（计算机应用技术专业论文）太阳能光伏发电单元综合监控系统的研究与设计.pdf

0 一 i 士= i = a明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文太阳能光伏发电单元综合监控系统的 研究与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：e l 期：立丑壁：坌口 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：纽 导师签名： 日期： 日期： 一 弋 一 h 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在综合分析国内外太阳能光伏发电监控技术现状的基础上，结合太阳能光 伏发电相关专业知识，应用计算机测控技术、数据处理技术、通信技术和自动化技 术，提出了用四柱支撑太阳能光伏阵列的方法，建立了光伏阵列跟踪控制和故障检 测的数学模型，设计了太阳能光伏发电单元综合监控系统。系统采用分布式结构， 上位机与主机之间采用r s 一4 8 5 总线方式连接，主机与各从机间采用1 2 c 总线方式连 接。对太阳能光伏阵列跟踪控制技术和故障检测技术进行了充分的研究，综合实现 了对太阳能光伏发电单元的实时监测和控制，功能包括：控制光伏阵列跟踪太阳、 检测故障电池组件、自动清理光伏阵列表面灰尘、积雪和卸负荷等。通过测试，达 到了预期设计要求，具有应用价值。 关键词：太阳能光伏阵列，分布式测控，自动跟踪，电池故障检测，自动维护 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es y n t h e t i cm o n i t o r i n gs y s t e mo fs o l a rp o w e ru n i ti sd e s i g n e db a s e d o na n a l y s i so fs o l a re n e r g yp o w e rg e n e r a t i n gm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d t h em e t h o do fu s i n gf o u rc o l u m n st oh o l du ps o l a rp h o t o v o l t a i ea r r a yi sp r o p o s e d t h e p h o t o v o l t a i ca r r a yt r a c k i n g c o n t r o la n df a u l td e t e c t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la r e e s t a b l i s h e db yu s i n gs o l a re n e r g yp o w e rd o m a i nk n o w l e d g e ，t e c h n o l o g yo fc o m p u t e r m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i c t h es y s t e m a d o p t sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e t h er s - 4 8 5b u si s u s e dt oc o n n e c tb e t w e e nt h e u p p e r c o m p u t e ra n dh o s t ，w h i l et h e1 2 cb u si su s e dt oc o n n e c tb e t w e e nt h eh o s ta n ds l a v e t r a c k i n gs u na n db a t t e r yf a u l td e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa r ef u l l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n ds o l a re n e r g yp h o t o v o l t a i cp o w e ru n i ti sr e a l t i m em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d s y s t e m f u n c t i o n si n c l u d e ：c o n t r o l lt h ep h o t o v o l t a i ca r r a yt r a c k i n gs u n ，d e t e c tf a u l ts o l a rb a t t e r y ， a u t o m a t i cc l e a rp h o t o v o l t a i ca r r a y ss u r f a c ea n du n l o a d i n ge t c t h et e s t i n gh a sp r o