摘 要

在环境污染和能源短缺问题逐渐突出的今天，作为最具潜力的可再生清洁能源之一——太阳能逐渐引起了人们的关注和重视。太阳能是一种安全性高、储能多、分布广和可再生的清洁能源，是取代传统化石能源的最佳选择。目前光伏发电等绿色能源得到了世界各国的重视和运用，然而光伏电站的建设环境一般较为恶劣和偏远，长时间的风吹日晒雨淋等不可避免的会使光伏组件发生一些故障，导致电站的输出功率降低。因此在光伏电站中引入在线监测与故障诊断系统是十分必要的。

本文设计的光伏电站在线监测和故障诊断系统运用了LabVIEW虚拟仪器技术，能够实现对光伏组件进行实时在线监测和故障诊断的功能。首先阐述了本文的研究背景和意义，介绍了国内外光伏发电技术和监测系统的发展现状，确定了所研究的基本内容和目标。接着对光伏电站在线监测系统进行总体设计，包括光伏发电系统概述、总体需求分析和系统的设计构架等部分。其次对本文所研究的监测系统进行硬件和软件的设计，硬件部分主要有各传感器的选型，信号调理电路的介绍，数据采集卡和通讯方案的设计；软件部分主要有LabVIEW的简介，信号采集基础，功能设计和人机交互页面的设计。然后对电站设备常见的故障进行研究和分析，选取了天津德普机电公司模拟光伏阵列的实验数据来验证监测参数与故障间的关系。最后总结了本文的研究成果，对存在不足需要完善的部分提出了修改意见和指明了下一步应该研究的方向。

研究结果表明本文设计的光伏电站监测系统能够实现光伏电站的监测，参数实时显示和波形显示，同时能够对系统采集的数据进行存储和查询等功能，便于确定发生故障原因和位置，实现电站的在线监测和故障诊断功能。

关键词：光伏电站；LabVIEW；在线监测；故障诊断

Abstract

Today, environmental pollution and energy shortages have become increasingly prominent. As one of the most promising renewable clean energy sources, solar energy has gradually attracted people's more attention. Solar energy is a kind of clean energy with high safety, energy storage, wide distribution and renewable energy. It is the best choice for replacing traditional fossil energy. At present, green energy such as photovoltaic power generation has received attention and application from all countries in the world. However, the construction environment of photovoltaic power plants is generally rather harsh and remote, long-term wind sun rain will inevitably cause some failure in power stations. The output power is reduced. Therefore, it is necessary to introduce on-line monitoring and fault diagnosis systems in photovoltaic power plants.

The on-line monitoring and fault diagnosis system of photovoltaic power plant designed in this paper uses LabVIEW virtual instrument technology to realize real-time online monitoring and fault diagnosis of photovoltaic modules. Firstly, the background and significance of this paper are expounded, the development status of it and monitoring system are introduced, Then the overall design of power plant, the analysis of the overall demand, the design framework of the system. Secondly, the hardware and software are designed for the monitoring system studied in this paper. The hardware part mainly includes the selection of each sensor, the design of data acquisition card; the software part mainly includes the introduction of LabVIEW, signal acquisition. Basic, functional design of software and design of human-computer interaction pages. Then the common faults of the power station equipment were studied and analyzed. The experimental data of the analog PV array of Tianjin Depu Mechatronics Co., Ltd. was selected to verify the relationship between the monitoring parameters and the fault. Finally, the results of this paper are summarized, some suggestions for improvement and research directions are put forward for those parts that need to be improved.

The results show that the photovoltaic power plant monitoring system designed in this paper can basically realize the real-time and waveform display of the monitoring parameters of the PV power plant. At the same time, it can store and query the data collected by the system, it is easy to determine the cause and location of the fault. Realize the online monitoring and fault diagnosis functions of the power station.

Key words: photovoltaic power station; LabVIEW; on-line monitoring; fault diagnosis.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2课题相关技术国内外发展现状 1

