光伏逆變器廠商通常會向用戶提供額定功率、效率曲線、功率因數(shù)等性能參數(shù)，這些可為光伏電站的工程規(guī)劃和基礎(chǔ)建設(shè)提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)。然而，在光伏電站建成投運后，仍需監(jiān)測并分析光伏電站各項運行數(shù)據(jù)，如有功/無功功率、并網(wǎng)電能質(zhì)量、瞬時轉(zhuǎn)換效率等，從而能對系統(tǒng)進行實時故障診斷、運行調(diào)度和能量管理。

國內(nèi)外知名的光伏逆變器廠商通常會提供其自有的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，但這些系統(tǒng)主要是配合自家產(chǎn)品，其對外數(shù)據(jù)接口往往是封閉的，對于狀態(tài)參數(shù)、采集速率、分析功能等難于靈活設(shè)置和擴展。為此，另外較常使用的方法是將多通道示波器、高精度功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀等專用儀器儀表組合，構(gòu)成專用的監(jiān)測系統(tǒng)。然而，此方案的不足在于： 儀器功能單一、投資成本高，可擴展能力不強; 設(shè)備操作繁瑣、實時處理和管理能力較差，且測試數(shù)據(jù)難以存儲，不便于進行后續(xù)的處理分析。

鑒于常規(guī)監(jiān)測方案及傳統(tǒng)儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測試和監(jiān)測系統(tǒng)已逐漸引入了虛擬儀器（Virtual Instrument － VI） 技術(shù)。VI 的核心思想是“軟件就是儀器”，它將儀器分為計算機、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。VI 通過標準的數(shù)字（RS232、USB、PCI、VXI 等等） 接口將各種測量硬件或板卡連接到計算機平臺上，從而使計算機及測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源（ 如數(shù)據(jù)處理、分析、控制、存儲、顯示等） 有機結(jié)合起來，用虛擬的計算機“軟面板”代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的“硬面板”。當然，VI 的內(nèi)涵絕不僅僅是兩個面板的替換，這是一場革命，在VI 系統(tǒng)中，硬件僅僅負責信號的輸入輸出，而系統(tǒng)的開發(fā)、功能的提升，在很大層度上都要依靠軟件，軟件成為整個儀器的關(guān)鍵。

LabVIEW 是由美國NI 公司創(chuàng)立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具，它是一種圖形化的編程語言（ G 語言） ，還提供了大量的虛擬儀器和豐富的函數(shù)庫來幫助編程。

本文基于VI 技術(shù)開發(fā)了適用于功率15kW 以下的單相光伏逆變器實時性能監(jiān)測系統(tǒng)，其對于評估光伏發(fā)電系統(tǒng)性能、診斷系統(tǒng)故障具有非常重要的作用。該監(jiān)測系統(tǒng)的底層硬件主要采用高速多功能數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器及環(huán)境傳感器相結(jié)合對測試過程中的各種電氣參量和過程參量進行檢測和轉(zhuǎn)換; 而上層測控系統(tǒng)則基于工業(yè)控制計算機硬件，其中運行NI 公司LabVIEW 環(huán)境中編制的光伏逆變器虛擬儀器測控軟件。此測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)光伏逆變器測試過程中各種復(fù)雜的信號分析與顯示功能，并且擴展能力強。測試及使用效果表明，該系統(tǒng)能夠滿足光伏逆變器性能分析與實驗的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

典型的光伏并網(wǎng)逆變器，主要是太陽能光伏陣列，其輸出經(jīng)DC /DC 變換器進行最大功率跟蹤（ MPPT） ，然后經(jīng)DC /AC 變換器將能量輸送到電網(wǎng)。其中DC /DC 環(huán)節(jié)和DC /AC 環(huán)節(jié)組成了兩級式的光伏逆變器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中，待測量電氣參量主要有逆變器輸入側(cè)（ 即光伏陣列輸出） 的直流電壓VPV和電流IPV，還有輸出側(cè)的交流電壓VAV以及電流IAV。另外，還可以從逆變器中測量直流母線的電壓VDV以及電流IDV，用于評估逆變器前后級的效率。對于光伏陣列，需要測量其斜面輻照度以及工作溫度，從而可以實時分析其輸出特性曲線。采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路后通過數(shù)據(jù)采集卡輸送到上位機軟件中進行下一步的分析和處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件設(shè)計與選型

為了對各種電氣參量進行監(jiān)測，根據(jù)應(yīng)用需要，設(shè)計了以傳感器、信號調(diào)理電路、采集卡為核心的硬件采集系統(tǒng)。

（ 1） 傳感器與變送器

測量的電壓主要有直流電壓與電網(wǎng)電壓，電壓傳感器選擇宇波CHV － 25P /400 模塊，由于功率等級在15kW，因此電流傳感器選擇CHB － 50A 模塊。兩種傳感器的精度均為1%，線性度為0． 1%。