v e d t h a tt h ed e s i g nh a sm e tt h er e q u i r e m e n ta n dh a ss o m ea p p l i c a t i o nv a l u e s g u ol i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gz h i q i a n g k e yw o r d s ：s o l a rp h o t o v o l t a i ca r r a y ， a u t o m a t i ct r a c k i n g ，b a t t e r y d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ， f a u l td e t e c t i o n a u t o m a t i cm a i n t e n a n c e 一 一 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 太阳能光伏发电的意义1 1 1 2 对光伏发电系统进行微机监控的意义2 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 分布式控制系统的发展2 1 2 2 光伏系统监控技术的发展3 1 3 本文的主要工作5 第二章太阳能光伏发电单元监控6 2 1 太阳能光伏发电技术。6 2 1 1 太阳能光伏电站组成及分类6 2 1 2 太阳能光伏阵列的分类及工作原理6 2 1 3 太阳能光伏阵列特性8 2 2 分布式测控技术9 2 2 1 计算机测控技术9 2 2 2 分布式测控系统1 0 2 2 2 1 分布式控制系统的结构11 2 2 2 2 分布式控制系统的特点1 3 2 3 光伏电站监控技术1 3 2 7 3 1 光伏阵列跟踪控制1 3 2 3 1 1 被动式跟踪技术1 3 2 3 1 2 主动式跟踪技术1 4 2 3 2 光伏阵列故障检测：1 5 2 3 3 光伏发电单元维护1 6 第三章系统的组成结构、实现的功能及开发工具1 8 3 1 系统设计原则1 8 3 2 系统组成结构1 8 论文目录 的设计与实现 均 均 殂 射 拢 勉 船 弱 丛 孔 踞 撕 弱 勰 n n 驼 船 弘 舛 踮 鹃 昀 虬 虬 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 3 2 主程序设计4 3 4 3 3 3 故障支路判定程序设计4 3 4 3 4 从机3 软件设计4 5 4 3 5 从机4 软件设计4 6 4 4 通信网络及抗干扰措施4 7 4 4 1 通信网络设计4 7 4 4 1 1 主机与上位机通信4 7 4 4 1 2 主机与从机通信4 8 4 4 1 3 通信规约的设计4 9 4 4 2 系统抗干扰措施5 0 4 4 2 1 硬件抗干扰技术5 1 4 4 2 2 软件抗干扰技术5 l 第五章结论5 3 5 1 本课题的实验测试结果5 3 5 2 本课题取得的成果5 3 5 3 进一步的研究内容5 4 参考文献5 5 致谢5 8 附录5 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 2 i j 、 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 1 1 1 太阳能光伏发电的意义 长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些传统的燃料能源 作为一次性不可再生资源，储量有限并且正在一天天减少，对环境造成的危害也日 益突出，同时全球还有二十亿人得不到正常的能源供应。因此j 全世界都把目光投 向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发 展。目前，各国政府都已经投入了大量人力、物力、财力来研究开发新能源，在各 种新能源中，太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。太阳能是取之不尽、用 之不竭、清洁、无污染的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达8 0 万千瓦，假如 把地球表面0 1 的太阳能转为电能，转化率5 ，则每年的发电量相当于世界上能耗 的4 0 倍。据欧洲j r c 预测，到未来的2 1 0 0 年时，太阳能在整个能源结构中将占6 8 的 份额。 太阳能发电分为光热发电和光伏发电。不论产销量、发展速度和发展前景，光 热发电都不及光伏发电，所以通常所说的太阳能发电一般指的是太阳能光伏发电。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不仅要替代部分常 规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计至1 j 2 0 3 0 年，可再生能源在总能源结 构中将占到3 0 以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中所占比例将达到1 0 以 上；到2 0 4 0 年，可再生能源将占总能耗的5 0 以上，太阳能光伏发电将占总电力的 2 0 以上；到2 l 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到8 0 以上，太阳能发电将占 n 6 0 以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要 的战略地位船1 。 