光伏发电系统实验平台电能质量监测系统设计

李畸勇，胡 恒，王纪港，江俊贤，郭凯航，刘有强，黎远梅

（1. 广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西电力系统最优化与节能技术重点实验室，广西 南宁 530004）

光伏发电作为一种重要的发电形式，正逐步进入大规模发展阶段[1]。很多高校相继开展了光伏发电实验平台的相关研究，并将其用于实验教学当中，以此来提高学生的实践动手能力。随着一些高校对开放性实验教学方式探索与改革的进行[2]，光伏发电系统实验平台也相继对学生自由开放。此举虽能有效地提高实验教学质量，但由于学生对实验设备操作不熟练，给实验人员的安全及实验平台保护提出了新的挑战。

现有实验平台的保护功能只包括功率限制保护、孤岛保护、蓄电池充放电保护、光伏板组件短路保护[3]等形式，并没有涉及到由于逆变模块发生故障，使输出的电能质量严重下降而导致模拟负载受损的保护。本文主要以保证实验人员安全及延长光伏发电系统实验平台寿命为前提，依托广西大学能源与微电网实验室为研究背景，对基于 LabVIEW 的光伏发电系统实验平台电能质量监测系统进行了研究，提出了系统的设计实现方案。

1 光伏发电系统电能质量要求

电能质量标准是保护电器设备的根本依据，电能质量不满足要求可能会导致电器设备寿命降低甚至损坏。为了更好地指导我国光伏发电的建设与电能质量的监控治理，我国已经制定并颁布了光伏并网中的电能质量的规范标准。本文主要依据国家发布的技术规范GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》[4]作为电能质量参数标准。

2 监测系统总体设计

光伏发电系统实验平台电能质量监测系统由光伏发电系统实验平台、信号调理电路、NIcDAQ-9174数据采集卡和系统软件构成，总体结构框图如图1所示。

图1 光伏发电系统实验平台电能质量监测系统总体结构图

光伏发电系统实验平台采用LL-T017太阳能发电系统教学研究实验平台，其集光伏板、蓄电池、逆变模块及模拟负载单元等于一体。

信号调理电路（见图2）采用Altium Designer进行设计[5]，运算放大器采用 LM324[6]，能在高共模信号的条件下正常工作，且产生的静态电流极小，在大部分运行环境下，不必添加外部偏置元件即能可靠运行。在电压输出侧，采用2个稳压二极管和1个电容进行稳压滤波[7]。考虑到光伏发电系统所产生的电流的特点，电流信号通过基于闭环磁平衡原理的HCS-LTSR型霍尔电流传感器进行采集，可有效地检测出非常规形状的电流波形或脉冲，十分适合运用于光伏发电系统，后续结构和电压信号调理电路，其输出同样采用的是2个稳压二极管和1个电容进行稳压滤波。

图2 调理电路原理图

数据采集卡采用NI cDAQ-9174，其为一款4槽NI Compact DAQ USB机箱，适用于小巧便携的混合测量测试系统。cDAQ-9174拥有4个内置的32位通用计数器/定时器，用户可以通过相关的设置来实现事件计数、脉冲序列生成以及周期或频率测量等功能，其测量的数据和电压电流、数字信号，通过单根线路的USB电缆即可传输至计算机。图3为系统数据采集硬件组成图，用于对逆变而成的三相电压电流进行采集。

图3 数据采集硬件组成图

基于 LabVIEW 的系统软件则是整个系统的核心部分，实现对采集到的数据进行实时波形显示、电能质量实时分析计算以及电能质量越线警告等功能，使实验人员在电能质量符合要求的情况下接入模拟负载单元进行实验，可避免因电能质量不满足要求而导致其损坏的情况。

3 系统软件设计

3.1 软件开发平台

系统软件采用图形化编程语言 LabVIEW 进行编写[8-9]，在系统软件设计过程中，调用了 NI-DAQmx驱动软件，只需对函数选板中 DAQ助手进行采样率等参数配置即可实现数据采集；同时本文将源程序生成了可安装的应用程序，可使系统软件脱离开发环境运行，便于系统软件的发布[10]。

