摘要：太陽能光伏發(fā)電組件的實時檢測備受關(guān)注，本文設(shè)計了基于霍爾傳感器的太陽能光伏系統(tǒng)的檢測裝置。該裝置主要由信號采集電路單元、數(shù)據(jù)處理單元和局域網(wǎng)控制器（ControllerAreaNetwork簡稱CAN）總線數(shù)據(jù)傳輸電路單元三部分結(jié)合進(jìn)行檢測。實驗結(jié)果表明霍爾傳感器的測量精度高、范圍大、響應(yīng)速度快、測量方法線性度好、不受外界環(huán)境因素影響，且實現(xiàn)實時監(jiān)測發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并上傳數(shù)據(jù)。充分證明本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)是高效可行的。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；光伏發(fā)電；CAN總線傳輸；實時檢測

0引言

由于太陽能具有清潔、無污染、可再生的特點，我國又出臺的新能源政策促使光伏產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量齊升。面臨的首要問題是對光伏發(fā)電組件進(jìn)行檢測與維護(hù)。而光伏系統(tǒng)主要采用直流電源，可以依據(jù)輸出端電壓、電流來判斷光伏組件運(yùn)行狀態(tài)。因此，監(jiān)測光伏組件的輸出端電壓、電流具有重要意義。

監(jiān)測系統(tǒng)主要是采集光伏組件輸出電壓、電流信號。但是，陣列中的電壓、電流值較高且電池板間具有電位聯(lián)系，導(dǎo)致目前實現(xiàn)直接測量比較困難。研究前期，提出一些測量方法：共模、差模、V/F轉(zhuǎn)換無觸點采樣等方法來測量電壓，但都存在精度低，線性度差，電壓測量范圍小，響應(yīng)速度慢，不能適用于任何波形等缺點；采用直放式LEM傳感器、羅氏線圈、電磁式電流互感器、TMR電流傳感器、分流器或直接檢測等方法來測量電流，但是存在零點漂移、破壞原有系統(tǒng)完整性、影響被測電流波形、絕緣難度大等問題。

因此，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的特殊性并結(jié)合目前的測量方法，采用依據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器—霍爾傳感器[5]來測量光伏陣列的電壓、電流；采用CAN總線[6-7]，實時上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)。設(shè)計了一種方便操作且結(jié)構(gòu)簡單的可以實現(xiàn)實時監(jiān)測光伏發(fā)電組件工作狀態(tài)的裝置。相比于其他單一的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)，它可以克服目前測量方法存在的不足。而且具有兩大優(yōu)勢：一是可以實現(xiàn)同時監(jiān)測發(fā)電組件的電壓、電流；二是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時上傳。

1設(shè)計要求

太陽能光伏陣列的檢測關(guān)鍵是對太陽能光伏陣列輸出電壓、電流信號的采集。但是，電池板串聯(lián)數(shù)量多使得串聯(lián)整組的電壓、電流高，而且每個發(fā)電組件之間的電位都有一定的聯(lián)系。因此，為實現(xiàn)實時監(jiān)測光伏發(fā)電組件的工作狀態(tài)并上傳數(shù)據(jù)；第一時間定位故障點的具體位置并給出報警信號。對本檢測系統(tǒng)的設(shè)計提出以下要求：

1）傳感器裝置價格低廉，絕緣度高，體積小且重量輕。

2）檢測系統(tǒng)對工作溫度檢測精度應(yīng)高于1%，任何波形都適用，進(jìn)而提高測量效率。

3）系統(tǒng)電壓測量范圍應(yīng)擴(kuò)大到6400V。

4）系統(tǒng)采樣動作的延遲時間要短且不受外界影響維持長期穩(wěn)定。

5）檢測系統(tǒng)響應(yīng)速度快，線性度要達(dá)0.1%

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要由信號采集電路單元、數(shù)據(jù)處理電路單元、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路單元、穩(wěn)壓電路單元、撥碼開關(guān)單元和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)7部分組成。

圖1總體結(jié)構(gòu)

信號采集電路單元由電壓信號采集電路和電流信號采集電路組成，電壓、電流信號采集電路輸入電壓和電流信號；CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路單元對三個電路單元傳輸過來的數(shù)據(jù)作處理；穩(wěn)壓電路單元主要是提供穩(wěn)定電源。

