光伏并網(wǎng)逆變檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 衛(wèi)，劉鴻鵬，吳 輝

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的檢測及監(jiān)控成為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)［1-3］。

本文提出一種基于ARM和LabVIEW的光伏并網(wǎng)逆變檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)(以下簡稱:檢測系統(tǒng)平臺(tái))［4，5］。通過該平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)LabVIEW編程的學(xué)習(xí)和對(duì)檢測系統(tǒng)的操作實(shí)踐能力。檢測系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用ARM對(duì)光伏發(fā)電單元以及電網(wǎng)電壓電流信息進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳入到基于LabVIEW的檢測系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸分離、顯示、存儲(chǔ)和調(diào)用。

1 檢測系統(tǒng)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

由圖1所示，檢測系統(tǒng)平臺(tái)的硬件由兩臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器、數(shù)據(jù)采集板和顯示系統(tǒng)組成。其中，信息數(shù)據(jù)通過STM32F103采集，顯示界面由LabVIEW編寫，數(shù)據(jù)采集板與顯示系統(tǒng)由RS232串口線連接。

STM32控制器的電壓輸入范圍為0～+2.5 V，但所采樣的電壓通常都很高，因此采樣電路應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)谋壤儞Q將電壓縮小到控制器可接受的范圍之內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用差分比例運(yùn)算電路，通過選取合適的阻值，將采樣后的信號(hào)輸入到控制器端口。如果采樣的對(duì)象是電網(wǎng)電壓，還需額外增加一個(gè)調(diào)理電路將正弦信號(hào)抬高一個(gè)電平。

圖1 光伏并網(wǎng)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

逆變器輸出電流與光伏輸出電流需要進(jìn)行電流采樣?？刂破鰽D僅能識(shí)別電壓信號(hào)，所以必須把采樣電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。系統(tǒng)選用HX25-P霍爾電流傳感器，轉(zhuǎn)換比例為25A/4V，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器再進(jìn)入控制器端口。如果采樣的電流為正弦電流，則需要再經(jīng)過一個(gè)調(diào)理電路將轉(zhuǎn)換后的正弦電壓信號(hào)抬高才能被控制器識(shí)別。

控制器每隔100 μs采樣一次，采樣結(jié)束后，將采樣得到的數(shù)據(jù)通過RS232傳入基于LabVIEW的軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及波形的處理和顯示。ARM傳出的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制。

2 檢測系統(tǒng)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是由美國國家儀器公司NI所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái)，是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。其圖形化編程語言環(huán)境簡單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時(shí)間，可完成各種編程任務(wù)。

2.1 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

在此光伏并網(wǎng)逆變檢測系統(tǒng)中，基于LabVIEW的前面板主界面有六個(gè)黃色按鈕，分別是“主頁”、“開始運(yùn)行”、“停止采集”、“保存數(shù)據(jù)”、“退出程序”和“選項(xiàng)菜單”。

“主頁”包括“光伏發(fā)電功率”、“光伏收益”、“今日電能”、“累加電能”、“今日電能實(shí)時(shí)監(jiān)測波形”和“歷史數(shù)據(jù)按天顯示”。

“開始運(yùn)行”、“停止采集”、“保存數(shù)據(jù)”和“退出程序”四個(gè)按鈕行使對(duì)采集系統(tǒng)的控制功能。選項(xiàng)菜單里，有“模擬電壓電流”、“三相實(shí)時(shí)功率”、“單相實(shí)時(shí)功率”、“三相實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”和“單相實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”等，這些數(shù)據(jù)都以二維波形圖顯示。

主界面的所有控件都可以通過屬性欄設(shè)置其大小、顏色及文本。

2.2 主界面各功能實(shí)現(xiàn)

1)數(shù)據(jù)傳送

傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI(Virtual Instrument)及函數(shù)的執(zhí)行順序。在 Lab-VIEW程序設(shè)計(jì)主界面中，用VISA串口將ARM采集到的電壓、電流依次傳輸至基于LabVIEW的光伏顯示系統(tǒng)中，圖中的VISA配置串口函數(shù)可以根據(jù)用戶需求配置參數(shù)。如圖2所示，串口波特率設(shè)置為4800;奇偶校驗(yàn)選擇的是默認(rèn)方式，停止位設(shè)置為1。串口配置完成之后，數(shù)據(jù)流進(jìn)入VISA串口讀取函數(shù)，圖中“425”是要讀取的字節(jié)總量，其數(shù)值的設(shè)置由ARM采樣得到的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)確定。經(jīng)過讀取函數(shù)后，數(shù)據(jù)流進(jìn)入數(shù)據(jù)截取處理環(huán)節(jié)［6］。

