功能。設計熱電阻輸入1路，檢測精度0.1℃；溫度的上/下限可以設定。配置無源繼電器接點輸出2路，容量為AC 220 V，5 A，用于控制驅動加熱器和風機的工作；并將工作狀態及溫度通過主控板RS485通訊傳至上位機。

4）就地顯示功能。就地數碼管循環顯示每通道的輸入電流。通過設置撥碼開關的位置，可以選擇常亮和自動熄滅節電2種模式，0ON為自動熄滅節點模式，1OFF為常亮模式。

2.3.3 上位機遠程監測控制軟件

針對該智能光伏匯流箱，設計研發了以RS485為接口，遵循Modbus通訊協議的上位機遠程監測控制軟件，可實現遠程監控各路光伏組件串聯回路的電流，并提供光伏陣列輸出電壓、斷路器工作狀態及防雷器工作狀態。可以根據需要，進行匯流箱監測單元地址設置、監測數據循環顯示設置、監測數據顯示時間間隔設置，可以進行數據監測、查詢、報表分析、圖形分析、通信調試等。

2.3.4 通訊功能的實現

智能監測控制單元與上位機之間的通訊采用RS485的通訊方式。RS485采用差模信號傳輸方式，與地電平無關，因而其抗干擾的能力強，即便在信號電壓較小的情況下也可獲得穩定的傳輸。

1）讀寫寄存器內容。使用Modbus功能碼03（03H）、04（04H）可訪問地址表中的所有內容，使用功能碼06（06H）可寫單個寄存器數據，使用功能碼16（10H）可寫連續寄存器數據，表格中的數據地址為十進制格式，1個地址代表1個Word數據。

2）開關量輸入的讀取。用Modbus的功能碼02（02H）訪問相應地址表中的內容，其中1=ON，0= OFF。

3）開關量輸出狀態的讀取。用Modbus的功能碼01（01H）訪問相應地址表中的內容，其中1=ON，0=OFF。

4）波特率設置。通過撥碼開關上撥碼6和7位置來設置通訊的波特率，設置方法見表1。

表1 波特率設置

5）通訊調試。通電前檢查電源是否連接正確；通電后，觀察電源燈是否點亮，若不亮則表明電源未加上；觀察運行燈是否閃爍，若不閃爍，表明模塊沒有正常運行；只有當通訊指示燈閃爍時，才表明通訊建立起來。設置上位機查詢時間間隔，由于總線是半雙工方式，上位機應設定適當的時間間隔，時間間隔應根據模塊應答命令的長短和波特率決定，時間間隔設置不當會導致通訊失敗。

3 結語

隨著國內光伏電站的大面積建設，智能光伏匯流箱的設計也變得日益重要。該智能光伏匯流箱具有較全面的監測保護功能，能夠就地顯示各回路工作狀態，通過與上位機的通訊，能夠通過監控軟件實現遠程控制，能夠為現場維護人員提供維護數據。方便了光伏電站的整體監測控制，有利于整個光伏電站的智能化、數字化。目前，該智能光伏匯流箱已在多個項目中得到應用，實踐證明，智能光伏匯流箱工作穩定且簡單實用，能很好地實現光伏電站工作狀態的實時監控。

［1］史朝暉，劉曉茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏匯流采集裝置設計及應用［J］.電氣技術，2011（3）：93-96.

TM615

B

1004-4620（2014）03-0072-02

2013-09-17

王曉東，男，1981年生，2003年畢業于山東大學控制科學與工程專業。現為山東省冶金科學研究院研創中心助理工程師，從事光伏逆變器設計、太陽能光伏發電系統設計工作。