組件溫度測量用T 型熱電偶變送器，輸出信號為電流值，使用精密采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，其測量范圍－ 50℃ ～ 100℃，精度為1℃。

輻照度測量使用TBQ － 2 傳感器及變送器，范圍0 ～ 2000W/m2，精度為5%，與熱電偶一樣也需要采樣電阻進行信號變換。

（ 2） 信號調(diào)理與采集

采集卡選擇研華PCI － 1742 型多功能采集卡，其擁有16bit 采樣精度，單通道最大1Ms /s、多通道800ks /s 的采集速率，32 路單端或16 路雙端模擬輸入，輸入電壓范圍為－ 10V ～ 10V。

由于采集卡具有較高的采樣頻率，并且在實際應(yīng)用中需要分析并網(wǎng)電流的高次諧波，信號調(diào)理電路采用了截止頻率50kHz 的二階無源濾波器。為了抑制共模信號的影響，采集卡的輸入選擇雙端差分輸入的形式。

2 軟件結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

LabVIEW上位機所需完成的主要工作是對數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲，開發(fā)中采用了LabVIEW 的顯示控件及報表生成工具包，其轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量分析是程序最主要的計算部分。軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 軟件模式選擇

本監(jiān)測系統(tǒng)需要分析逆變器并網(wǎng)點處的電能質(zhì)只有采樣頻率至少是被采樣信號最高頻率的2 倍以上的時候，被采樣信號頻率才能被真實還原，通常為了更加精確，選5 ～ 10 倍左右。同時，軟件還需要兼顧被采集信號的分析、顯示與存儲。因此最終選擇將數(shù)據(jù)采集和處理同步進行的并行軟件結(jié)構(gòu)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW 具有多種程序并行處理的實現(xiàn)方式，這里考慮主/從模式和生產(chǎn)者/消費者模式。其中所不同的是生產(chǎn)者/消費者模式多出了一個FIFO 的機制，主要是避免在使用主/從模式時讀取數(shù)據(jù)率小于寫入數(shù)據(jù)時會發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失。采用FIFO 可以作為數(shù)據(jù)的緩存，根據(jù)實際情況在兩種模式之間進行選擇。

由于采集頻率較高，而CPU 同時需要參與數(shù)據(jù)的處理過程，因此不能讓CPU 響應(yīng)每次的采集，所以選擇DMA（ 直接內(nèi)存存?。?方式。在這種方式下的CPU 不會參與到每次的采集過程中，而會直接將采集的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中，僅當數(shù)據(jù)存儲到一定數(shù)量的時候才會向CPU 發(fā)出中斷申請，這樣可以大幅度降低CPU 負擔，能更加及時得處理其它程序部分。

研華PCI － 1742 型采集卡內(nèi)部有DMA 處理器，軟件實現(xiàn)時，首先創(chuàng)建一個FIFO 空間，其大小為設(shè)定一次采集點數(shù)的兩倍。將整個FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當1#空間才滿時，給從循環(huán)發(fā)送信號，當從循環(huán)取出1#空間的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果放在2#空間，然后反過來。若保證數(shù)據(jù)分析的時間小于一次采集的時間，則不會發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。

采集的數(shù)據(jù)都是首先存在緩存中的，然后在每次發(fā)送FIFO 半滿或者全滿信號的時候才會傳到LabVIEW 主程序中。

因此，基于以上考慮，最后選擇的是主/從模式的基本結(jié)構(gòu)?；究蚣苋鐖D3 所示。

圖3 主從模式基本框架

2.2 信號采集模塊

為了保證采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性及程序運行的可靠性，采集部分的程序的運行時間需較為精確，不至于產(chǎn)生時間上的累計誤差。循環(huán)時間間隔定為1s。

同時，為了所得數(shù)據(jù)的連續(xù)性，不能在循環(huán)體內(nèi)使用延時。因此為了保證循環(huán)體能夠按照精確時間間隔進行循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)只保留采集的部分，將所有的設(shè)置移到循環(huán)體外。同時需要注意由于采集卡硬件的原因，采樣頻率并不能隨便選取，需要設(shè)定能被10M 所整除的采樣頻率，不然所設(shè)定的采樣頻率和真實的采樣頻率會有偏差，造成時間上的偏差。

主循環(huán)體內(nèi)程序如圖4 所示。主要的設(shè)置已經(jīng)放置在循環(huán)外，在圖中未顯示。這款采集卡使用的通信方式為事件，即當FIFO 為半滿或全滿的時候向CPU 發(fā)送事件，CPU 響應(yīng)之后取出FIFO 的數(shù)據(jù)，然后開始下一輪的采集。

