光伏并网逆变检测系统实验教学平台设计

时间：2024-05-22

王卫，刘鸿鹏，吴辉

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

随着新能源技术的发展，光伏并网逆变系统的检测及监控成为了实验教学的重点［1-3］。

本文提出一种基于ARM和LabVIEW的光伏并网逆变检测系统实验教学平台(以下简称:检测系统平台)［4，5］。通过该平台的设计及应用，可以加强学生对LabVIEW编程的学习和对检测系统的操作实践能力。检测系统平台应用ARM对光伏发电单元以及电网电压电流信息进行采样，并将采样数据传入到基于LabVIEW的检测系统中，进行数据传输分离、显示、存储和调用。

1 检测系统平台的硬件设计

由图1所示，检测系统平台的硬件由两台光伏并网逆变器、数据采集板和显示系统组成。其中，信息数据通过STM32F103采集，显示界面由LabVIEW编写，数据采集板与显示系统由RS232串口线连接。

STM32控制器的电压输入范围为0～+2.5 V，但所采样的电压通常都很高，因此采样电路应该通过适当的比例变换将电压缩小到控制器可接受的范围之内。本实验平台采用差分比例运算电路，通过选取合适的阻值，将采样后的信号输入到控制器端口。如果采样的对象是电网电压，还需额外增加一个调理电路将正弦信号抬高一个电平。

图1 光伏并网检测系统结构示意图

逆变器输出电流与光伏输出电流需要进行电流采样。控制器AD仅能识别电压信号，所以必须把采样电流信号转换为电压信号。系统选用HX25-P霍尔电流传感器，转换比例为25A/4V，转换后的信号经过电压跟随器再进入控制器端口。如果采样的电流为正弦电流，则需要再经过一个调理电路将转换后的正弦电压信号抬高才能被控制器识别。

控制器每隔100 μs采样一次，采样结束后，将采样得到的数据通过RS232传入基于LabVIEW的软件平台进行数据转换及波形的处理和显示。ARM传出的数据为16进制。

2 检测系统平台的软件设计

LabVIEW是由美国国家仪器公司NI所开发的图形化程序编译平台，是公认的标准数据采集和仪器控制软件。其图形化编程语言环境简单直观，极大节省程序开发时间，可完成各种编程任务。

2.1 LabVIEW前面板设计

在此光伏并网逆变检测系统中，基于LabVIEW的前面板主界面有六个黄色按钮，分别是“主页”、“开始运行”、“停止采集”、“保存数据”、“退出程序”和“选项菜单”。

“主页”包括“光伏发电功率”、“光伏收益”、“今日电能”、“累加电能”、“今日电能实时监测波形”和“历史数据按天显示”。

“开始运行”、“停止采集”、“保存数据”和“退出程序”四个按钮行使对采集系统的控制功能。选项菜单里，有“模拟电压电流”、“三相实时功率”、“单相实时功率”、“三相实时数据”和“单相实时数据”等，这些数据都以二维波形图显示。

主界面的所有控件都可以通过属性栏设置其大小、颜色及文本。

2.2 主界面各功能实现

1)数据传送

传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI(Virtual Instrument)及函数的执行顺序。在 Lab-VIEW程序设计主界面中，用VISA串口将ARM采集到的电压、电流依次传输至基于LabVIEW的光伏显示系统中，图中的VISA配置串口函数可以根据用户需求配置参数。如图2所示，串口波特率设置为4800;奇偶校验选择的是默认方式，停止位设置为1。串口配置完成之后，数据流进入VISA串口读取函数，图中“425”是要读取的字节总量，其数值的设置由ARM采样得到的数据总字节数确定。经过读取函数后，数据流进入数据截取处理环节［6］。

图2 串口的参数设置程序框图

2)数据转换与波形生成

如图3所示，数据流从VISA读取函数出来之后，进入“搜索/拆分字符串”(见图3最左边部分)函数，用户可自定义搜索字符串/字符。

图3 数据分离及转换程序框图

图3中的“，”，偏移量设为0，表示当函数遇到数据流中的“，”时，从“，”后开始拆分字符串;字符串一分为二进入截取字符串函数，根据用户设定的偏移量和截取长度来获取所需字符串;截取后数据流入换算子VI(如图中标有大写字母C的函数图标)，将16进制转换成10进制，这就完成了数据的传输分离与转换处理。

将经过截取、换算之后的数据与系统当前时间构建成一个二维数组，再将创建的数组与相应的波形函数相连，从而使数据以波形图的形式显示出来。

除了直接将数据模拟成波形外，还可以通过正弦波子VI对所流入的数据流进行128点采样。如图4所示，通过设置极值及其相位的方法将采样的数据以正弦波的形式输出，从而模拟电网中的交流电压、电流。

图4 正弦函数的生成与显示程序框图

在实际运行中，生成的电压、电流波形可能会出现延时现象。如图5所示，为了克服以上缺陷，设计了改进的实时显示程序，其结构主要由数组常量、簇和电压波形、电流波形和功率波形以及电能波形的属性节点构成。

图5 改进的实时显示程序框图

3)电能转换及显示

如图6所示，将处理后的数据输入电能显示系统。

图6 电能转换及显示程序框图

将两台逆变器产生的有功功率累加值输入到显示控件显示当前功率。将有功功率与采集时间相乘，最后不断累加便得到了电能，并将单位J转换成kW·h，通过显示控件显示为当日电能;再将实时电能累加，通过总电能显示控件显示累积电能。

4)数据的保存及历史记录的显示

点击“停止”按钮本系统应停止采集，然后再点击“保存数据”按钮。数据保存的路径作为历史记录显示时，可提取文件的路径。如图7所示，这个程序与主程序不在一个界面上，而是以子VI的形式存在。

图7 历史数据提取程序框图

图中的文件路径指定了要读取的位置，将此路径输入到读取电子表格文件VI中，在文本文件中从指定的字符偏移量开始读取指定的行和列，并把数据转换为二维数组。将此二维数组的数据流通入索引数组，设置偏移量，此时数组中表示总电能的数据将被返回，再把所得的每日总电能组成一个新的数组，加到如图8所示的历史数据显示模块中。

图8 历史数据显示程序框图

将新构成的数组依次输入由条件结构嵌套的for循环中，除去数组中的0元素，保存非0数据，以构成新的数组2(见图8)。再构造一个累加的for循环作为柱形图的x轴坐标，数组2中数据作为y轴坐标，来代表电能累积量随天数的变化。