圖2 串口的參數(shù)設(shè)置程序框圖

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與波形生成

如圖3所示，數(shù)據(jù)流從VISA讀取函數(shù)出來之后，進(jìn)入“搜索/拆分字符串”(見圖3最左邊部分)函數(shù)，用戶可自定義搜索字符串/字符。

圖3 數(shù)據(jù)分離及轉(zhuǎn)換程序框圖

圖3中的“，”，偏移量設(shè)為0，表示當(dāng)函數(shù)遇到數(shù)據(jù)流中的“，”時(shí)，從“，”后開始拆分字符串;字符串一分為二進(jìn)入截取字符串函數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)定的偏移量和截取長度來獲取所需字符串;截取后數(shù)據(jù)流入換算子VI(如圖中標(biāo)有大寫字母C的函數(shù)圖標(biāo))，將16進(jìn)制轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制，這就完成了數(shù)據(jù)的傳輸分離與轉(zhuǎn)換處理。

將經(jīng)過截取、換算之后的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間構(gòu)建成一個(gè)二維數(shù)組，再將創(chuàng)建的數(shù)組與相應(yīng)的波形函數(shù)相連，從而使數(shù)據(jù)以波形圖的形式顯示出來。

除了直接將數(shù)據(jù)模擬成波形外，還可以通過正弦波子VI對(duì)所流入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行128點(diǎn)采樣。如圖4所示，通過設(shè)置極值及其相位的方法將采樣的數(shù)據(jù)以正弦波的形式輸出，從而模擬電網(wǎng)中的交流電壓、電流。

圖4 正弦函數(shù)的生成與顯示程序框圖

在實(shí)際運(yùn)行中，生成的電壓、電流波形可能會(huì)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。如圖5所示，為了克服以上缺陷，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的實(shí)時(shí)顯示程序，其結(jié)構(gòu)主要由數(shù)組常量、簇和電壓波形、電流波形和功率波形以及電能波形的屬性節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

圖5 改進(jìn)的實(shí)時(shí)顯示程序框圖

3)電能轉(zhuǎn)換及顯示

如圖6所示，將處理后的數(shù)據(jù)輸入電能顯示系統(tǒng)。

圖6 電能轉(zhuǎn)換及顯示程序框圖

將兩臺(tái)逆變器產(chǎn)生的有功功率累加值輸入到顯示控件顯示當(dāng)前功率。將有功功率與采集時(shí)間相乘，最后不斷累加便得到了電能，并將單位J轉(zhuǎn)換成kW·h，通過顯示控件顯示為當(dāng)日電能;再將實(shí)時(shí)電能累加，通過總電能顯示控件顯示累積電能。

4)數(shù)據(jù)的保存及歷史記錄的顯示

點(diǎn)擊“停止”按鈕本系統(tǒng)應(yīng)停止采集，然后再點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕。數(shù)據(jù)保存的路徑作為歷史記錄顯示時(shí)，可提取文件的路徑。如圖7所示，這個(gè)程序與主程序不在一個(gè)界面上，而是以子VI的形式存在。

圖7 歷史數(shù)據(jù)提取程序框圖

圖中的文件路徑指定了要讀取的位置，將此路徑輸入到讀取電子表格文件VI中，在文本文件中從指定的字符偏移量開始讀取指定的行和列，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組。將此二維數(shù)組的數(shù)據(jù)流通入索引數(shù)組，設(shè)置偏移量，此時(shí)數(shù)組中表示總電能的數(shù)據(jù)將被返回，再把所得的每日總電能組成一個(gè)新的數(shù)組，加到如圖8所示的歷史數(shù)據(jù)顯示模塊中。

圖8 歷史數(shù)據(jù)顯示程序框圖

將新構(gòu)成的數(shù)組依次輸入由條件結(jié)構(gòu)嵌套的for循環(huán)中，除去數(shù)組中的0元素，保存非0數(shù)據(jù)，以構(gòu)成新的數(shù)組2(見圖8)。再構(gòu)造一個(gè)累加的for循環(huán)作為柱形圖的x軸坐標(biāo)，數(shù)組2中數(shù)據(jù)作為y軸坐標(biāo)，來代表電能累積量隨天數(shù)的變化。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于ARM和LabVIEW的光伏并網(wǎng)逆變器檢測系統(tǒng)，該平臺(tái)集數(shù)據(jù)處理、波形轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)顯示等功能為一體，準(zhǔn)確地監(jiān)測了并網(wǎng)逆變器的輸入輸出和電網(wǎng)信息?；贏RM和LabVIEW的檢測系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)功能的變更和擴(kuò)展。

在該教學(xué)平臺(tái)上開展的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力，也為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成奠定良好的基礎(chǔ)。

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