圖4 采集部分程序

最終運行結(jié)果顯示，在較長時間里，主循環(huán)都能精確保證1000ms 的循環(huán)間隔。

2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

逆變器輸出的波形質(zhì)量是對光伏逆變器性能評估的一個重要組成部分。對于光伏并網(wǎng)逆變器，輸出的波形質(zhì)量需要滿足一定的并網(wǎng)標準。

由于輸出的電壓是電網(wǎng)電壓，所以主要關(guān)注的是輸出并網(wǎng)電流的一些特性還有逆變器的效率。

首先是對并網(wǎng)電流的諧波分析。采用的方式一般為快速傅里葉變換（ FFT） 。FFT 變換是DFT（ 離散

傅里葉） 變換的快速算法。DFT 的公式為：

式中x（ n） 是采樣值; N 是采樣點數(shù)。

使用FFT 變換的時候有三種固有的效應(yīng)會造成結(jié)果產(chǎn)生誤差，分別是頻譜混疊、柵欄與泄露效應(yīng)。

頻譜混疊主要是因為采樣頻率太低，被采樣信號的最高頻率2 倍大于奈奎斯特頻率所產(chǎn)生的結(jié)果，在所得的頻譜中會產(chǎn)生假頻的成分，對于真實的信號成分造成影響，從而產(chǎn)生誤差。在實際中，我們選擇較高的采樣頻率，并且在信號輸入部分加入了信號調(diào)理部分即抗混疊濾波器，這樣可以有效減少頻譜混疊帶來的影響。

柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的原因是由于得到的頻譜是離散化的，并非連續(xù)的。而相鄰兩個頻點的頻率間隔如下：

Δf = 1 /T （ 2）

式中T 為一次采集的時間。對于我們所選取的1s，則相鄰兩個頻點間的差為1Hz，即為所有的整數(shù)頻率點，但是在大多數(shù)時候我們所需要分析的頻率點并不是正好分布在這些離散的頻率點上的，而是在這些點之間，比如電網(wǎng)的頻率會在50Hz 附近波動，從而無法觀測到真實頻點的能量。解決方法可以是加長采樣時間，但系統(tǒng)實時性降低，故一般采用的方法為特定的插值算法。

頻譜泄露的主要現(xiàn)象是由于采樣頻率并不是被測信號的整數(shù)倍的時候，則信號的能量會擴散到整個頻譜上。產(chǎn)生原因是由于我們采樣的點數(shù)是有限的，DFT 變換會將隱性得將采樣點在整個周期內(nèi)進行延拓，如圖5 所示。當采樣周期不是信號頻率的整數(shù)倍時，在延拓時的邊緣部分會產(chǎn)生階躍，這個階躍的頻譜是分布在整個頻譜上的。

圖5 DFT 變換中的周期延拓

因此可以得到非同步采樣是造成柵欄效應(yīng)和頻譜泄露的根本原因。本系統(tǒng)通過對采集得到的數(shù)據(jù)加窗來抑制頻譜泄露所造成的影響。

對于電能質(zhì)量分析，一般選用余弦窗函數(shù)。不同的窗函數(shù)的選擇原則一般為： 如果測試信號含有多個頻率分量，頻譜表現(xiàn)得十分復(fù)雜，且測試的目的更多關(guān)注頻率而非能量的大小。在這種情況下一般選擇主瓣較窄的窗函數(shù)，Hanning 窗是一個很好的選擇。如果測試目的更多關(guān)注某周期信號頻率點的能量值，那么其幅度的準確性則更加的重要，可以選擇一個主瓣稍寬的窗，這種情況下flattop 窗是一個很好的選擇。

而如果既想兼顧測量多個頻率點，又想使不同頻率點有較高精度的能量顯示，則需要權(quán)衡主瓣和旁瓣的寬度，選擇較合適的窗函數(shù)。

在本次測試中，權(quán)衡幅值精度和頻率點精度后我們選擇使用Blackman 窗，其表達式為：

式中RM（ n） 為矩形窗函數(shù)。一般使用窗函數(shù)后對幅值會有影響，所以需要對使用窗函數(shù)之后信號的幅值進行校正，選擇的校正公式為：

信號的分析除了輸出波形質(zhì)量的分析之外，還有THD 計算，輸出功率及逆變器效率分析。計算公式為：

輸出有功功率計算公式為：

即直接將采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)相乘。式中N 為計算的總點數(shù); T 為采集N 點所需要的時間; uk和ik為同一時刻對應(yīng)的采集值。

