摘要：太陽能光伏發(fā)電組件的實(shí)時(shí)檢測備受關(guān)注，本文研究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)。充分證明采用霍爾傳感器的檢測系統(tǒng)是高效可行的。

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——霍爾傳感器來測量光伏陣列的電壓、電流;采用CAN總線，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);及時(shí)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。

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)

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

霍爾傳感器，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，體積小，壽命長，安裝方便，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)等優(yōu)點(diǎn)。

4.2應(yīng)用場所

適用于不間斷電源(UPS)、開關(guān)電源(SMPS)、焊機(jī)、醫(yī)療器械、移動通信設(shè)備等電源供電、電梯、叉車、空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備、太陽能、風(fēng)能發(fā)電、過程控制、蓄電池監(jiān)控、蓄電池管理、變流器、道旁應(yīng)用等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

4.3應(yīng)用選型案例

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。

審核編輯：湯梓紅