近年来国际上光伏发电技术正在快速发展，世界上已建成十多座兆瓦级光伏发 电系统，六个兆瓦级的联网光伏电站。美国于1 9 9 7 年提出了“百万屋顶 计划，也 是最早制定光伏发电发展规划的国家。日本在1 9 9 2 年启动了新阳光计划，2 0 0 3 年日 本光伏组件的生产数量已经占到了世界总量的5 0 ，世界前十大厂商有四家在日本。 德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏产业的发展，使德 国成为继日本之后世界上光伏发电发展最快的国家。法国、意大利、瑞士、西班牙、 芬兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程口1 。 我国的太阳能资源非常丰富，大多数地区的平均日辐射量在4 k w h m 2 以上，西藏 西部地区的太阳能资源最高达2 3 3 3 k w h m 2 ，居世界第二。西部地区年太阳辐射总量 l 华北电力大学硕士学位论文 6 6 8 0 - - - 8 4 0 0 m j m 2 。我国的太阳能资源理论储量达每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤，与同纬度 的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能h 】。 光伏发电把光能直接转变成电能，是一种零排放清洁能源。目前我国光伏产业 发展迅速，光伏电池组件产量年增长率高达2 0 0 - 3 0 0 。根据可再生能源中长期 发展规划，j 1 1 j 2 0 2 0 年我国力争使太阳能发电装机容量达到1 8 g w ，至u 2 0 5 0 年将达 至u 6 0 0 g w 。预计至u 2 0 5 0 年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的2 5 ，其 中光伏发电装机将占到5 。国家发展和改革委员会预计，未来五年中国将投资1 0 0 亿元人民币用于太阳能的推广利用，可以预测我国光伏产业将有更大的发展畸1 。 1 1 2 对光伏发电系统进行微机监控的意义 目前，计算机监控技术已广泛应用在军事、航空航天等尖端领域，随后又在电 力系统等方面得到广泛应用。太阳能光伏电站是由一个个分散的太阳能光伏发电单 元构成，为了使光伏电站稳定、可靠、高效的运行，必须对光伏发电单元进行监测 和控制，获取系统的各项运行参数，如光伏阵列的电压、电流，环境温度等。大部 分光伏电站都建设在边远地区，它的运行一般是无人值守，对地域上分散的光伏发 电单元进行人工监控和维护十分困难。如果每个发电站附近都配备一定的维护人 员，就需要大量的人力、物力，这种传统的监控方式明显已不适应现代化经济的发 展需求。 因此，采用计算机监控技术对光伏电站进行监控，构成一个安全、自动化的综 合监控系统十分必要，有利于设备的操作管理，降低维护费用，减少或排除设备故 障。另外对光伏电站的实时监控，可以获得原始数据，为系统的改进与优化以及科 学研究提供有用数据。所以研究光伏电站监控系统对光伏发电技术的进一步推广和 应用具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 分布式控制系统的发展 测控技术一直是计算机科学与技术研究领域的重要组成部分，无论对于科学研 究还是对于工业生产，都具有举足轻重的意义。分布式控制系统是当今测控领域研 究的热点，对于诸如工业过程的自动化和监控等应用，其本身就带有分布式特性】。 分布式控制系统的发展大致经历了以下三个时期 1 ： ( 1 ) 初创期( 1 9 7 5 年- 1 9 8 0 年) ：首先，设计的重点是现场控制站，其重点是实 现分布式控制，将危险分散，提高可靠性。其次，将人机接口与过程控制装置分离， 实现集中显示、集中操作、远程组态、信息综合管理。这一时期的代表性产品有 2 华北电力大学硕士学位论文 h o n e y w e ll 的t d c ( t o t a ld is t r i b u t e dc o n t r 0 1 ) 一2 0 0 0 ，f o x b o r o 的s p e c t r u n ， y o k o g a w a 的y a w p a k 等。分布式控制系统一产生，就显示了其巨大的威力和特性，比 原来的仪表控制系统先进了许多，而且更容易实现许多复杂的控制。d c s 在可靠性、 灵活性等方面也优于d d c 和常规仪表控制系统。 ( 2 ) 成熟期( 1 9 8 0 年一1 9 8 5 年) ：这一时期分布式系统的特点体现在性能的提高 和功能的扩充上。控制器为多功能控制器，在常规控制的基础上又增加了顺序控制 与批量控制等近百种算法，初步具备了智能功能。大量采用大规模集成电路器件、 3 2 位微处理器、高分辨率c r t 、局域网等技术。组态软件趋于标准化，提供了输入 输出、选择、计算、逻辑、转换、报警、限幅、顺序、控制等模块。