光伏組件積塵清洗測試儀設計

陳固勝

（中船重工海為（新疆）新能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

光伏電站建成后，其發電量基本取決于光照、溫度和光伏組件（Photovoltaic，PV）表面污染程度。光伏組件表面污染主要是灰塵造成的[1]。在光伏組件表面積塵清潔時，無論采用人工方式還是機械方式，都會產生一定的清洗費用。如果清洗頻率過高，清洗費用將遠遠大于清洗后多發電所帶來的收益；如果清洗頻率過低，光伏組件表面積塵，影響光伏組件的發電效率，最終影響光伏電站的總體收益[2]。目前，光伏電站清洗頻率主要依靠光伏電站運維人員的主觀判斷，并沒有數據和理論計算的支撐。

在大型地面光伏電站內，選取兩塊與光伏電站同規格型號的光伏組件，其中一塊組件每天清洗，另一塊組件與光伏電站其他組件同步清洗，光伏組件積塵清洗測試儀采用霍爾元件精確測量兩塊光伏組件輸出的實時電壓、電流，通過對組件實時功率差、一定時限內總電量差、并網電價、光伏電站規模和清洗費用等數據進行對比，規劃合理的清洗頻率，從而實現光伏電站收益最大化[3]。

2 總體方案

光伏組件積塵清洗測試儀主要包括兩塊光伏組件、主回路、主控電路、顯控系統等4 個部分，其中主控電路包括模擬/數字（A/D）采樣、數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）主控器件、增強型脈沖寬度調制（Enhanced Pulse Width Modulation，EPWM）模塊、通信單元。光伏組件積塵清洗測試儀總體方案見圖1。光伏組件積塵清洗測試儀通過霍爾元件實時測量兩塊光伏組件的輸出電壓、電流，并通過A/D 采樣送至DSP 處理。DSP主控器件實現最大功率點跟蹤（MPPT）以及各種保護功能，并將實時直流電壓/電流、光伏組件積塵清洗測試儀內部溫度、實時功率、總發電量等值送至顯控裝置。顯控裝置通過與光伏電站規模及清洗費用的對比，給出光伏電站是否需要清洗的建議，確保光伏電站收益最大化。

圖1 光伏組件積塵清洗測試儀總體方案圖

3 主回路器件選型

光伏組件積塵清洗測試儀可以分為并網型和離網型兩種模式，其中光伏組件、控制回路及顯控裝置等在兩種模式下基本相同，并網型和離網型的本質區別在于主回路和控制算法，而控制算法很大程度上取決于主回路。本文選型計算以離網型為主，同時兼顧并網型的升級需要。光伏組件采用市場主流組件，功率范圍為0～300 W，最大直流側電壓為50 V，最大短路電流為10 A。為了提高系統的可信度，兩塊光伏組件在使用前應該進行初步篩選，盡量選擇參數一致性較好的組件。

3.1 光伏組件輸出電壓/電流采樣器件選型

主回路的電壓/ 電流對測試結果的影響較大，因此電壓/電流采樣精度要求比較高，為了減小測量誤差對測試結果的影響，光伏組件積塵清洗測試儀采用LV25-P 型霍爾電壓傳感器和TBC30SY 型霍爾電流傳感器。其中LV25-P 測量范圍為10～1 500 V，測量精度為0.8%；TBC30SY 測量范圍為0～30 A，測量精度為0.5%。

3.2 光伏組件輸出濾波電容選型

光伏組件輸出濾波電路主要由濾波電容組成，用來減小輸入端電壓的脈動，假設變換器傳輸最大功率為Pmax，由輸入輸出功率相等可以得到一個周期內輸入濾波電容所提供的能量約為

式中：η 為逆變電路的效率；f 為全控器件的工作頻率。將Pmax=3 W，η=0.90，f=20 kHz 代入式（1）可得Win=0.016 7 J，每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為

