基于组态软件的光伏系统分析与监控设计.pdf
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技术创新微计算机信息(测控自动化)2009年第25卷第2-1期360元/年邮局订阅号:
82-946现场总线技术应用200例软件天地基于组态软件的光伏系统分析与监控设计DesignofPhotovoltaicPowerSupervision&ControlSystemBasedonStateConfigurationSoftware(海军工程大学节能技术研究中心)赵云鹏姜海波程忠庆ZHAOYun-pengJIANGHai-boCHENGZhong-qing摘要:
分析了光伏发电系统的组成及核心组件的功能特征,指出了影响光伏发电系统成本、寿命的关键因素和光伏系统应该设定的监测控制参量。
通过与传统的光伏系统监控方法对比,对基于组态软件进行光伏发电系统的监控可行性、必要性进行了深入分析,并给出了一个基于组态软件平台的光伏远程监控系统的设计实例。
关键词:
组态软件;光伏发电;组件功能特性;远程监控;最大功率功跟踪中图分类号:
TK514文献标识码:
BAbstract:
Thepaperanalysesthecomponentsofphotovoltaicpowerandfunctionalcharacteristicsofsomecriticalcomponents,Pointsoutsomeimportantfactorsthatdecidesthecostandlifespanofphotovoltaicpowersystem,andgivesoutsomeparametersthatshouldbesupervisedandcontrolled.Comparingwithtraditionalsupervision&controlmethodsonphotovoltaicpowersystem,thepa-perdetailedlydescribesthefeasibilityandnecessityaboutthesupervision&controlmethodsbasedstateconfigurationsoftwareFinal-ly,thepapergivesapracticalphotovoltaicpowersystemexamplewhichsupervision&controlmethodisbasedonstateconfigurationsoftware.Keywords:
StateConfigurationSoftware;PhotovoltaicPower;FunctionalCharacteristicsofComponent;RemoteSupervision&Control;MaximumPowerTracking文章编号:
1008-0570(2009)02-1-0306-03当不可再生资源面临日趋加剧的枯竭态势时,人类能源利用的目标立刻转移到了可再生资源,在众多的可再生资源中,太阳能由于洁净、环保,能量分布较为广泛而引起了人们利用太阳能的较大兴趣。
但在利用太阳能的过程中,人们也尝到了许多难以承负之苦,其中极高的价格成本问题是首当其中。
笔者做了一个粗略的计算,就目前的光伏发电利用水平,1KWH光伏电能的成本价格大约为¥4.5,相当于目前市电价格的十倍。
解决价格成本问题的有效途径之一就是提高光伏系统的运行维护水平,延长系统使用寿命。
为延长系统寿命,许多光伏系统在建立之初就增加了监控系统,但监控软件开发平台往往基于C+、VB、VC或DELHI等高级语言,使开发难度大大增加,因而监控参量大大减少,监控量管理水平大大降低。
基于以上观点,论文探讨了光伏系统的工作原理,分析得出了影响光伏系统寿命和运行效率的关键参量,论证了基于组态软件设计光伏监控系统的可行性,并给出了一个设计实例。
1光伏发电系统的组成与核心组件的功能一般地,光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
独立光伏系统往往应用于无电网区的中、小功率用户,而并网光伏系统一般发电容量较大,它与电网相并联向负载供电,它既可向电网供电,也可向电网取电,与独立系统相比,尽管并网光伏系统可以省去蓄电池,但囿于价格、技术条件,并网光伏应用并非十分广泛,大量实用和实验的光伏系统以独立光伏系统居多,独立光伏系统的构成如图1所示。
由图可知,独立光伏系统由太阳能电池、太阳能专用充电控制器、蓄电池、逆变器和负载五部分组成。
其中太阳能电池、太阳能专用充电控制器和蓄电池是系统构成的核心组件,它们分别承担着能量的转换、控制和储存功能,决定着整个系统的使用效率和寿命,属于系统的核心组件,下面对它们的功能特性进行分析。
图1独立光伏发电系统构成图1.1对太阳能电池的特性分析光伏系统中,太阳能电池负责将太阳的光能转换为电能,它是系统最为核心的组件,约占系统总成本的65%,提高电池工作效率、延长太阳能电池的寿命应该是降低系统成本的最有效途径,但在实际应用中,由于对太阳能电池工作原理缺乏充分的认识,对太阳能电池使用中的寿命与效率关系重视不够,同时太阳能电池销售商常常声称的太阳能电池寿命长达15年,有的甚至20年,使太阳能电池似乎成了“免维护”产品,因此,实际应用中太阳能电池工作状态往往是系统监控的盲点。
从能量守恒角度理解太阳能电池的工作原理,设太阳能电池板接收的总辐射为,反射辐射为,热吸收量为,光电效应产生的电能为,即有:
。
当前太阳能电池实验室理论最大转换效率为28%,而实际只有16%左右,即太阳能电池接收的光辐射,只有极小部分转换为电能,而绝大部分被反射或以热能吸收,其中吸收热能对太阳能电池产生的副作用不容忽视,吸收热能使电池板工作温度升高,一方面使电池板材料老化,另一方面又影响光电转换赵云鹏:
讲师硕士?
