信號分析與處理教學案例設計—光伏系統諧波監測與效率分析

曹英麗　于豐華　鄭偉　姚萍

摘要：以光伏發電系統監測為背景，設計了信號分析與處理教學案例——光伏系統諧波監測與效率分析，闡述了案例設計的工程背景分析、理論方法提煉、案例內容篩選等過程。分析了案例的實施方法，給出了光伏系統監測數據的測試方法、諧波數據與效率的分析方法、光伏狀態的評估方法等。

關鍵詞： 教學案例；信號分析與處理；光伏發電系統監測；案例設計方法

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）01-0036-04

案例教學寓理論知識于工程實際，可提高學生學習興趣、提升學生綜合能力、促進雙向交流，在理論教學及人才培養中起到了積極作用。優秀教學案例的設計在案例教學實施中至關重要，依托工程應用實際對其進行分析與提取是案例設計的有效途徑。以光伏發電系統監測為背景闡述教學案例設計的方法與過程，提煉信號分析與處理教學案例——光伏系統諧波監測與效率分析。案例主要包括光伏發電系統電壓諧波的測試與評估、光伏系統工作效率的分析等。案例詳細設計了諧波以及系統交直流效率等關鍵參數的測試流程與方法、測試數據的分析與評估等。

1 案例的工程背景與來源

信號與系統課程等是電子信息工程類專業必修的基礎課程，該課程內容極為豐富抽象，且專業理論性和工程實用性很強。案例教學相較于傳統教學方法而言是一種啟發式教學方法，它能使同學們主動學習，避免學生在被動學習中逐漸反感，增加了大學生學習專業知識的主動性。太陽能作為人類利用最早的可再生能源，分布廣泛且資源非常豐富，越來越受到人們的重視，具有環保清潔、無需運輸和可再生等特點。合理利用太陽能資源是新能源供給不可或缺的一部分。太陽能光伏發電屬于一種高新技術，能夠充分利用太陽能資源而不需要任何燃料，不會對環境造成污染，也沒有地域限制，能夠有效解決目前我國資源短缺的現狀。

近年來，隨著光伏電站的快速發展，出現了光伏系統的管理缺乏系統維護的現象，導致光伏發電效率持續降低，制約了光伏產業的發展。為保證光伏電站的系統效率，提高發電量，必須針對光伏系統的周邊環境和氣候條件制定合理運維方案。可以通過安裝分析管理與智能監控系統以及周期性巡檢來降低發電站內設備的安全隱患和故障，通過組件清潔來保障組件的發電效率，使光伏電站的經濟效益和發電量得到提高。具體操作涉及到電子信息工程專業信號采集、數據分析等相關理論知識和學生的實踐操作能力。本案例結合光伏電站全周期運維科研課題，從中篩選、提取、凝練成信號分析處理教學案例。

2 光伏系統諧波監測與效率測試方案設計

光伏發電系統主要由光伏組件、逆變器、配電柜、蓄電池以及實時監測系統等部分組成。全周期指電站從開始投入建設到不能再利用的全過程管理，分為設計階段、建設階段、生產運營階段。其中，以生產運營為主導，圍繞生產運營開展管理。日常運行維護不僅是建設和管理光伏電站的必備條件，而且還能通過這一步驟收集光伏電站的運行數據并加以合理處理，從而預判、解決運行過程中出現的問題，彌補光伏電站易受外界環境影響、穩定性不佳等缺點，充分發揮光伏電站的潛在優勢，及時發現問題、解決問題，使光伏電站能夠得到充分、高效利用。

2.1 電壓諧波測試方案

光伏發電系統通過逆變器將直流電壓轉換為交流電并網，并網時產生的諧波一定程度上反映了系統的運行情況，電壓諧波偏差過大可能受到外部發電條件影響，因此，電壓諧波是電能質量檢測中最明顯的反映系統健康程度的指標。采用FLUKE435-Ⅱ電能質量分析儀測試電壓諧波，將儀器的電流線圈放置在交流配電柜中三相電流上，電壓線連接在配電柜下游、并網之前的電壓接線柱上；打開儀器，連接電腦中FLUKE公司開發的Power Log430-Ⅱ軟件進行有關設置，包括測試周期、記錄時間間隔、測量項目（包含電能質量各類參數）等，記錄的時間間隔為10 s。