2.1信號采集電路單元結(jié)構(gòu)

如圖2所示，信號采集電路由8個霍爾傳感器組成（H1~H7為電壓霍爾傳感器，H8為電流霍爾傳感器）。其中電壓霍爾傳感器H1~H6檢測單塊太陽能電池板電壓，H7檢測串聯(lián)支路兩端總電壓，電流霍爾傳感器采集太陽能光伏陣列每條支路上的電流信號。

圖2信號采集電路單元結(jié)構(gòu)

其中H1~H7使用+15V直流電源供電，H8使用+5V直流電源供電。電壓霍爾傳感器H1～H7通過接線端子J5~J11與電池板相連（圖2）產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，得到0~5V的電壓信號。將太陽能電池板輸出電流導(dǎo)線穿過帶有電流感應(yīng)孔的電流霍爾傳感器H8輸出額定值為0~2.5伏直流電壓信號。上述電壓信號連接單片機(jī)U1的A/D引腳（圖3），將分壓電阻R101～R108（圖2）放在單片機(jī)U1與霍爾傳感器之間，防止感應(yīng)電壓過高而損壞單片機(jī)。

圖3數(shù)據(jù)處理電路單元結(jié)構(gòu)

2.2數(shù)據(jù)處理電路單元結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)處理電路由單片機(jī)U1（PIC18F25K80）、電阻R28、電阻R1、電阻R5、電容C1～C3、電容C10、晶振Y1、LED燈L2、接線端子J1等構(gòu)成。將外部+24V直流電源通過穩(wěn)壓電路單元接入接線端子J2的一端，接線端子J2另一端與電源芯片MC7805和MC7815相連，MC7805將24V電源轉(zhuǎn)化為+5V，MC7815將24V電源轉(zhuǎn)化為+15V；+5V直流電源用于為單片機(jī)和電流霍爾傳感器供電，+15V直流電源用于為電壓霍爾傳感器供電，而電源部分為通用電路。

單片機(jī)U1內(nèi)部A/D模塊對接收到的霍爾傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部模塊按照如下公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和相應(yīng)分析處理。

被測電壓=（（ad結(jié)果采樣）*基準(zhǔn)）/AD位數(shù)，8位AD位數(shù)=256

被測電流=（（ad結(jié)果采樣）*基準(zhǔn)）/AD位數(shù)，8位AD位數(shù)=256

該算法得到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)存儲至單片機(jī)U1的內(nèi)部寄存器，再由其內(nèi)部的ECAN模塊將檢測結(jié)果輸出給CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路單元；數(shù)據(jù)處理電路單元中的LED指示燈L2會閃爍時單片機(jī)處于工作狀態(tài)；接線端子J1是編程線，通過連接計算機(jī)USB接口可以使用計算機(jī)下載、編寫和運(yùn)行調(diào)試單片機(jī)U1的相關(guān)程序。

2.3CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路單元結(jié)構(gòu)

CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路（圖4）由通訊收發(fā)芯片U6（TJA1040）、分壓電阻R2和R3、共模濾波電感L3、CAN總線濾波放大電路（圖5）、瞬態(tài)抑制二極管Z1和Z2、保險F1和F2組成。U6可以實現(xiàn)CAN總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，U6的1號引腳（TX）和4號管腳（RX）用來實現(xiàn)與U1之間的數(shù)據(jù)交互。分壓電阻R2、R3連接在U6和U1之間是為了保護(hù)電路。通訊收發(fā)芯片U6的6號和7號管腳為CAN總線數(shù)據(jù)連接引腳，在它們外部連接抗感擾的共模濾波電感L3。如圖5所示，該電路將輸入信號進(jìn)行濾波、放大，然后采用CAN總線傳輸電路傳送信號。

圖4CAN總線傳輸電路結(jié)構(gòu)

限壓型的過電壓保護(hù)器件瞬態(tài)抑制二極管Z1和Z2，可以保護(hù)后續(xù)電路結(jié)構(gòu)的正常使用，因為該二極管把電路中過高的電壓可以控制在一個安全范圍內(nèi)。保險F1和F2主要是保護(hù)電路中的其他所有電子元件，以防外部電路中過高的電壓輸入該電路。CAN總線的OCANH、OCANL端子與接線端子J2相連接，用來執(zhí)行和上位機(jī)之間的通訊操作。