3.2 软件设计

软件设计过程中还考虑了后期改进过程中二次开发优化的可能性，采用子程序调用及模块化组合结构，可使软件方便扩充更新[11]。软件由数据采集模块、信号消噪模块、数据处理模块、电压偏差计算模块、频率偏差计算模块、谐波监测模块和报警模块构成，当某一参数发生越线时，软件会进行声光报警，提示实验人员及时切除模拟负载。程序设计流程图见图4。

图4 程序设计流程图

当实验人员启动监测系统后，系统进行初始化，随后开始采集信号，对采集到的信号进行消噪及还原；然后计算电压偏差波动、频率偏差以及谐波%THD。当计算结果在越线值内，则亮绿灯示意可以进行实验；如果某一计算结果达到越线值的90%时，亮黄灯预警；当超过越线值时，亮红灯警示，并发出对应该情况的语音越线报警，实验人员发现此情况应立即停止实验，切除负载单元，避免其受到损坏。

3.3 软件关键部分设计

（1）信号消噪的实现。在信号的采集过程中，由于模拟元件PN结的散粒噪声及电阻热噪声的存在[12]，会使一些高频噪声混入有用信号，会对电能质量监测产生一定影响，故本软件采用的是能够对电能质量的干扰信号进行定位和检测的db4小波去噪[13]，并利用Matlab script节点技术将LabVIEW与Matlab结合，实现小波去噪程序的编写，具体程序框图如图5所示。

（2）电压偏差计算。电压偏差又称电压偏移，是指正常工作情况下，系统中某一节点的实际电压与系统额定电压的差值[14]，电压偏差过大会降低用电设备的使用效率。电压偏差的计算式如下式：

图5 小波去噪程序框图

式中，δU为电压偏差，U0为实际电压，UN为系统额定电压。

电压偏差计算程序框图见图6。

图6 电压偏差计算程序框图

（3）频率偏差计算。频率偏差即电力系统运行的实际频率与系统额定频率的差值，频率偏移会使电动机转速产生偏移，从而导致生产次品。频率偏差的计算如下式[15]：

式中，Δf为频率偏差，f0为系统实际频率，fN为系统额定频率。

频率偏差计算程序框图如图7所示。

图7 频率偏移计算程序框图

（4）谐波%THD计算。谐波是指对周期性非正弦交流信号进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量[16]。谐波的危害性很大，会严重影响电器设备工作。这里主要讨论整数次谐波，以电压谐波分析为例说明。谐波电压的含有率HRUn的计算式如下：

式中，Un表示的是n次谐波的电压有效值，U1表示的是基波电压有效值。谐波电压含量UN，计算表达式如下：

电压总谐波畸变率THD计算如下式：

实现此功能的程序框图见图8。

图8 谐波%THD计算程序框图

4 系统运行测试

在完成上述设计后，需要对系统进行联合调试及性能测试。测试系统包括LL-T017太阳能发电系统教学研究实验平台、信号调理电路、信号采集电路以及监测软件。首先将信号调理采集电路连接至实验台逆变电源输出侧，之后开启实验平台，运行监测软件，从监测软件界面可观察到实验平台各项参数正常，无警报发生。监测系统软件界面见图 9。最后将模拟负载中的三相交流电机投入运行，可观察到电机运行稳定正常。

以上系统测试结果表明，系统各模块工作正常，可实现光伏发电系统实验平台电能质量监测功能。

经过长时间稳定测试，整个系统可靠性高，运行稳定，各项功能均达到了预期设计目的。

图9 监测系统软件界面

5 结语

目前该系统已应用于广西大学新能源与微电网实验室，大大降低了光伏发电系统实验平台中模拟负载，尤其是交流电机的损坏率，有效提高了实验教学效率，同时节省了大量的人力物力，具有良好的应用前景。针对该系统存在造价过高及系统较庞大这一缺陷，目前已经开始研制第二代产品，有望能得到进一步的推广。