2.2 光伏發電效率測試方案

采用SOLAR300N光伏綜合測試儀監測系統發電效率，設定所要測試系統的標稱功率（Pnom）、功率溫度系數（γ）、環境溫度（Tenv）、組件標準工作溫度（NOCT）等，設定遠程單元中輻照計敏感系數（Pyranometer）、最小輻照度（Irr.min）等并保存；對于遠程單元SOLAR-02，首先按ESC電源鍵和SET鍵同時開機，參照輻照度計標片背面參數設定敏感度系數（Uv/W/m2）和溫度系數（Te），按Esc退出。最后按ESC電源鍵和FUNC鍵同時開機，確認RF無線功能打開，界面顯示rFON。測試完畢后按GO/STOP開始或停止測試。

3 光伏系統監測數據分析與狀態評估

3.1 電壓諧波分析

監測時間分別為2016年3月2日、9日、16日、23日和30日共5個整天，足夠完成一個完整的輻射周期測試。測試采用連續測試方式，測量的時間間隔為1 min/次。將選取5個日期的電壓諧波檢測數據作為每周電壓諧波情況的代表，選取每周的電能質量諧波數據最大值進行統計和諧波含量計算，對照電壓諧波允許限值對諧波水平進行評估。

選取諧波畸變率較大的A相最大值作為對比對象，監測非零三相電壓諧波畸變率和電流諧波數據如表1、圖1所示。

圖1中A相電壓諧波畸變率最大的是三次諧波，在1.5%上下波動；其次是9次諧波，諧波畸變率為1.05%；其他諧波均不超過0.5%，總的諧波畸變率保持在2.1%。在停止發電之前諧波比較嚴重，最大不超過2.7%，整體變化反映了外部發電條件對光伏電站電能質量的影響。

表1和圖1是三相的電壓諧波畸變率最大值匯總，三相電壓總諧波畸變率分別為2.2%、2.4%、2.25%；電壓奇次諧波含量高于偶次諧波含量，奇次諧波中的前幾次諧波含量較高，其中三次諧波含量最大分別為1.55%、1.65%、1.52%，其次是九次諧波，含量分別為1.16%、1.35%、1.25%，三相的其他奇次諧波含量不超過0.75%。國家光伏系統并網標準中規定，電壓諧波畸變率不大于4%，總畸變率不大于5%。從收集的電壓諧波對比來看均未超限，監測時間范圍內光伏系統電能質量正常，系統內并未出現大的波動，因此認為光伏系統運行狀況良好。

3.2 光伏系統效率測試分析

3.2.1 直流效率測試結果分析 經過對2016年3月的數據進行整理和篩選，確定發電時間為7∶20-16∶50，光電轉換效率統計2 min內記錄一次平均水平，去掉剛達到系統發電要求的起始和終止時段等效率值出現跳躍的部分，剩下的效率值平均后得到的結果如圖2和表2所示。

由圖2和表2表可知，光電轉換效率能夠維持在40%左右，比廠家提供的標稱值經計算后得到的光電轉換效率45%相比低一些，符合光伏電池板隨著時間效能衰減的真實情況。

3.2.2 逆變器效率測試結果分析 逆變器效率通過SOLAR300N得到的交流效率中獲得，與直流效率相同，每2 min統計一次效率平均值，去掉系統起始和終止時段等效率值出現跳躍的部分，選擇觀測9∶40到16∶30之間的效率值，如圖3和表3所示。

從圖3和表3中顯示的信息可以得出，雖然存在一定的波動情況，但逆變器的交直流效率能夠維持在0.9以上，平均值處于0.92以上，轉換效率較高，大部分數值維持在0.95左右，與逆變出廠最大效率0.981相比并未下降過多，總體上逆變器處于正常運營的狀態。

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