功率因數(shù)計算為所得有功功率除以視在功率，視在功率為輸出電壓電流交流均方根值的乘積，即：

實得的功率因數(shù)略小于1，是因為輸出存在的諧波的影響。逆變器總效率使用輸出的有功功率除以輸入的直流功率即可。

2.4 數(shù)據(jù)顯示與存儲模塊

LabVIEW 最大的特點體現(xiàn)在其圖形化的編程方式上，因此能夠非常方便的進行圖形的顯示。

數(shù)據(jù)存儲的模塊使用LabVIEW 的報表生成模塊包，它提供了與Microsoft Office 軟件的接口，可以將生成的數(shù)據(jù)直接存儲在Word 或者Excel 中。同時在存儲時可以直接通過軟件加入各種圖形，使數(shù)據(jù)的表現(xiàn)更加豐富。軟件中數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)的方式與LabVIEW 代碼如圖6 與圖7 所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲的基本模式

圖7 數(shù)據(jù)存儲模塊程序

最后得到的存儲效果如圖8 所示。存儲數(shù)據(jù)主要是直流電壓電流平均值與交流電流電壓有效值。同時有存儲此值的時間，根據(jù)需要，軟件可以任意增加所需要存儲的數(shù)據(jù)量。

圖8 數(shù)據(jù)存儲的結(jié)果顯示

3 系統(tǒng)實驗效果

實驗所使用的硬件平臺如圖9 所示。由光伏模擬器、光伏逆變器、數(shù)據(jù)采集模塊，還有工控機所組成。實驗所使用的逆變器為SMA 公司Sunny Boy 型額定功率5000W 的單相光伏并網(wǎng)逆變器。使用Chroma 光伏模擬器根據(jù)EN50530 標準產(chǎn)生光伏組件特性曲線，參數(shù)為輻照度1000W/m2，峰值功率2500W，與逆變器匹配。

在上位機軟件系統(tǒng)中，系統(tǒng)前面板的主選項卡如圖10 所示。主選項卡顯示輸入與輸出電流電壓的直流值與有效值。并顯示逆變器效率還有當前的系統(tǒng)時間。同時可以擴展顯示輻照度。

圖9 系統(tǒng)硬件實驗平臺

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)主窗口

在選項卡外有基本參數(shù)的設(shè)定，主要是采樣頻率和需顯示的諧波次數(shù)，采樣頻率我們默認單通道100kHz，這樣可以采集到開關(guān)頻率次的諧波，而需顯示的諧波數(shù)在后面的選項卡中會產(chǎn)生作用。

然后交流波形的選項卡顯示前1s 的輸出交流電壓電流波形。同時包括基頻、有功功率、功率因數(shù)等電能參數(shù)的顯示。電能質(zhì)量分析模塊顯示如圖11 所示。分析目標可選擇所采集的所有四個量，交流可以觀察其諧波，而直流可以觀察其紋波大小。圖11 是所分析信號的整個頻率，極限在奈奎斯特頻率處，而下圖為一些低次諧波的含量顯示，同時圖形顯示對于真實值不夠清晰，還提供了各次諧波含量精確值的查詢。

圖11 電能質(zhì)量分析選項卡

最后的是光伏直流側(cè)的逐秒顯示，主要是針對動態(tài)光照下的測試，如圖12 所示。由于光照的變化是一個長時間的過程，所以我們需要針對長時間下光照變化下逆變器MPPT 的能力，實時檢測實際光伏板的輸出特性變化是不可能的，但可以使用光伏模擬器模擬相對嚴苛光照變化條件下的逆變器MPPT能力，比如圖10 顯示的就是10 分鐘內(nèi)光照在300W/m2 到1000W/m2 快速往復(fù)變化時逆變器直流側(cè)的電壓電流，可以從得到的數(shù)據(jù)中分析出光伏逆變器動態(tài)MPPT 的性能，可以認為當逆變器接實際光伏板時的性能與此時相似的。

圖12 動態(tài)光照下直流側(cè)逐秒數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

利用LabVIEW 軟件以及研華PCI － 1742 采集卡以及LabVIEW 強大的功能，完成了整套的光伏并網(wǎng)逆變器監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)根據(jù)實際情況選擇使用主/從模式，達到了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的同步，通過軟件的優(yōu)化實現(xiàn)了精確的循環(huán)時間結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)分析從并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量、功率、效率等出發(fā)全面展示了逆變器性能的各個方面。數(shù)據(jù)存儲方面直接與Excel 相連，使存儲的數(shù)據(jù)更加易于閱讀與后續(xù)處理。

整個系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準確顯示逆變器當前工作狀態(tài)，并且有較高的可擴展性，通過增加采集的信號還能夠加入溫度、輻照度等信息的顯示與分析，瞬時數(shù)據(jù)和長時數(shù)據(jù)的存儲可以方便之后所需要的擴展分析。同時系統(tǒng)本身與所使用的逆變器無關(guān)，更換所使用的逆變器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)不需要進行大幅修改。軟件的維護和升級都非常方便。適用于不同工況下的光伏逆變器狀態(tài)監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

責任編輯：gt