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82-946360元/年技术创新软件天地PLC技术应用200例您的论文得到两院院士关注的效率,对转换效率的影响分析如下。
本质上讲,太阳能电池是多个PN结的串联,它是依靠PN结自身的内建电场,使光子激发的电子-空穴对产生定向移动在闭合回路中形成电流或产生开路电压。
一定光照强度下,对特定的PN结材料而言,光子激发产生电子-空穴对的能力是确定的,所以能够形成光生电流的大小也是确定的,因而在一定强度光照下的工作原理可用一个电流源与PN结并联的等效电路模型来代替。
若考虑PN结材料自身的电阻和PN结势垒区的内电阻,太阳能电池的工作原理可用图2所示的等效电路来模拟。
图2太阳能电池的等效电路列写该电路的方程式为:
为光电池在一定光强度照射时产生的光电流;等效PN结反向饱和电流;为PN结电压当量;、分别为PN结的体电阻和势垒区的漏电阻。
因为PN结的反向饱和电流具有正的温度系统,即随着工作环境温度的升高,太阳能电池对外输出电流和电压的能力都将减小,电池输出功率将大大减小,因而太阳能电池工作温度是一个关键监控参量。
根据上述分析,对于太阳能电池在实际使用中我们必须正确处理光照强度与温度的关系。
光照越强,产生的光电流越大,但同时电池自身的温度也将越高,使电池的转换效率下降,监控过程也必须跟踪电池效率的最大功率输出点。
1.2对太阳能专用充电控制器的功能特征分析充电控制器的最基本功能是平缓充电,防止蓄电池的过充和过放。
但是通过深入分析电池板的光电效应过程,我们可确定充电控制器的一个极为重要的功能就是实现太阳能电池的最大输出效率跟踪。
分析图2所示的模拟电路,光电效应所产生的电能可用下式表达,式中,为流过二极管的电流所产生的功耗,因PN结自身的压降为0.7V,所以也可表示为:
=0.7。
为漏电流流过所产生的功耗,相当于电流渡过PN结势垒区时内电阻产生的损耗,计算式可表示为:
=。
为负载电流流过串联损耗电阻所产生的功耗,=。
为实际外负载上获得的功率=。
上面各项中只有才是外接负载获得的真正有用的电能,所以光伏系统在工作时,不管外接负载是开路还是工作,只要电池板接收到了光照就会产生电能,当开路时电池板光电效应所产生的电能最终会由于无法输出而内耗在电池板上,从而导致电池板上热量增加、效率下降,当系统发生短路时,系统又会产生较大的短路电流,从而破坏电池板的晶体结构,缩短电池使用寿命,所以监控系统应该实时跟踪光伏系统电池板的电压和电流,使光电效应所产生的电能能够及时以功率最大地向负载或蓄电池组传输,因为只有当太阳能板输出为最大时,由内部电路引起的功耗才会降到最低。
据上分析,太阳能专用充电控制器对光电池的工作效率和使用寿命具有极为重要的作用,它的正常工作与否对系统整体效率具有决定作用,它的状态参数是系统监控的重要参量。
1.3蓄电池功能与维护分析光伏系统中,蓄电池约占总成本的20%,看似比太阳能电池板的成本少得多,但它的维护难度较大,使用中的疏忽极易造成蓄电池的损坏或寿命减短。
蓄电池在独立光伏系统中的功能可概括为以下几方面。
首先是能量储存功能,由上分析得知,光伏系统转换的电能必须尽快的使用,否则将损耗在电池板的内电阻上,这种损耗不仅造成能源浪费,而且会缩短电池板的寿命和光电转换效率,蓄电池就是及时的将光转换的电能或系统多余的电能进行储存。
第二方面是电位嵌制作用。
由于太阳能的波动性很和随机性很大,光伏系统输出的电压也具有较大的波动性。
负载往往需要在一个稳定的电压下工作,当把蓄电池作为光电池的负载时,就将光伏系统的对外输出电压嵌制为蓄电池的输出电压,从而使负载获得一个稳定的输出电压,以减少对负载的损坏。
为光伏系统负载提供必要的启动电流。
设太阳能电池的峰值输出功率为40W,当前输出功率为10W,若此时系统接入功率为7W的负载,从能量供给的角度考虑,系统可以正常工作,但实际中系统无法启动正常工作,因为不满足启动电流。
若在启动时接入蓄电池,启动后断开电池,系统仍能正常工作,表明蓄电的接入为系统提供了必要的启动电流。
从蓄电池自身的缺陷及其在光伏系统中的作用分析,蓄电池工作状态应该是系统监控的重要参量,主要监控防止蓄电池处于过充、过放状态。
2光伏发电系统监控方法与监控参量分析当监控对象确定时,系统的监控参量可以基本确定,所不同的就是获取监控参量的手段和管理软件的开发平台,而管理软件开发平台又影响着监控变量的获取手段。
当前的光伏监控系统,绝大多数都是基于C+、VB、VC或DELHI等高级语言作为管理软件开发平台,开发者是必须熟练掌握这些语言的语法、通信控件和必要的计算机硬件接口驱动开发方法,开发一个功能完整的监控软件必须具备一定的软硬件知识,开发难度较大,作为光伏研究人员一般不可能开发出功能卓越的管理软件。