报表、图形、 曲线、文件存储、转换以及导入导出等人机交互方式更加丰富。操作站为增强型操 作站，引入了质量管理、优化管理等方法，实现了信息的综合集成管理。代表产品 有h o n e y w e l1 的t d c - 3 0 0 0 ，y o k o g a w a 的c e n t u m - a ，b ，c 等。 ( 3 ) 扩展期( 1 9 8 5 年一2 0 世纪末) ：成熟期的分布式控制系统在网络通信协议等 技术的非标准化、非开放性等方面仍然存在许多弊端。8 0 年代末，基于开放系统互 联参考模型和制造自动化协议( m a n u f a c t o r ya u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 促进了“自动 化孤岛 的集成。在这个时期，还增加了与管理层面集成的上层网络，实现了组态 技术和软件的标准化，引入了智能变送器和现场总线技术等。其代表产品有 h o n e y w e l l 的t d c 一3 0 0 0 u c n ，y o k o g a w a 的c e n t u m - - x l ，f o x b o r o 的i a s 等。 。许多工厂在应用了分布式控制系统以后，它们的运转自动化和过程平稳化程度 大为提高。在d c s 的基础上，先进过程控制( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 等技术的 应用进一步提升了生产过程控制水平，保证了生产的安、稳、长。2 1 世纪以来，d c s 又发展到了以现场总线技术支撑的第四代产品：现场总线控制系统。 近1 0 年以来，由于计算机测控技术和分布式技术的高速发展，我国d c s 的研发 和生产发展迅速，许多领域( 包括温度测量、水文气象监控、电站控制、油井勘测 和地震监测等) 为了节省成本都开始自行研制d c s ，如浙大中控的j x 3 0 0 x 、j x 5 0 0 系 统、和利时的m a c s 、f o c s 等系统的测控终端都采用高端微控制器，提高了系统的性 能。这些领域的d c s 技术水平已经达到或接近国际先进水平，但制造工艺和在现场 应用时排除故障能力上还比较差。2 0 0 1 年全国应用的国产d c s 占应用d c s 总数的i 3 左右，国夕b d c s 在我国一统天下的局面从此不再出现。国内这些研发d c s 领域占据了 市场的一定份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的d c s 价格也大幅 度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献阳，。 1 2 2 光伏系统监控技术的发展 由于光伏技术发展迅猛，为了研究光伏电站的运行性能、优化设计光伏电站， 3 1 i 华北电力大学硕士学位论文 光伏电站系统监控技术也随着光伏技术的发展而开展起来。 国外从9 0 年代起对监测系统进行了深入的研究，形成了比较成熟的思路，在对 光伏系统的研究方面，系统控制方面研究比较多，而对系统维护和管理相对较少； 对并网型研究较多，而对独立运行研究相对较少。美国电力研究所在9 0 年代初对美 国的七个光伏电站做了实验研究；美国怀俄明州大学在9 0 年代初做了相关的工作， 介绍了系统电池板的最优尺寸、p v 系统的性能等。美国国家可再生能源实验室在 1 9 9 5 年对两座6 k w 并网型光伏电站进行数据采集和分析。同年，国际能源机构光伏 发电系统项目开展了t a s k 2 行动，建立了国际上不同方式的光伏发电系统的技术数 据和运行数据的数据库口1 。国内也已经开展了光伏电站数据采集及监控技术的研究 工作。国内做过光伏电站监控系统工作的单位有中科院电工研究所、合肥工业大学 能源研究所和北京计科公司等n0 1 。中科院电工所和日本合作建成了1 6 座容量总计 1 2 8 k w 的学校用太阳能光伏电站n 。合肥工业大学能源研究所使用v b 编程语言和 a c c e s s 2 0 数据库语言开发出运行在w i n d o w 9 5 、9 8 下的光伏并网发电系统的数据采 集和监控软件包n 引。北京市计科能源新技术开发公司基于国家十五攻关课题建成的 2 0 k w 并网光伏电站开发出一套光伏电站数据采集和监控系统n 朝。 光伏发电系统装置可以采用固定安装方式和跟踪太阳方式。建设相同功率的光 伏发电系统，跟踪式需要的太阳能光伏电池数量少，且与固定式相比，跟踪式系统 的发电效率提高了3 5 ，成本下降了2 5 n 钔。因此在光伏发电系统的建设中，采用跟 踪方式很有必要。对太阳的跟踪方法可以分为被动式和主动式n 引。被动式是将光敏 元件安装在电池板上，根据其输出不同控制信号对电池板向太阳的角度进行调整； 主动式是指提前预设太阳能电池板的角度，随着时间来调整n6 1 。1 9 9 7 年，美国的 b l a c k a c e 研制了太阳能接收器的单轴跟踪器，完成了东西方向的跟踪“7 1 。1 9 9 8 年美 国加州成功的研究了a t m 两轴跟踪器n 引。2 0 0 2 年2 月美国亚利桑那大学推出新型太阳 能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪n 引。