摘要：太陽能光伏發(fā)電組件的實(shí)時(shí)檢測備受關(guān)注，本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)檢測

0引言

由于太陽能具有清潔、無污染、可再生的特點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)；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(diǎn)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(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)。設(shè)計(jì)了一種方便操作且結(jié)構(gòu)簡單的可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測發(fā)電組件的電壓、電流；二是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

1設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)電組件之間的電位都有一定的聯(lián)系。因此，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)間定位故障點(diǎn)的具體位置并給出報(bào)警信號。對本檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下要求：

1）傳感器裝置價(jià)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(shí)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(jì)

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(jì)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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)USB接口可以使用計(jì)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(xiǎn)F1和F2組成。U6可以實(shí)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(shí)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?yàn)樵摱O管把電路中過高的電壓可以控制在一個(gè)安全范圍內(nèi)。保險(xiǎn)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(gè)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(gè)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(gè)開關(guān)觸點(diǎn)，生成一個(gè)8位2進(jìn)制數(shù)，即一個(gè)檢測系統(tǒng)的站號，每個(gè)單獨(dú)的電壓、電流檢測系統(tǒng)在CAN總線中相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(xiǎn)F1和保險(xiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測光伏組件運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)檢測流程。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)的正確性，以一個(gè)實(shí)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(gè)電壓采集電路和5個(gè)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(gè)太陽能電池板串聯(lián)成一組構(gòu)成一條支路。其中每一個(gè)太陽能電池板采用一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)時(shí)狀態(tài)

圖7電壓、電流實(shí)時(shí)狀態(tài)

實(shí)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(shí)經(jīng)由CAN總線將數(shù)據(jù)結(jié)果幾乎無延時(shí)地上傳至上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)觀測電壓、電流數(shù)據(jù)。而（c）（d）地延時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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?yàn)樵搨鞲衅餮訒r(shí)短可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障節(jié)點(diǎn)，更加方便工作人員及時(shí)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。