光伏發(fā)電系統(tǒng)中基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋控制

孫劍鋼，陳偉忠

（1.中青益信（杭州）科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.中工經(jīng)聯(lián)人才服務(wù)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體架構(gòu)

文章旨在構(gòu)建一個(gè)高效、智能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的效率和可靠性。該系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括以下2 個(gè)核心組件。一是實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊，通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)組成部分。使用光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、電流傳感器以及電壓傳感器等，實(shí)時(shí)采集光伏發(fā)電系統(tǒng)各組件的關(guān)鍵參數(shù)。利用通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂茊卧源_保數(shù)據(jù)的即時(shí)性和完整性。接收并整合來自實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、診斷和預(yù)測。二是反饋控制模塊，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果設(shè)計(jì)并實(shí)施反饋控制策略，調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)，確保系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)對不同工況，最大限度地提高能源轉(zhuǎn)化效率。中央控制單元分析實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別系統(tǒng)運(yùn)行中的潛在問題和優(yōu)化空間。基于分析結(jié)果，反饋控制模塊設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)的控制策略，以調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)。實(shí)施反饋控制策略，通過調(diào)整光伏組件的工作參數(shù)，最大限度地提高系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率，確保系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 傳感器選擇與布局

光照強(qiáng)度傳感器的選擇關(guān)鍵在于高靈敏度和寬光譜響應(yīng)[1-2]。優(yōu)先考慮具有高靈敏度的光敏元件傳感器，捕捉光伏板周圍不同波長范圍的光照。此外，合理布置傳感器的位置至關(guān)重要，以確保覆蓋整個(gè)光伏板區(qū)域，從而獲取全面的實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

溫度傳感器的選擇關(guān)鍵在于高精度。選用精準(zhǔn)度高的溫度傳感器，并將其分布在光伏組件表面和電子元件附近，以捕捉光伏板的實(shí)時(shí)溫度變化。該布局有助于監(jiān)測溫度梯度，提供關(guān)鍵的信息用于評估和調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)。

電流和電壓傳感器的選擇要適應(yīng)直流電流和電壓測量的要求。優(yōu)先選擇適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流傳感器，同時(shí)確保其在電流和電壓關(guān)鍵位置的準(zhǔn)確安裝。這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電能的產(chǎn)生和輸送，為系統(tǒng)運(yùn)行狀況提供關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)反饋控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[3]。

傳感器選擇型號參數(shù)如下。

一是光照強(qiáng)度傳感器。光照強(qiáng)度傳感器型號為TSL2591，其光譜響應(yīng)范圍為188 ～1 040 nm，精度為0.1 Lux，輸出為數(shù)字信號。

二是溫度傳感器。溫度傳感器型號為DS18B20，其工作溫度范圍為-55 ～+125 ℃，精度為±0.5 ℃，輸出為數(shù)字信號（單總線）。

三是電流傳感器。電流傳感器型號為ACS712，提供多種型號，包括±5 A、±20 A 和±30 A，精度為0.001 A，輸出為模擬信號。

四是電壓傳感器。電壓傳感器型號為ZMPT101B，其工作范圍為0 ～250 V 交流電壓，精度為0.001 V，輸出為模擬信號。

通過合理選擇和布局這些傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊能夠可靠地獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)各組件的關(guān)鍵參數(shù)，為系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供精準(zhǔn)和全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集頻率與準(zhǔn)確性

采集頻率是光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)中的重要組成，需要綜合考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、環(huán)境變化、數(shù)據(jù)存儲能力、數(shù)據(jù)處理能力、成本以及能耗等因素。首先，如果系統(tǒng)經(jīng)常面臨快速變化的工作狀態(tài)，如受到陰影、云層遮擋等影響，建議選擇較高的采樣頻率，以確保及時(shí)捕捉系統(tǒng)狀態(tài)的變化[4]。其次，考慮系統(tǒng)周圍環(huán)境的光照、溫度等因素的快速變化，也需要相應(yīng)提高采樣頻率，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映環(huán)境變化對系統(tǒng)的影響[5]。最后，為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要選擇高精度的傳感器，并定期進(jìn)行校準(zhǔn)。最終的采樣頻率在滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測需求的同時(shí)，考慮系統(tǒng)成本和能耗等方面的因素，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理

在實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊中，數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理是確保采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。為保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采用異常值檢測和處理機(jī)制。可以使用統(tǒng)計(jì)方法，如標(biāo)準(zhǔn)差法、閾值檢測等技術(shù)來識別和處理異常值，有助于避免異常值對監(jiān)測結(jié)果的負(fù)面影響。為減小噪聲對數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的干擾，可以采用數(shù)據(jù)平滑技術(shù)。滑動(dòng)平均是一種常用的方法，通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的平均值來平滑數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和可讀性。

2.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測算法的選擇與優(yōu)化

在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選擇適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測的算法至關(guān)重要。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，可以選擇時(shí)序分析和機(jī)器學(xué)習(xí)模型等算法。時(shí)序分析算法可以分析歷史數(shù)據(jù)趨勢；機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以通過訓(xùn)練來適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性，實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)狀態(tài)的變化。算法優(yōu)化包括參數(shù)調(diào)整、特征工程等方面，以確保所選算法在實(shí)時(shí)環(huán)境下能夠表現(xiàn)出最佳性能，從而提高實(shí)時(shí)監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。例如，可以調(diào)整機(jī)器學(xué)習(xí)模型的超參數(shù)或選擇適當(dāng)?shù)奶卣骷赃m應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的需求。