2 0 0 5 年美国a p s 建立了p r e s c o t t 荒 漠电站，其中包括峰值功率1 m w 的单轴自动跟踪系统和的1 5 m w 的双轴跟踪系统乜0 1 。 2 0 0 4 年，陆利生在单轴太阳自动跟踪器液压传动系统的设计一文中介绍了单轴 液压自动跟踪器，完成了单向跟踪u 。 电池故障检测技术是近几年才发展起来的新技术，目前世界上对电池故障检测 系统的研究尚未取得显著的成果。美国的蓄电池监测设备专业生产厂商a l b e r 公司、 m i d t r o n i c s 公司对电池故障检测的研究集中在利用电池的内阻或电导进行电池容 量估计和诊断口2 1 。国内对电池故障检测也有一定研究，但大部分还处于起步阶段， 2 0 0 5 年刘文杰在电池组故障诊断专家系统的研究与实现一文中详细介绍了通过 实时监测、比较同一电池组的不同单体电池间的参数变化并考虑一些其它因素来进 行电池故障检测的方法。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 0 0 3 年的第三届国际光伏能源大会上，来自日本产业技术综合研究所的专家提 出了太阳能光伏阵列故障检测的主要技术，包括电测法、热测法和可视测量法。电 测法包括i - v 暗处测量法、旁路二极管发光法和高频反射测量法；热测法有额外加 热法和旁路二极管加热；可视测量法是根据光伏阵列的需要俯视光伏阵列并且观察 它的热特性，如阵列的亮点及颜色改变等状况，所以需要在阵列前方安装热感照相 机及其它相关设备乜引。 1 3 本文的主要工作 本文在综合分析国内外光伏电站监控技术研究现状的基础上，对太阳能光伏发 电单元综合监控系统的相关技术进行了研究，设计了光伏发电单元综合监控系统的组 成结构，设计了系统的硬件与软件，实现了控制光伏阵列跟踪太阳、检测故障电池 组件、自动清理电池板表面灰尘和积雪以及卸负荷等多种功能。本文所做的主要工 作如下： ( 1 ) 阐述课题的研究背景及意义，分析了分布式控制系统和光伏系统监控技术 在国内外的研究动态。 ( 2 ) 分析研究了太阳能光伏发电技术、分布式测控技术、光伏电站监控技术、 通信技术等，并论述了这些技术在系统中的应用。 ( 3 ) 1 研究确定了太阳能光伏发电单元综合监控系统的组成结构、实现的主要功 能以及开发工具和主要技术方法。 ( 4 ) 采用硬件与软件的综合设计，设计实现了光伏发电单元综合监控系统。根 据系统的功能要求分别设计了适用于跟踪控制单元、故障检测单元、冲水清理单元 和卸负荷单元的功能模块。采用四柱支撑太阳能光伏阵列的方式，具有比单柱支撑 更加稳固的优点。 ( 5 ) 对太阳能光伏发电单元综合监控系统进行测试，系统通过初步运行，对光 伏电站监控工作具有借鉴意义。总结取得的成果，指出下一步的研究工作。 5 6 华北电力大学硕士学位论文 为电能的转换器件。1 9 5 4 年贝尔实验室用单晶硅材料制成了第一只具有实用价值的 太阳能光伏电池。经过发展，太阳能光伏电池在材料、结构、性能及应用等方面得 到了长足的进步。目前太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物太阳能电池。 ( 1 ) 硅太阳能电池：硅是地球上第二位最丰富的元素且无毒性，用它制作的太 阳能光伏电池效率也很高，因此是最适于制作太阳能光伏电池的半导体材料。硅太 阳能电池又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三类。由于单晶硅太阳能电 池效率高、寿命长、性能优良，是目前应用最广的一种太阳能电池。但是成本高， 而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅 低，单片电池也可以做得比较大，但效率只能达到1 4 ，比单晶硅电池低。非晶硅 太阳能电池对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单 晶硅或多晶硅电池的五百分之一，但是效率只有6 左右乜耵。 ( 2 ) 化合物太阳能电池：目前因材料、工艺等一系列问题，实际生产和应用的 化合物太阳能光伏电池主要有砷化镓太阳能光伏电池、硫化镉太阳能光伏电池。考 虑到环境污染等原因，化合物太阳能光伏电池使用较少，常使用在一些特殊的场合。 砷化镓的光吸收系数很大，是制造薄膜太阳电池的理想材料。砷化镓太阳能光伏电 池的抗辐射能力很强，使用于宇航和通讯卫星等空间领域。硫化镉太阳电池有两种 结构，一种是将硫化镉粉末压制成片状电池；另一种是通过蒸发或喷涂制成薄膜电 池。薄膜电池携带包装方便、能量重量比大，而且工艺简单、成本低。但是，这种 电池稳定性差、寿命短、最高效率只有9 ，同时对环境有污染，发展较慢。 太阳能电池工作原理的基础是半导体p n 结的光生伏打效应，即当物体受到光照 时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。硅的外层电 子受到太阳光辐射时成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中 的“空穴 。由于电子和空穴的扩散，在结合的p 、n 半导体的交界面处即p n 结的两 边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射p n 结时，在势垒电场的作用下，电 子被驱向n 型区，空穴被驱向p 型区，从而使n 型区有过剩的电子，p 型区有过剩的空 穴，形成了光生电场。