胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：太陽能光伏發電組件的實時檢測備受關注，本文設計了基于霍爾傳感器的太陽能光伏系統的檢測裝置。該裝置主要由信號采集電路單元、數據處理單元和局域網控制器（ControllerAreaNetwork簡稱CAN）總線數據傳輸電路單元三部分結合進行檢測。實驗結果表明霍爾傳感器的測量精度高、范圍大、響應速度快、測量方法線性度好、不受外界環境因素影響，且實現實時監測發電系統運行狀態并上傳數據。充分證明本文設計的檢測系統是高效可行的。

關鍵詞：霍爾傳感器；光伏發電；CAN總線傳輸；實時檢測

0引言

由于太陽能具有清潔、無污染、可再生的特點，我國又出臺的新能源政策促使光伏產品質量與數量齊升。面臨的首要問題是對光伏發電組件進行檢測與維護。而光伏系統主要采用直流電源，可以依據輸出端電壓、電流來判斷光伏組件運行狀態。因此，監測光伏組件的輸出端電壓、電流具有重要意義。

監測系統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系，導致目前實現直接測量比較困難。研究前期，提出一些測量方法：共模、差模、V/F轉換無觸點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，響應速度慢，不能適用于任何波形等缺點；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，但是存在零點漂移、破壞原有系統完整性、影響被測電流波形、絕緣難度大等問題。

因此，針對光伏發電系統的特殊性并結合目前的測量方法，采用依據霍爾效應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]，實時上傳數據至上位機。設計了一種方便操作且結構簡單的可以實現實時監測光伏發電組件工作狀態的裝置。相比于其他單一的光伏發電監測系統，它可以克服目前測量方法存在的不足。而且具有兩大優勢：一是可以實現同時監測發電組件的電壓、電流；二是可以實現數據的實時上傳。

1設計要求

太陽能光伏陣列的檢測關鍵是對太陽能光伏陣列輸出電壓、電流信號的采集。但是，電池板串聯數量多使得串聯整組的電壓、電流高，而且每個發電組件之間的電位都有一定的聯系。因此，為實現實時監測光伏發電組件的工作狀態并上傳數據；第一時間定位故障點的具體位置并給出報警信號。對本檢測系統的設計提出以下要求：

1）傳感器裝置價格低廉，絕緣度高，體積小且重量輕。

2）檢測系統對工作溫度檢測精度應高于1%，任何波形都適用，進而提高測量效率。

3）系統電壓測量范圍應擴大到6400V。

4）系統采樣動作的延遲時間要短且不受外界影響維持長期穩定。

5）檢測系統響應速度快，線性度要達0.1%

2總體結構設計

總體監測系統如圖1所示，主要由信號采集電路單元、數據處理電路單元、CAN總線數據傳輸電路單元、穩壓電路單元、撥碼開關單元和數據處理計算機7部分組成。

圖1總體結構

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總線數據傳輸電路單元對三個電路單元傳輸過來的數據作處理；穩壓電路單元主要是提供穩定電源。

2.1信號采集電路單元結構

如圖2所示，信號采集電路由8個霍爾傳感器組成（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構

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）產生霍爾效應，得到0~5V的電壓信號。將太陽能電池板輸出電流導線穿過帶有電流感應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U1的A/D引腳（圖3），將分壓電阻R101～R108（圖2）放在單片機U1與霍爾傳感器之間，防止感應電壓過高而損壞單片機。

圖3數據處理電路單元結構

2.2數據處理電路單元結構

數據處理電路由單片機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等構成。將外部+24V直流電源通過穩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電源轉化為+5V，MC7815將24V電源轉化為+15V；+5V直流電源用于為單片機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U1內部A/D模塊對接收到的霍爾傳感器輸出的電壓信號進行數模轉換。其內部模塊按照如下公式進行數據計算和相應分析處理。

被測電壓=（（ad結果采樣）*基準）/AD位數，8位AD位數=256

被測電流=（（ad結果采樣）*基準）/AD位數，8位AD位數=256

該算法得到的電壓數據和電流數據存儲至單片機U1的內部寄存器，再由其內部的ECAN模塊將檢測結果輸出給CAN總線數據傳輸電路單元；數據處理電路單元中的LED指示燈L2會閃爍時單片機處于工作狀態；接線端子J1是編程線，通過連接計算機USB接口可以使用計算機下載、編寫和運行調試單片機U1的相關程序。