式中：Vinmin為最小的輸入直流電壓；ΔVinmin一般取3%Vinmin。在本設計中Vinmin=20 V，代入式（2）可得C=3 132 μF，選用2 200 μF、63V 的濾波電容。為了保證光伏組件工作的連續性以及濾波效果，光伏組件積塵清洗測試儀主回路中采用2 組2 200 μF、63V 的濾波電容并聯使用。為增強濾波效果，光伏組件積塵清洗測試儀主回路中又并聯了1 個0.1 μF 的小電容。

3.3 開關管選型

開關管需要能夠承受光伏組件的最大直流電壓50 V，通過的電流滿足

電流I 的峰值電流為

由于光伏電站的場站分布廣泛，為提高光伏組件積塵清洗測試儀的適應性，開關管選型要綜合考慮使用環境、海拔等因素。在高海拔、高溫環境中，影響器件散熱，半導體器件應降額使用。本文充分考慮電壓、電流的工作余量，開關管選型為IRFS52N15D，該器件使用溫度范圍為-40～+60 ℃，可承受150 V 電壓和60 A 電流，滿足使用要求。

3.4 負載電阻選型及MPPT 實現原理

最大功率點跟蹤（MPPT）實際上是一個電路動態負載匹配的過程，本文的實現方法是在光伏組件與負載之間接一個直流/直流（DC/DC）轉換電路。當外界條件變化引起最大功率點發生變動時，只要調節DC/DC 變換電路（BUCK 電路）的開關占空比，使外電路等效電阻始終等于光伏組件的內電阻，實現動態負載匹配，就可以得到光伏組件的最大功率輸出。雖然光伏組件和DC/DC 變換電路特性都是非線性的，但是在極短的時間內，可以按照線性處理。

在BUCK 電路中，輸入電壓Ui和輸出穩定電壓Uo之間的關系為

式中：D 為占空比。顯然，調整D 可以改變輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的關系。BUCK 電路的輸入電壓即為光伏組件的輸出電壓，設輸出穩定電壓Uo加在純電阻負載兩端，從光伏組件端口看進去，虛線后的BUCK 電路和負載可視為一個等效電阻Req，且它在數值上等于Ui和Ii的比值。若以理想情況考慮，忽略中間環節的能量損耗，設光電輸出100%轉換為負載消耗，則由功率平衡可得

而純電阻負載消耗的功率可表示為Po=UoIo=可得

稍作變形，即可得

由此可見，改變D就可改變電路輸入端的等效電阻值，相當于改變了負載特性曲線的斜率，于是負載曲線與光伏組件I-U 曲線的交點也隨著改變，而此交點正是光伏組件的工作點。因此，通過調節D，就可在限定范圍內調節光伏組件的輸出電壓，使其有最大功率輸出。由于R=Uo2/P，離網時輸出電壓Uo=20 V，光伏組件的最大功率為300 W，因此

在設計電路時，電阻應選擇符合要求且型號正確的最小值，選用1 Ω、300 W的電阻。

3.5 BUCK 電路的電感/電容計算

BUCK 電路中電流波形尖鋒毛刺很大，有可能影響功率計量的精度，電感L 主要用來蓄能、平滑電流曲線，濾波電容C 可輔助電感LC，續流二極管在開關管關斷時提供回路。由于輸出電壓為20 V，輸入電壓為22～50 V，因此占空比D 的取值范圍是電感取值不能太小，以防止電路工作在電感電流斷續狀態。電感LC取決于電阻R、開關頻率f 及占空比D，將R、f、D 代入公式

可得LC=(1－D)=0.015 mH。只要電感大于此值，即可保證電感電流的連續。由于本文的光伏組件積塵清洗測試儀為離網型設備，能量均由電阻消耗掉，為了兼容后續升級為并網型設備，同時計算并網模式下的濾波電感為10 mH，完全可以滿足離網需求，因此本文中電感取10 mH。濾波電容C=其中ΔUo為紋波電壓，取電壓Uo的2%。計算可得C=0.7 μF，取C=1 μF 完全可以滿足需要。