在n 型区与p 型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动 势，接通外电路时便有电能输出们。 如图2 - 2 所示，当具有适当能量的光子入射于半导体时，那么电子向n 型半导体 扩散，空穴向p 型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚 集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。 7 华北电力大学硕士学位论文 太阳光 i i i j i j i e 电子 图2 2 太阳能电池工作原理示意图 太阳能电池组件由若干片能独立作为电源最小单元的太阳能电池单体组合而 成，太阳能光伏阵列由若干个太阳能电池组件经过串联、并联构成，按照所需的电 压、电流，把太阳能电池组件按一定的方式联接，可以是串联、并联或者串并相间 的混联1 2 1 3 太阳能光伏阵列特性 光伏阵列i v 特性随日照强度及温度的变化而变化，其等效电路如图2 3 所示： 图2 3 光伏阵列等效电路 v 光伏阵列的i v 方程为： - e d 篆判斗一v + i o r 5 蚓2 叫 公式( 2 1 ) 中：五：光电流；g ：电子电荷( 1 6 1 0 。1 9 i k ) ；7 - 绝对温度；屉 波尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 。2 3 j k ) ；o - 反向饱和电流；a ：二极管因子：尼：串联电 阻：并联电阻。 8 华北电力大学硕士学位论文 光伏阵列的i v 特性曲线如图2 4 所示： 矽垃 电流源区 飞 k 吃 图2 4 太阳能电池的i - v 特性曲线 图2 4 中：l 。：短路电流( 光伏阵列最大输出电流) ；：开路电压( 光伏阵列 最大输出电压) ；i o - 光伏阵列最大功率点电流；匕：光伏阵列最大功率点电压。 特性曲线表明太阳能电池是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压 范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。 2 2 分布式测控技术 2 2 1 计算机测控技术 计算机测控技术在生产实践中有着广泛的应用，是计算机技术、通信技术、网 络技术和自动化技术的综合。计算机测控系统的实现方案一般分为两种：集中式和 分布式。集中式采用单台计算机，实现系统的全部测控功能；分布式通过多台计算 机组成网络，实现系统的测控功能矧。 一般的测控系统利用传感器将被测对象的物理参量，如温度、压力、流量等转 换为电信号，再将这些电信号经输入装置转换为计算机可识别的数字量，并且在显 示装置中以数字、曲线或图形的方式显示出来。计算机还能将采集的数据信息存储 起来，进行分析、处理和显示，可以根据需要把数据传给监控中心。如果需要对被 监控的对象进行控制，则由监控中心根据测控单元采集到的物理参量的大小和变化 情况按照工艺要求的设定值进行判断，给测控单元发送控制命令。测控单元根据一 定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号，并驱动执行装置动作完成相应的控 制任务。 计算机测控系统的一般结构如图2 - 5 所示。 9 i 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 计算机测控系统一般结构 随着工业生产规模的不断扩大和对生产过程自动化要求的不断提高，计算机技 术和通讯技术相结合的分布式计算机测控系统已成为控制系统的发展的趋势。 2 2 2 分布式测控系统 分布式测控系统是采用分布计算模型的测控系统，分布计算指在独立的计算机 集合系统中通过网络通信来开发、部署、管理和维护以资源共享和协同工作为主要 应用目标的分布式应用系统，具有很强的时间和空间约束的特点。分布式测控系统 综合了计算机、通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分 级管理、配置灵活以及组态方便。 分布式测控系统采用微处理机分别控制各个节点，各节点间和系统各级之间通 过数据通道交换信息，具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等 功能。分布式测控系统中，分布不仅指各个设备的地理位置分散，还包括整个系统的 数据采集、过程控制、监控管理、运行显示等功能上的相互分散、独立。分布式测 控系统包含多级结构，现以三级为例，结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6 分布式测控系统三级结构 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第一级为测控终端，直接面向被测控设备，完成对象数据采集、对象控制、现场 状态检测等；第二级为集中控制检测端，以数据的集中、处理、异常情况的检测控 制为主要功能；第三级为总控设备，通常是检测微机，具有人机交互功能，实现总 体数据的集中管理，数据库的写入更新，控制命令的发送，异常情况的自动或人为 处理等。