一種可擴展的光伏組件在線監測系統設計與研究*

周 康, 年夫來

(1. 電子信息測試技術安徽省重點實驗室, 安徽 蚌埠 233010；2. 中電科儀器儀表(安徽)有限公司，安徽 蚌埠 233010；3. 中國電子科技集團公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010)

0 引言

能源問題是關系到人類社會發展的重大問題，太陽能作為一種可再生清潔能源得到了非常廣泛的應用。光伏發電是太陽能利用的主要方式之一，隨著光伏產業技術水平的不斷發展，太陽能電池組件的效率不斷提升。太陽能電池發電效率受溫度、輻照等各種環境因素的影響，其實際發電效率與標稱值存在一定的差值[1]。在大規模電站中，這一差值對應著非常巨大的發電量，因此光伏組件在實際環境下的發電測試驗證與對比尤為重要。對戶外光伏組件的測量已有很多方面的研究，文獻[2]提出了一種基于電子負載的戶外光伏組件的測試平臺，實現了光伏組件IV特性的精確測量。文獻[3]利用計算機和調理電路搭建了一個光伏組件IV測量系統。文獻[4]提出了一種基于光伏組件伏安特性測試的發電量計算方法，通過組件連續IV測試計算評估組件長期發電量。文獻[5]設計了一種光伏組件測試平臺，通過計算機和RS485轉USB通信線纜采集組件和環境溫度等，進而進行分析。文獻[6]和文獻[7]研究了一種戶外光伏組件測評系統，設計了6通道光伏組件測試儀，實現了光伏組件的在線測試，但其系統整體成本較高。

本文在文獻[7]的基礎上，設計了一種可擴展的太陽能電池組件在線監測系統，根據實驗電站需要測試的組件數量和種類來選擇不同數量的組件測試模塊、輻照度計和溫度采集單元，所有測試儀由一臺計算機控制，大大降低了擴展通道的成本。通過軟件同步測試控制，可以得到同一時刻、同一光照和溫度條件下的組件最大發電功率，這為組件出廠驗證及電站建設提供了較大的保證和參考。

1 可擴展的太陽能電池組件在線監測系統結構

1.1 系統硬件結構

RS485是一種雙向、半雙工通信協議標準，是配置低成本本地通信網絡和多支路通信鏈路所采用的常用標準。本文采用兩線制總線式拓撲結構，計算機通過RS485轉USB通信線纜連接到RS485總線，測試模塊、輻照度計和溫度采集單元通過RS485總線與計算機進行串口通信，并采用RTU模式標準ModBus協議進行數據傳輸[8]。

圖1為可擴展的太陽能電池組件在線監測系統結構框圖。根據現場監測光伏組件的數量選擇測試模塊的數量，其中每個組件配有一個測試模塊和溫度探頭，多個光伏組件可共用一個或多個太陽輻照度計。

圖1 可擴展的太陽能電池組件在線監測系統結構框圖

測試模塊測試原理如圖2所示。測試模塊包含IV采集和切換開關控制兩部分，有4個輸入輸出端子，其中一對輸入接口連接待測電池板，輸出接口連接相鄰組件或測試模塊。在不測試的情況下，組件之間直接相連，組件處于正常發電狀態；測試時采用快速切換開關將被測電池組件隔離出來并恢復余下組串，隔離后進行快速IV測試；測試完畢后迅速切換開關將隔離組件恢復到原組串中，實現了光伏電池組件的在線測試。

1.2 系統軟件結構

圖3為可擴展的太陽能電池組件在線監測系統軟件框架，設置多個功能模塊實現組件測試控制及數據分析處理，主要包含同步測試功能、通信地址配置管理功能、參考組件設置功能、數據存儲與查看功能、組件切換控制功能。

圖2 測試模塊測試原理

為了區分不同的測試單元，測試模塊、輻照度計和溫度采集單元有不同的地址，計算機通過選擇地址向指定模塊和太陽輻照度計、溫度采集單元發送測試命令，并根據回傳地址接收指定模塊的伏安特性測試數據和輻照度、溫度等環境參數數據。