通過撥碼開關(guān)設(shè)置每個基于霍爾傳感器的太陽能光伏發(fā)電檢測系統(tǒng)的站號，撥碼開關(guān)的每一位與單片機(jī)U1的21號~28號I/O引腳相連。每一位有開、關(guān)兩種狀態(tài)，手動向上撥即為開向單片機(jī)寫1，手動向下?lián)芗礊殛P(guān)向單片機(jī)寫0，撥碼開關(guān)的輸出相當(dāng)于一個8位2進(jìn)制數(shù)，即00000000－11111111，手動調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)的8個開關(guān)觸點，生成一個8位2進(jìn)制數(shù)，即一個檢測系統(tǒng)的站號，每個單獨(dú)的電壓、電流檢測系統(tǒng)在CAN總線中相當(dāng)于一個節(jié)點，每個節(jié)點都具有自己的站號，可以用來準(zhǔn)確識別總線系統(tǒng)里的每一個節(jié)點。

2.4CAN總線濾波放大電路

CAN總線濾波放大電路（圖5）由電容C6～C8、電阻R10～R13構(gòu)成。

圖5濾波放大電路結(jié)構(gòu)

上述數(shù)據(jù)傳輸電路單元得到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)經(jīng)過分壓電阻R2和分壓電阻R3流向通訊收發(fā)芯片U6，通訊收發(fā)芯片U6自帶CAN總線通訊協(xié)議，在接收到單片機(jī)U1傳輸?shù)碾妷簲?shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)信號流向共模濾波電感L3，濾除掉信號中的干擾成分，并經(jīng)過電阻R12和電阻R13的分壓保護(hù)，經(jīng)過瞬態(tài)抑制二極管Z1和瞬態(tài)抑制二極管Z2后流向保險F1和保險F2，最終通過接線端子J2和外部CAN總線相連，并通過CAN總線將測量得到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)上傳至實時監(jiān)測光伏組件運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，完成整個檢測流程。

3實驗結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計的該系統(tǒng)的正確性，以一個實際由6*4維光伏陣列構(gòu)成太陽能光伏系統(tǒng)為例。系統(tǒng)中共用到28個電壓采集電路和5個電流采集電路。該系統(tǒng)共有4條支路并列運(yùn)行，而且每6個太陽能電池板串聯(lián)成一組構(gòu)成一條支路。其中每一個太陽能電池板采用一個電壓采集電路對其兩端采集電壓信號，每條支路也采用一個電壓采集電路用來采集該條支路兩端的總電壓信號；每條支路需要采用一個電流采集電路來采集該條支路的電流信號，此外再安裝一個電流采集電路來采集4條支路的總電流。運(yùn)行結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6電壓、電流實時狀態(tài)

圖7電壓、電流實時狀態(tài)

實例中每塊太陽能電池板額定輸出電壓為50V，串聯(lián)后每組額定輸出電壓為300V。如圖6（a）（b）為采用該霍爾傳感器結(jié)果，（c）（d）為未使用結(jié)果圖。二者比對分析充分體現(xiàn)該檢測系統(tǒng)采用霍爾傳感器對電壓、電流的測量精度高、波動范圍小。同時經(jīng)由CAN總線將數(shù)據(jù)結(jié)果幾乎無延時地上傳至上位機(jī)，可以實時觀測電壓、電流數(shù)據(jù)。而（c）（d）地延時就很長。進(jìn)一步采用單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得知每一個光伏組件的運(yùn)行狀態(tài)，并對每塊太陽能板進(jìn)行編號，可以清楚地了解光伏發(fā)電系統(tǒng)每個電池板的工作狀態(tài)。

4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

4.2產(chǎn)品選型

4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表3

4.2.4直流漏電流傳感器

表4

5結(jié)論

該系統(tǒng)體積小，重量輕，成本低廉可應(yīng)用于未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)，只需依據(jù)光伏組件的實際數(shù)量做出具體調(diào)整即可。并且證明該系統(tǒng)使用的傳感器測量的電流、電壓信號的精度高、可靠性好。因為該傳感器延時短可以即時發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障節(jié)點，更加方便工作人員及時對光伏陣列進(jìn)行維護(hù)與檢修，進(jìn)而在保證生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上提高了光伏發(fā)電效率。