4 控制回路設計

控制回路主要完成主回路控制、實時監控及保護、通信等功能，包括最大功率跟蹤控制、故障保護、顯示控制及與上位機的通信功能等。

4.1 控制回路電源設計

電源模塊的功能是為控制板上各元器件供電，同時也擔負部分主回路上檢測元器件的供電，如主回路霍爾電流傳感器TBC30SY/SYW 和溫度傳感器AD592 的±15 V。為保證測試數據的正確性，排除干擾，控制回路電源采用220 V 交流輸入。經過交流/直流（AC/DC）變換，電源模塊將220 V 交流電變換為+24 V 直流電，+24 V 直流電經過DC/DC變換為+5 V 直流電，為控制回路中的集成器件如運放等提供電源支持，同時+5 V 直流電又經過DC/DC 變換生成+3.3 V 直流電和+1.8 V 直流電為主控芯片DSP 供電，同時+5 V 直流電還通過DC/DC隔離變換生成±15 V 直流電為主回路傳感器和IR2110 驅動電路供電。

4.2 主控芯片及外圍設計

控制電路主要是通過對采樣信號的處理完成控制和保護功能。主控板包括采樣信號處理單元、主控器件和通信單元。其中采樣信號處理單元主要是對霍爾傳感器采集到的信號進行一系列處理，使其能夠直接送入主控器件或者外部A/D 處理。外部A/D 選用AD7938，該器件有8 路12 位高速A/D，可以將采集的各類模擬信號（如直流側電壓、電流等），快速轉換為DSP 可以處理的數字信號，參與控制策略的形成；主控器件選擇DSP TMS320 F28335，DSP 作為控制核心主要完成主電路控制、系統實時監控及保護、系統通信等功能，該芯片為浮點型32 位DSP 芯片，可以很方便的使用C/C++等高級計算機語言來編制控制軟件和算法。DSP 綜合MPPT、正弦脈沖寬度調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）以及其他功能型控制策略產生相應的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）驅動信號，PWM 信號經過驅動電路放大后驅動兩路主回路中的開關管，通過控制開關管的導通和關斷來改變占空比D，實現MPPT。控制板中具有控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線通信接口，從而方便與外部設備之間進行通信。

4.3 主控軟件設計

光伏組件積塵清洗測試儀有啟動、待機、運行、故障、關機5 種工作模式。主控軟件運行時，先進行系統初始化，初始化是對主控軟件中重要的系統參數進行配置；初始化完畢后，主控軟件進入定時中斷，定時中斷按照數模轉換，故障檢測過程控制和MPPT 順序執行。數模轉換模塊負責將傳感器采集到的信號轉化為數字量并進行濾波預處理。故障檢測模塊根據采集的狀態變量判斷光伏組件積塵清洗測試儀是否處于故障狀態，如果處于故障或異常狀態進行處理，并將故障代碼發送至顯控裝置。過程控制模塊決定光伏組件積塵清洗測試儀的工作狀態，控制光伏組件積塵清洗測試儀的運行狀態。MPPT 模塊實現最大功率點跟蹤（MPPT）功能，采用全局搜索的方法找到最大功率點出現的區間，再用干擾觀察法找到具體的最大功率點。離網型光伏組件積塵清洗測試儀具有短路保護、過熱保護、防反放電保護、過載保護以及直流過壓保護等功能。