1.2.1光伏发电技术的研究现状 1

1.2.2国内外监测系统的研究现状 3

1.3研究的基本内容和目标 3

第2章 系统的总体设计 5

2.1光伏发电系统概述 5

2.1.1光伏发电系统的构成 5

2.1.2光伏发电系统的分类 6

2.2系统的总体需求分析 7

2.3系统的设计构架 8

2.4本章小结 8

第3章 系统硬件设计 9

3.1硬件的总体设计 9

3.2传感器的选择 9

3.2.1总辐照度传感器 9

3.2.2温度传感器 10

3.2.3直流电流传感器 11

3.2.4直流电压传感器 12

3.3信号调理电路 12

3.4数据采集卡的设计 13

3.41 PCI-6221的安装和测试 13

3.42 PCI-6221简介 13

3.4通讯方案的设计 14

3.5本章小节 14

第4章 系统软件设计 15

4.1 LabVIEW软件简介 15

4.1.1 LabVIEW的功能 15

4.1.2 LabVIEW的特点 15

4.1.3 LabVIEW的应用 16

4.2信号采集基础 16

4.3 PC机的功能设计与操作流程 17

4.3.1 PC机软件的功能设计 17

4.3.2 PC机软件的操作流程 17

4.4 人机操作界面设计 18

4.4.1图形显示界面 18

4.4.2数据查询界面 18

4.5本章小节 19

第5章 故障诊断的研究 20

5.1电站设备常见的故障 20

5.2常见故障分析 20

5.2.1光伏阵列故障分析 20

5.2.2逆变器故障分析 21

5.3 监测参数与故障间的关系 22

5.3.1实验来源和内容 22

5.3.2电流、电压与故障间的关系分析 23

5.3.3组件温度、辐照度与故障间的关系分析 27

5.4计算和故障诊断功能的实现 29

5.5本章小结 29

第6章 总结和展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

致 谢 33

附录A图形显示页面程序框图 34

附录B数据存储查询界面 35

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

能源是向自然界提供能量转化的物质，是经济发展和人类生活所必需的物质基础^[1]。能源短缺和环境污染的问题逐渐严重，传统化石能源的消耗，加剧了能源枯竭的同时对环境造成了严重污染，充分利用太阳能等绿色能源已成为全球共识，世界各国大力发展绿色可再生能源，加大开发利用，促进人类和自然的可持续发展。太阳能具有安全性高、零排放、分布广泛储能大和可再生等优点，太阳能是最理想的可再生新能源，越来越受到人们的重视，成为取代传统化石能源的最佳选择^[2,3]。

近年来各国对光伏发电的研究和实践表明它的可行性和使用价值，一些在光伏领域较为重视的国家如美国、日本等都已制定符合本国国情的光伏发电规划^[4]。我国政府为改变对传统能源依赖的现状，实施光伏发电精准扶贫等项目，大力提倡使用可再生能源，改变现有的能源消费结构。我国是一个幅员辽阔，太阳辐照非常广阔的国家，地理环境差异较大，对于那些盆地山区海岛等环境复杂的地貌不宜铺设电线等设备，供电非常困难^[5]。对于这些特殊地区的供电问题，目前可采用较为理想的供电方式是光伏电站供电，因此对光伏发电的研究有重大意义。

随着太阳能产业的飞速发展，在光伏电站急剧增长的同时，也暴露了较多的问题，主要有：（1）较多的光伏电站并网困难；（2）相关的技术不成熟；（3）建设施工经验和专业人才比较欠缺；（4）电站的监测运行维护技术比较落后等问题。因此想要合理高效地利用太阳能，需要对电站的各个参数进行实时在线监测，满足不同环境下电站稳定工作的需求，实现无人看守的目标。这就需要一套与电站相配套且比较合理的光伏电站监测系统^[6]。因此，开发一种高稳定性、能够对电站的各个参数的实时获取和监测、有效维护光伏电站运行的监测系统是至关重要的。

1.2 课题相关技术国内外发展现状

目前，大力发展新型能源非常紧迫，新型可再生能源为工业化、城市化和现代提供了决定性的保障。查阅相关资料可以发现，在现有再生能源中，光伏发电和风力发电这两种是最受欢迎和发展最快的，随着光伏发电产业的不断推进，作为保障光伏发电系统安全运行的监测系统，也随之迅速发展。

1.2.1 光伏发电技术的研究现状

太阳能发电作为一种朝阳产业，不仅具备广阔的经济前景，而且随着向产业化的不断转变，对技术人才的大量需求，提供了更多的就业岗位和机会^[7]。太阳能光伏发电技术对世界各国经济起到了越来越大的影响。基于其良好的经济前景，世界大部分国家已经关注并着手开展相关技术的研究^[8]。离网型光伏发电系统是将光伏电站产生的电能存放在锂电池组等蓄电装置中，在需要的时候蓄电装置里的电能输出供给负载。离网型光伏发电系统结构如图1-1所示。目前太阳能光伏利用的主要研究方向是光伏并网发电系统，工作过程为：电池板光伏阵列将太阳能转换为直流电能，然后由并网逆变器逆变为与所并电网电压幅值、频率、相序都相匹配的交流电，于并网点并入电网。光伏并网发电系统结构如图1-2所示。