2.3CAN總線數據傳輸電路單元結構

CAN總線數據傳輸電路（圖4）由通訊收發芯片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）、瞬態抑制二極管Z1和Z2、保險F1和F2組成。U6可以實現CAN總線協議的轉換，U6的1號引腳（TX）和4號管腳（RX）用來實現與U1之間的數據交互。分壓電阻R2、R3連接在U6和U1之間是為了保護電路。通訊收發芯片U6的6號和7號管腳為CAN總線數據連接引腳，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總線傳輸電路結構

限壓型的過電壓保護器件瞬態抑制二極管Z1和Z2，可以保護后續電路結構的正常使用，因為該二極管把電路中過高的電壓可以控制在一個安全范圍內。保險F1和F2主要是保護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，用來執行和上位機之間的通訊操作。

通過撥碼開關設置每個基于霍爾傳感器的太陽能光伏發電檢測系統的站號，撥碼開關的每一位與單片機U1的21號~28號I/O引腳相連。每一位有開、關兩種狀態，手動向上撥即為開向單片機寫1，手動向下撥即為關向單片機寫0，撥碼開關的輸出相當于一個8位2進制數，即00000000－11111111，手動調節撥碼開關的8個開關觸點，生成一個8位2進制數，即一個檢測系統的站號，每個單獨的電壓、電流檢測系統在CAN總線中相當于一個節點，每個節點都具有自己D特的站號，可以用來準確識別總線系統里的每一個節點。

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構成。

圖5濾波放大電路結構

上述數據傳輸電路單元得到的電壓數據和電流數據經過分壓電阻R2和分壓電阻R3流向通訊收發芯片U6，通訊收發芯片U6自帶CAN總線通訊協議，在接收到單片機U1傳輸的電壓數據和電流數據后對其進行通訊協議轉化，轉化后的電壓數據和電流數據信號流向共模濾波電感L3，濾除掉信號中的干擾成分，并經過電阻R12和電阻R13的分壓保護，經過瞬態抑制二極管Z1和瞬態抑制二極管Z2后流向保險F1和保險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據和電流數據上傳至實時監測光伏組件運行狀態的數據處理計算機，完成整個檢測流程。

3實驗結果分析

為了驗證設計的該系統的正確性，以一個實際由6*4維光伏陣列構成太陽能光伏系統為例。系統中共用到28個電壓采集電路和5個電流采集電路。該系統共有4條支路并列運行，而且每6個太陽能電池板串聯成一組構成一條支路。其中每一個太陽能電池板采用一個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，此外再安裝一個電流采集電路來采集4條支路的總電流。運行結果如圖6、圖7所示。

圖6電壓、電流實時狀態

圖7電壓、電流實時狀態

實例中每塊太陽能電池板額定輸出電壓為50V，串聯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果，（c）（d）為未使用結果圖。二者比對分析充分體現該檢測系統采用霍爾傳感器對電壓、電流的測量精度高、波動范圍小。同時經由CAN總線將數據結果幾乎無延時地上傳至上位機，可以實時觀測電壓、電流數據。而（c）（d）地延時就很長。進一步采用單片機對數據進行分析處理得知每一個光伏組件的運行狀態，并對每塊太陽能板進行編號，可以清楚地了解光伏發電系統每個電池板的工作狀態。

4安科瑞霍爾傳感器產品選型

4.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應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，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

4.2產品選型

4.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

表3

4.2.4直流漏電流傳感器

表4

5結論

該系統體積小，重量輕，成本低廉可應用于未來的光伏發電系統，只需依據光伏組件的實際數量做出具體調整即可。并且證明該系統使用的傳感器測量的電流、電壓信號的精度高、可靠性好。因為該傳感器延時短可以即時發現光伏發電系統的故障節點，更加方便工作人員及時對光伏陣列進行維護與檢修，進而在保證生產成本的基礎上提高了光伏發電效率。

【參考文獻】

[1] 李蓮，張曉，賈棟.基于霍爾傳感器的太陽能光伏發電檢測系統

[2] 趙書安.太陽能光伏發電及應用技術［M］.南京：東南大學出版社，2011．

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版