圖 3 可擴展的太陽能電池組件在線監測系統軟件框架

2 上位機軟件設計

2.1 通信協議

軟件采用ModBus協議實現計算機與其他設備之間的數據通信。表1為本系統采用的通信數據格式。其中，節點地址為每個模塊的唯一標識，僅該地址的模塊接收數據幀，其余子節點忽略該指令，地址0保留為廣播地址，所有的子節點都識別廣播地址；指令字節為功能碼字節，測試模塊根據功能碼執行不同的動作和功能；數據塊長度標識了其后有效數據的字節數；CRC校驗包含2個字節，存儲本數據幀的校驗值，附在數據幀的最后。通過該協議的執行，實現各個模塊的單獨和同步控制。

表1 通信協議數據幀結構

2.2 同步測試

同步測試即所有測試模塊同時采集光伏組件的IV特性，同時，采集同一時刻的太陽輻照度和電池板溫度。同步測試流程如圖4所示，考慮測試模塊對組件的切換時間，延時短暫時間發送采集太陽輻照度數據指令。同時由于溫度采集的延時性及溫度變化較為緩慢，延時采集電池板溫度，保證了測試數據的準確性。

圖 4 同步測試流程

測試指令發送完成后，各個測試模塊采集組件IV特性數據并保存;等待所有模塊測試完成，控制軟件根據各個模塊地址依次獲取各個模塊IV數據及輻照度數據;然后計算電池組件開路電壓、短路電流、最大功率及填充因子等特征值，并進行數據顯示和存儲。

2.3 數據存儲模型

在連續監測的情況下，模塊采集數據量較大，考慮采用Microsoft SQL Server 2008數據庫存儲IV和特征數據。每個太陽能電池組件測試數據對象結構包含IV采集數據、環境數據、特征數據、發電量數據及STC轉換數據等。根據測試時間和數據類型，將測試數據存儲于不同的數據表中。定義IV數據表、STC數據表、特征數據表和發電量數據表等，各數據表定義如下：

(1) IV(STC)數據表：存儲測試模塊地址、測試時間、測試點序號、測試點電流和電壓。

(2) 特征數據表：存儲測試模塊地址、測試時間、開路電壓、短路電流、最大功率點功率、最大功率點電壓、最大功率點電流、填充因子、效率、輻照度、溫度、參考組件信息等。

(3) 發電量數據表：存儲測試模塊地址、測試時間、最大功率點功率、當前輻照量、當前發電量、總輻照量、總發電量等。

在各數據表中，將測試模塊地址和測試時間作為鍵值，以區分每一條測試記錄，同時關聯各個數據表。

2.4 通信異常處理

考慮線纜故障等外界因素造成的通信異常，定義通信異常處理定時器及數據接收標志。在某一模塊通信數據異常的情況下，忽略該條數據信息，繼續請求下一模塊測試數據，保證其他模塊測試的正常運行。

3 測試結果

在測試條件為太陽輻照度920 W/m2、電池板溫度34.8 ℃下，不同光伏組件同一時刻IV測試結果如圖5所示。由圖5可以看出：組件1最大功率為188.19 W，組件2最大功率為191.31 W，組件2在該環境條件下效率優于組件1。

圖 5 不同光伏組件同一時刻IV測試結果

圖6為同一光伏組件不同時刻IV測試結果。通過連續測試，可以計算該組件一天的累積發電量及長期運行的發電效率。

圖6 同一光伏組件不同時刻IV測試結果

4 結論

本在線式光伏組件監測系統采用基于RS485通信的測試模塊組網，由計算機進行在線監控，在不影響

電站發電的前提下，實現了任意光伏組件的IV實時采集測試。系統成本較低，易于安裝維護，已用于光伏實驗電站，為光伏電池參數驗證及電站建設奠定了一定的基礎。