4.4 顯控系統設計

顯控系統是光伏組件積塵清洗測試儀的人機交互子系統。顯控系統主要負責顯示光伏組件積塵清洗測試儀主回路的運行狀態和歷史數據、向光伏組件積塵清洗測試儀的DSP 下發指令和控制參數，與遠程監控系統交互等功能，并根據下位機反饋瞬時功率數據進行兩組光伏組件發電量統計，經特定算法處理后根據設定條件為光伏電站清洗提供最佳的清洗方案建議。顯控系統采用EVIEW 系列MT5323T 型號觸摸屏。顯控系統人機界面（Human-Machine Interface，HMI）通過CAN 總線通信與光伏組件積塵清洗測試儀主控系統進行通信，顯控系統下發指令參數對主控系統進行控制，同時主控系統將運行狀態反饋給HMI 進行顯示。設計的中斷式功率累計算法，能夠有效準確地計算光伏組件積塵清洗測試儀的功率統計、天發電量、月發電量和總發電量統計；結合光伏電站容量、并網電價等光伏電站消息，根據計算所得的數據為光伏電站清洗提供最佳的清洗方案建議；在最優化方案算法中，預留了電場發電量與光伏組件積塵清洗測試儀發電量的擬合算法接口，能夠有效彌補光伏電站具體發電量與光伏組件積塵清洗測試儀中電場理論發電量之間的偏差，以達到清洗建議較高的可信度。設計了上位機、下位機特有的握手策略，使光伏組件積塵清洗測試儀支持在線零點校正、系數更改、離/并網狀態設置等功能，解決了光伏組件積塵清洗測試儀在調試過程中反復的在線、燒寫程序的繁瑣過程，大大優化了光伏組件積塵清洗測試儀的調試步驟，提高了光伏組件積塵清洗測試儀的生產調試效率。

4.5 其他設計

由于光伏組件輸出電壓值為開關機控制的條件之一，因此當光伏組件可輸出功率較低、主控回路檢測到組件虛電壓達到開機運行條件時，設備容易出現頻繁重啟現象。為解決該問題，首先在主回路中添加小功率消耗電阻通路，當光伏組件的功率較小時，關斷主回路的開關管驅動，驅動消耗電阻回路中的開關管，使光伏組件保持連續的工作狀態，降低組件的虛電壓，避免重啟；其次優化開機控制算法，只有當電壓為增加方向且連續多次記錄值均大于某一門限值，設備才會自動喚醒。光伏組件積塵清洗測試儀從硬件和軟件上同時開展的優化設計，有效解決了由于光伏組件虛電壓跳變引起的頻繁開關機問題。

5 箱體和安裝設計

光伏組件積塵清洗測試儀的控制箱尺寸為850 mm×540 mm×253 mm，控制箱是由箱體、主控板、開關電源、電阻器和顯示屏組成，防護等級為IP65，為戶外使用型，安裝效果見圖2。

圖2 光伏組件積塵清洗測試儀安裝效果圖

控制箱的進出線方式采用了下進下出的結構形式，分別為電池板、電阻器、電源及通信留有進線端和出線端，同時設置了2 個預留進出線端口，進線端和出線端均采用了尼龍防水接頭，以滿足戶外使用要求。由于設備運行過程中，電阻發熱，而箱體上不能開散熱孔，因此選用戶外型電阻，并將電阻安裝在箱體外部，利用自然散熱方式將電阻發出的熱排出，同時避免了電阻發熱對主控板的不利影響。在控制箱正面設置有顯示屏，以便觀察設備運行數據和狀態。控制箱的安裝方式為壁掛式，在箱體背部設置有4 個安裝腳，每個安裝腳上開有長腰孔，采用M8 螺栓固定。光伏支架采用模塊化結構，包括底座和托架，采用銷軸將兩部分連接在一起，并通過螺紋連接方式，將托架和地面間的夾角鎖定為33°。托架上可安裝兩塊同型號電池板，電池板與托架通過螺栓連接在一起。底座上安裝有兩個平行槽鋼，用來固定控制箱，底座底板上開有4 個直徑為18 mm 的通孔，采用M14 或M16 螺栓將底座與底面固定。

6 結束語

光伏電站清洗頻率主要依靠光伏電站運維人員的主觀判斷，沒有數據和理論計算的支撐。光伏組件積塵清洗測試儀通過對比清潔組件和未清潔組件的實時功率差、一定時間內的總電量差、光伏電站規模、清洗費用等參數，給出了合理的清洗建議，提高了光伏電站組件清洗的經濟效益，使光伏電站收益最大化。