实际中,光伏系统应用的决定性因素是成本和效率,从这两方面切入,光伏监控系统的主要监控参量包括,系统工作环境气象参数,主要有温度、太阳辐射强度、风速及灾害性天气预测等,这些物理量都可以通过相应的传感器形成标准的420mA或15V的电信号;其次是太阳能电池板工作电压和电流,这两个量可利用直流电量采集模块采集,从而达到对这两个量实时跟踪,使系统始终运行于最大输出功率;第三个方面的监控参量是蓄电池工作状态和负载实时负荷量监测,蓄电池工作状态主要是实时剩余电量、工作电压和电流的监控,系统307-技术创新微计算机信息(测控自动化)2009年第25卷第2-1期360元/年邮局订阅号:
82-946现场总线技术应用200例软件天地负荷针对交直流负载可分别采用交直流电量智能模块实现监测。
上面所提到的这些传感器和智能模块又很容易得到,而且在绝大多数组态软件开发平台下都可实现这些模块的组态管理,数据采集十分简单,数据处理也完全由上位计算机进行,开发过程非常简单。
3基于组态软件的光伏系统远程监控实例基于组态软件的光伏远程监控系统由中心计算机和现场数据采集两大部分组成,中心计算机主要是运行管理软件,实现现场数据的远程采集和设备的远程管理。
现场数据采集就是利用智能模块将现场需要上传的信息进行转换,然后基于RS485总线进行传输。
下面简要介绍现场数据采集的硬件构成,其构成如图3所示。
图3现场数据采集硬件电路构成图EDA9011为一路直流电量数据采集模块,可测量一路直流电量的电压、电流、功率和累计电量。
本系统使用了两块EDA9011,其中左边的EDA9011用于跟踪电池板的实时状态,右边的用于跟踪蓄电池组的状态。
EDA9033为三相电量数据采集模块,可同时跟踪3路电压、电流,功率及功率因数等参量,本系统中的EDA9033用于跟踪系统中的交流负载工作状态、耗电量和逆变器的工作状态。
EDA9015为模拟量采集模块,可同时完成12路模拟量的采集,本系统中主要采集光电池、蓄电池以及系统中热敏器件的工作温度。
4结论本文作者创新点:
基于组态软件的光伏监控系统设计,将监控系统的专用软件平台引入到特定的监控系统开发中,使系统设计开发简单、快速和高效,使系统控制方式灵活多样。
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作者简介:
赵云鹏(1974.3),男(汉族),海军工程大学天津校区节能技术研究中心讲师,硕士,主要从事自动化装置与节能技术的研究和教学工作。
Biography:
ZHAOYun-peng(1974.3),Male(Han),BaoJi,ShannXiProvince,PrelectorfromEnergyConservationTechnologyResearchInstitute,NavalUniversityofEngineering,MasterofTestTechnologyandAutomaticDevices.Nowheismajoringinteachingandresearchinenergyconservationandautomaticdevicesfields.(300450天津塘沽海军工程大学节能技术研究中心)赵云鹏姜海波程忠庆(EnergyConservationTechnologyInstitute,NavalUniversityofEngineeringTianJinChina300450)ZHAOYun-pengJIANGHai-boCHENGZhong-qing通讯地址:
(300450天津塘沽河北路1号海军节能技术研究中心)赵云鹏(收稿日期:
2008.12.23)(修稿日期:
2009.01.25)(上接第141页)参考文献1李连,朱爱红无线传感器网络中的定位技术研究J微计算机信息,2005,9-1:
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1-13.5WenpingChen.CooperativeLimitingLocalizationSchemesforWirelessSensorNetworksJ.InnovativeComputing,InformationandControl,2006,8:
425-428.作者简介:
陈湘平(1967-),男,湖北公安人,汉族,讲师,主要研究方向:
计算机网络;房莉(1973-),女,湖北洪湖人,汉族,讲师,主要研究方向:
计算机网络;Biography:
CHENXiang-ping(1967-),male,GongAnHuBei,Han,docent,mainresearch:
computernetwork;(430019湖北武汉空军雷达学院信息与指挥自动化系)陈湘平房莉(DepartmentofinformationandCommandAutomation,AirForceRadarAcademy,WuhanHubei430019,China)CHENXiang-pingFANGLi通讯地址:
(430019武汉市黄浦大街288号信息与指挥自动化系计算机教研室)陈湘平(收稿日期:
2008.12.23)(修稿日期:
2009.01.25)?
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