3 反饋控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)控制策略，進(jìn)而建立一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)變化的同時(shí)利用控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。

3.1 控制策略設(shè)計(jì)

3.1.1 反饋參數(shù)的選擇

在設(shè)計(jì)反饋控制策略時(shí)，需要選擇合適的反饋參數(shù)。這些反饋參數(shù)直接影響著控制系統(tǒng)對系統(tǒng)狀態(tài)變化的敏感度。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以選擇光照強(qiáng)度、溫度、電流及電壓等關(guān)鍵參數(shù)作為反饋參數(shù)，全面且準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3.1.2 控制算法的實(shí)現(xiàn)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，比例- 積分- 微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制算法可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行調(diào)整。考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇光照強(qiáng)度L、溫度T、電流I以及電壓V作為光伏發(fā)電參數(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的PID 控制算法可以表達(dá)為

式中：u(t)為控制輸出；e(t)為反饋參數(shù)實(shí)際值與設(shè)定值之間的誤差；Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)，需要根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行調(diào)整。

在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)或模擬等手段來調(diào)整這些參數(shù)。例如，光照強(qiáng)度突然減小，系統(tǒng)電流可能會下降，此時(shí)控制算法將根據(jù)誤差來調(diào)整輸出，以維持系統(tǒng)在不同光照條件下的穩(wěn)定工作。其中，比例系數(shù)Kp負(fù)責(zé)對瞬時(shí)誤差的控制，積分系數(shù)Ki負(fù)責(zé)對累積誤差的控制，微分系數(shù)Kd負(fù)責(zé)對誤差變化率的控制。通過合理調(diào)整PID控制算法的參數(shù)，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)更好地適應(yīng)不同光照條件下的工作，并實(shí)現(xiàn)對輸出電流或電壓的精確控制，從而提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

3.2 實(shí)時(shí)響應(yīng)機(jī)制

3.2.1 響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

實(shí)時(shí)響應(yīng)是反饋控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一。通過優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)能夠根據(jù)狀態(tài)變化快速做出相應(yīng)調(diào)整。在實(shí)踐中，可以通過調(diào)整控制算法的參數(shù)、提高采樣頻率以及優(yōu)化硬件執(zhí)行速度等手段來優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間。

3.2.2 控制指令的傳遞與執(zhí)行

控制指令的傳遞和執(zhí)行是反饋控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的重要步驟，具體如圖1 所示。

4 系統(tǒng)集成與優(yōu)化

4.1 模塊之間的協(xié)同工作

在實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋控制功能時(shí)，各模塊之間的協(xié)同工作至關(guān)重要，具體如下。一是數(shù)據(jù)流整合，確保實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)能夠被順利傳遞給反饋控制模塊。建立合適的數(shù)據(jù)流通道，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。二是接口標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一模塊之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，確保各模塊之間能夠無縫集成，包括數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等方面的標(biāo)準(zhǔn)化，以減少集成時(shí)的兼容性問題。三是實(shí)時(shí)通信機(jī)制，建立快速且可靠的通信機(jī)制，使得實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊能夠迅速將采集的數(shù)據(jù)傳遞給反饋控制模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)。

4.2 整體系統(tǒng)的優(yōu)化策略

為提高整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率，需要采用一系列優(yōu)化策略。一是能源利用優(yōu)化。在反饋控制模塊中，通過調(diào)整控制算法的參數(shù)，提高能源利用率。例如，在光照強(qiáng)度較弱時(shí)，調(diào)整控制算法以提高光伏發(fā)電板的輸出效率。二是系統(tǒng)響應(yīng)速度優(yōu)化。通過調(diào)整實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊的采樣頻率和數(shù)據(jù)處理速度，優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使其能夠更迅速地適應(yīng)光照和溫度等環(huán)境變化。三是故障診斷與容錯(cuò)機(jī)制。引入故障診斷機(jī)制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊檢測可能的故障，同時(shí)在反饋控制模塊中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的容錯(cuò)機(jī)制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。四是系統(tǒng)整體效能評估。設(shè)計(jì)合適的性能評估指標(biāo)，定期評估整個(gè)系統(tǒng)。通過收集和分析性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在問題并提出改進(jìn)建議，以不斷優(yōu)化系統(tǒng)的整體效能。

通過綜合考慮模塊之間的協(xié)同工作和整體系統(tǒng)的優(yōu)化策略，可以建立一個(gè)高效、穩(wěn)定且具備實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)集成與優(yōu)化是確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行和最大化能源轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 論

文章主要設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過構(gòu)建高效的系統(tǒng)架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度、溫度、電流以及電壓等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在反饋控制方面，采用PID 控制算法，確保系統(tǒng)在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行，并通過實(shí)時(shí)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化。通過模塊協(xié)同工作和整體系統(tǒng)的優(yōu)化，建立一個(gè)高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)響應(yīng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，便于清潔能源的可持續(xù)利用。