图1-1 离网型光伏发电系统

图1-2 并网型光伏发电系统

基于太阳能发电良好的经济前景和环保效应，世界大部分国家已经关注这项新型技术并制定了一系列的长期规划，增加资金和人员投入以推动其发展。

日本以其发达的电力电子技术大力发展光伏技术，成为了世界上光伏市场最大的国家，截至2010年光伏发电装机容量就达5GW，占全球产量一半以上；美、英、日、德、荷等国的光伏企业产品出口额超过了世界贸易总额的80%^[9]；欧盟通过发行可再生能源白皮书和拟定的“起飞运动”计划等措施来促进欧洲光伏产业的发展，截至2010年也达到了3GW左右的总装机容量^[10]；而在发展中国家中，印度的光伏产业较为领先，年产量达到10MW，政府还出台了许多优惠政策以扶持产业的发展^[11]。光伏产业发达国家在大量出口光伏产品，同时也在本国建立了较多数量的光伏电站。例如在Grete岛上，希腊能源部和美国Amoco/Enron Solar公司建立了50MW的光伏电站^[12]，2011年2月美国First Solar公司完成了建设世界上最大光伏电站的工程，装机容量为97MW，太阳电池组件全部采用碲化镉非晶硅。

近几年，发达国家的光伏技术研究重心由偏远山区的离网系统转移到了小型光伏并网系统的开发研究，特别是“屋顶光伏并网系统”的研究，在很多发达国家中得到了大范围的推广和应用，光伏并网系统以其发电功率大、太阳能利用率高和缓解能源紧张等优势向大规模商业化发展，将逐步成为工业电力系统的主要组成部分^[13]。

综上所述，国内外对光伏发电技术的研究工作从未停止，而且取得了很大的进步，在人们的生活中得到了一定程度的应用，光伏行业也取得了跨越式的发展。随着人类对燃料能源的短缺和环保越来越重视，以太阳能等绿色新能源将会成为今后的主流发展方向。

1.2.2 国内外监测系统的研究现状

光伏电站技术飞速发展的同时推动了电站监测技术的发展，1990年前后，国外一些科技先进的国家对监测系统有较多的研究，此时欧美国家基本上有比较完善的思路。国外对监测系统研究的总体特征是：偏重于系统控制和并网型研究，忽略了系统维护管理和独立运行电站的研究。每次研究并不是从整个系统出发，而是为了解决具体的问题而进行的部分研究，没有采集和分析全部的系统数据量。迄今为止，国外影响力较大的几次研究有^[14，15]：

在90年代初，美国电力科学研究院对7个光伏电站做了相关的实验研究，做的工作有：电站的数据采集和分类，故障信息，错误操作原因分析和研究，监测时整体费用的估算，研究所得结论和系统设计方案推荐等。1995年美国可再生能源实验室（NREL）对2座并网光伏电站进行了研究，采集分析了相关数据得出了环境条件和电气参数间的关系。2000年以后，为了获得不同地理位置的监测点数据，NREL在世界范围内建立了相关监测设备。获得光伏电站所在位置的光照强度，风速风向，环境温度和发电信息等数据^[16]。该公司建立的数据库和光伏产品制造商达成合作协议，得到了大多数的光伏产品性能指标和信息参数，并且不断地更新数据，为光伏行业的相关人员提供了可参考数据与技术支持。

日本东京大学1999年对独立离网型光伏电站系统的应用进行了评价研究。主要做了：电池板输出不匹配导致的损失，系统运行引起的损失，蓄电池的充放电损失，蓄电池在不同环境条件下充放电深度等研究。

近年来我国也慢慢的重视电站监测技术相关的研究，同时也带动了一批生产监测的企业。研究该方面的有中科院电工所、合工大和天津十八所等科研机构和学校。合工大使用VB语言和数据库开发了基于WINDOWS平台的光伏发电监测系统。中科院电工所结合LabVIEW技术研发了一款风/光互补型的电站监测系统，采集和监测的数据存储在IC卡中。

1.3 研究的基本内容和目标

本文在光伏电站设计和运维设计基础之上，分析光伏发电系统监测和诊断功能性要求，在掌握光伏电站故障诊断技术及相关理论方法的基础之上，建立光伏电站监测参数与故障之间的关系，进行在线监测与故障诊断系统的功能性设计，实现电站监测的目的。

光伏电站监测系统主要由采集模块、通信模块和监测模块等部分组成。使用LabVIEW软件对光伏电站系统的监测界面进行开发设计。系统监测的环境参数有太阳辐照度、光伏组件的温度以及电气参数光伏组件阵列输出的直流电压和电流。传感器采集到的辐照度电流电压等参数，经信号调节器调节处理后，接入到接线盒，再通过电缆输送至数据采集卡中，RS485可实现在线监测中心与数据采集卡之间的数据通信。对采集的数据处理后，在监测页面上显示出被测参量的值和波形变化，同时将传感器采集到的数据存储到数据库对应的文件中。监测系统的结构如图1-3所示。

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