根据运用场合的不同，以上的三级模型也可适当地精简成二级，即将第一 级和第二级、或第二级和第三级的部分功能合并，具体方法视具体应用场合而定。 2 2 2 1 分布式控制系统的结构 ( 1 ) 环状结构 在环形分布式控制系统结构中，各节点计算机通过有源接口连接在一条闭合的 环形通信线路中。环形网中每个节点对占用环路传送数据都有相同权力，它发送的 信息流按环路设计的流向流动。 为了提高可靠性，可采用双环或多环等冗余措施来解决。目前的环形结构中采 用了一种多路访问部件m a u ，当某个节点发生故障时，可以自动旁路，隔离故障点， 这也使可靠性得到了提高。环形结构的优点是实时性好，信息吞吐量大，网的周长 可达2 0 0 k m ，节点可达几百个。缺点是因环路是封闭的，所以系统扩充不方便n 盯。 环形结构示意图如图2 - 7 所示： 图2 - 7 环形结构示意图 ( 2 ) 星形结构 在采用星形结构的系统中，对系统起控制作用的计算机位于网络中央，作为主 一 氏_ 用独立韵蔼孺尚献它讶贺布磺髓来焉泻嗣硝轭丽看= 否一，称为中心节 点，其余从机为卫星节点。卫星节点分别与中心节点相连接，互相不连接，整个网 络呈星状结构。结构图如图2 8 所示： 某一台损坏 通用的拓扑 造成系统效 信道可靠性 处理机执行 算机则根据 1 0 所示是一 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 分布式控制系统的特点 与集中式控制系统相比，分布式控制系统具有以下特点口： ( 1 ) 性能价格比高。可以采用低价的微机构成高性能的系统，与同样功能的单 台计算机相比，分布式多微机系统的价格仅为1 3 1 4 0 。 ( 2 ) 可靠性高。子系统故障一般不会影响全局，可由其它子系统以“容错”方 式带故障运行。各子系统间还可互相诊断、检测和保护，从而提高了整个系统的可 靠性。系统对故障的处理能力或带故障运行的能力也称为坚定性或坚强性，即系统 的容错运行能力，它是可靠性指标的重要组成部分。分布式多机系统的坚定性大大 优于集中式的单机系统。 ( 3 ) 位置分布合理。可以根据实际情况组建测控单元，使其实现功能、位置的 合理分布，满足不同的性能和可靠性设计，具有很好的交互性、通用性和经济性。 降低了电缆的费用和维护工作难度。 ( 4 ) 响应速度快。可通过并行处理或各子系统分别处理来实现快速响应。集中 式控制则采用分时处理方式对多个对象的申请，按优先级排队响应，往往滞后与等 待时间较长。 ( 5 ) 采用模块化结构。系统容易实现通用化与系列化，系统功能分散容易扩充， 还可以对系统进行重构，实时地动态分配与管理系统，以适应不同环境和用户的要 求。 ( 6 ) 资源共享。系统中的数据、程序、外设等资源都可由各子系统共享。 2 3 光伏电站监控技术 2 3 1 光伏阵列跟踪控制 由于太阳光照的方向和强度随时间不断变化，要使光伏阵列的效率最高，就要 始终保持太阳能光伏阵列的采光面与光照垂直，最大限度接收太阳能量，因此太阳 能光伏阵列的支架应采取跟踪太阳的工作方式。光伏阵列跟踪控制方法分为被动式 跟踪技术和主动式跟踪技术。 2 3 1 1 被动式跟踪技术 被动跟踪方法有坐标法、太阳能电池板光强比较法、光敏电阻光强比较法等口羽。 ( 1 ) 坐标法：将3 个光敏管安装在太阳能电池板上，放置成不同的朝向。一个 竖直朝向天空，一个朝向正东方，另一个朝向正西方，太阳从不同角度照射到3 个 光敏管的光强不同，产生的光电流强度不同。太阳光方向与正东方的夹角。与光电 华北电力大学硕士学位论文 流的关系会发生变化，依据e 值调整太阳能电池板的角度，使得太阳能电池板一直 朝向太阳的方向。 ( 2 ) 太阳能电池板光强比较法：把两块完全相同的太阳能电池板按照一定角度 连成“人 字型，它们既用作光电转化的电池，也起光敏器件的作用。太阳光垂直 照射地面时，两块电池板上产生的光电流相等，此时控制电池板不转动。当太阳光 与地面夹角改变时，两块电池板会产生电流强度差，利用这一信号驱动电池板转动， 使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。 ( 3 ) 光敏电阻光强比较法：将两个完全相同的光敏电阻分别放置于电池板东西 方向边沿处的下方。若太阳光垂直照射太阳能电池板，两个光敏电阻接收到的光照 强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板 垂直方向有夹角时，光敏电阻的阻值会发生变化。接收光强多的光敏电阻阻值减小， 从而产生一个信号，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻的阻值相同引。 以上被动跟踪系统是由单片机、传感器及机械传动装置组成。它们的基本原理 相同，即当太阳光照射到传感器上时，由传感器给出太阳能电池板和太阳位置的偏 差信号，经过输入通道进入单片机内，单片机根据所接到的信号进行相应处理，由 输出通道发信号给机械传动装置，控制它转动，以使电池板跟踪太阳。其跟踪结构 如图2 - 1 1 所示： 图2 - 1 1 被动跟踪系统结构图 阳光 2 3 1 2 主动式跟踪技术 主动式跟踪是指根据地球绕太阳的运行规律，事先计算好电池板跟踪运动的轨 迹，按时间控制电池板转动。常用的主动式跟踪方法有压差式跟踪、控放式跟踪等。 ( 1 ) 压差式跟踪：在太阳能电池板的下方设置一个密闭容器，由于太阳在天空 中方位的变化，入射阳光的角度跟着偏斜，引起密闭容器的两侧受光面积不同，从 而产生了压力差。在这个压力差的作用下，控制电池板转动，重新对准太阳。根据 密闭容器内所装的介质不同，可分为重力差式、气压差式和液压式钉。液压式跟踪 器原理如图2 1 2 所示： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 一1 2 液压式跟踪器原理图 ( 2 ) 控放式跟踪：控放式跟踪对太阳的方位角进行单向跟踪。其原理为：在太 阳能电池板的西侧放置一偏重，作为太阳能电池板转动的动力。利用控放装置对此 动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳能电池板跟随太阳轨迹自东向西 偏转运动。这种方式的优点是可以实现实时跟踪太阳，成本低，并且纯机械控制， 无需电子控制部分及外接电源。但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单 轴跟踪，精度低，且不能自动复位。原理图如图2 - 1 3 所示： 2 3 2 光伏阵列故障检测 图2 - 1 3 控放式跟踪原理图 对光伏阵列的故障检测法，目前主要有直接法和间接法两类。直接法是直接测 量每块电池板的电压和电流，用总线技术将数据送入计算机判断：间接法是通过测 量电池的温差来判断电池的工作状态引。太阳能电池直接将太阳能转化为电能，在 不同的工作状态( 正常、遮挡、故障、老化) 和不同的负载状态下，其能量的吸收、 1 5 华北电力大学硕士学位论文 转换和能量输出都有所不同，因而其温度和发射的红外特性也不相同，可以用基于 红外图像的方法来进行故障诊断d 们。 太阳能光伏阵列的温度取决于多个参数，通常假定其温度取决于日照强度s 和 环境温度t 。太阳能电池温度的计算公式为： z 二= 瓦+ a l t a + a 2 s + t 公式( 2 2 ) 式中：以。：太阳能电池温度；r o ：环境温度；& 日照强度，w m 2 ；t o ：s = o ， r o - - o 时电池阵列的温度；a i 口：天气系数；乃电池板内阻损耗产生的温升。 根据电池板处于正常工作状态下内阻损耗产生的温升，与待测电池板内阻损耗 产生的温升之差，可以判断出故障的太阳能电池板。测试系统的硬件结构图如图 2 1 4 所示： 翌姑c 一图 广1 ih - o 。二i 红外摄像头l 二r 二- j 图2 - 1 4 硬件结构图 红外辐射是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，波长在 o 7 6 1 0 0 0um 之间。凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。物体所发出 的红外辐射能量的强度与其温度直接相关。物体的温度越高，所发出的红外辐射能 量越强。 太阳能光伏阵列发出红外辐射，由红外摄像头把辐射信号进行转换，经过图像 采集卡后送到检测微机里。检测微机上的图像处理软件平台将采集到的电池板红外 图像进行处理。首先进行数字滤波，将信号中的噪声去掉，然后利用数学方法对每 块电池板的图像进行处理，最后用图像来显示分析后的结果。 2 3 3 光伏发电单元维护 光伏发电单元的维护目前主要依靠人工维护的方式。工作人员的日常维护工作 是每日测量并记录不同时间内系统的工作参数，测量记录内容有：日期、记录时间、 天气状况、环境温度、子方阵电流、电压、记录人等口引。电站巡检工作由专业技术 人员定期进行，在巡检过程中要全面检查电站各设备的运行情况和运行现状，并测 量相关参数。并仔细查看电站操作人员对日维护、月维护记录情况，对记录数据进 1 6 华北电力大学硕士学位论文 行分析，及时指导操作人员对电站进行必要的维护工作。 由电站的工作人员定期清理太阳能光伏阵列采光面上的灰尘和积雪，在少雨且 风沙较大的地区，清洗时先用清水冲洗，然后用于净的柔软布将水迹擦干，保持光 伏阵列采光面的清洁。这种维护方式的工作量大、成本高，并且不能及时准确的发 现太阳能光伏阵列的故障。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统的组成结构、实现的功能及开发工具 3 1 系统设计原则 太阳能光伏发电单元综合监控系统综合应用分布式技术、测控技术、通信技术 等相关技术，设计综合监控系统，通过对太阳能光伏阵列的电参数进行实时的采集 和处理，结合微机在线监控技术等有关信息，实现对太阳能光伏发电单元的监控， 提高太阳能光伏电站的可靠性、经济性。太阳能光伏发电单元综合监控系统的建设 应遵守以下的系统设计要求： ( 1 ) 经济性要求：由于测控单元是为实际工程需要所设计的，所以必须考虑经 济性指标。为了获得较高的性价比，设计时在满足性能指标的前提下，应尽可能采 用简单的方案，从而节省工程的开支。 ( 2 ) 可靠性要求：应该保证测控单元能长时间稳定的运行，在遇到一些问题时 仍然能够正常工作。从硬件上来说，选取的元器件应可以在各种特定的工作环境下 均能正常稳定的工作。在必要的地方采用冗余结构以保证长时间可靠工作。系统采 用分布式结构，某个子系统故障不会影响系统全局，可由其它子系统以“保守”方 式运行，从而提高了整个系统的可靠性。 ( 3 ) 可维护性和可扩充性：系统采用集成化、模块化结构。系统软件可根据需 要修改某个模块和增加