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大功率直流电源基于DSP的多功能测控仪表的设计思路解析

规划了一种以DSP作为核心部件,应用于光伏大功率直流电源配电柜中的多功用测控外表,不仅处理了电池板防反问题,不再需求另外添加防反二极管来保护光伏阵列,并且完成了大功率直流电源配电柜的电压、电流显现,以及过压保护、过流保护和短路保护等功用。
光伏大功率直流电源配电柜首要应用在大型光伏电站,将前端光伏汇流箱输出的光伏组件电源再次进行汇流后接入后端光伏并网逆变器,并供给防雷及过流保护[1]。有的大功率直流电源配电柜选用霍尔传感器能够对每路输入电流、电压进行丈量,一起能够监控断路器、防雷器状况,并经过装备RS485接口,把丈量和收集到的数据及设备状况上传至监控体系。
 
1 大功率直流电源配电柜的组成
因为不同的光伏并网发电项目,体系对大功率直流电源配电柜的功用要求不同。它能够依据客户需求进行自在装备,一般输入有6~12路,输出有1~4路,其间8进1出的最为常见,首要由图1中的几部分组成。
 光伏大功率直流电源配电柜原理图

图1  光伏大功率直流电源配电柜原理图

1.1  柜体
大功率直流电源配电柜首要安装在箱式逆变房内,柜体选用金属材料,防护等级不低于IP20,其尺度能够依据逆变器尺度进行调整。柜门一般用镀锌转轴铰链,以防门与柜体直接磕碰,并加强柜体防护等级。大功率直流电源配电柜金属框架均具有杰出的接地,柜门与柜体选用编制铜带牢靠衔接。
 
1.2  断路器
大功率直流电源配电柜的进线选用光伏专用大功率直流电源断路器,用于线路的分合闸,其额外电压不低于大功率直流电源1000V,极限分断才能不小于20kA[2]。每个大功率直流电源断路器选用固定式板前接线,柜内选用双层门结构,一切导电部件均有防护办法以防止人手触及。大功率直流电源配电柜出线不装备出线断路器,经过两段汇流母线与光伏并网逆变器衔接。
 
1.3  防反二极管模块 
防反二级管模块包含防反二极管,散热器和轴流风机。防反二极管选用模块化规划,运用其单导游通特性串联在每一回路的正极,以防止组串之间发作环流、倒灌等现象。
 
防反二极管安装在散热器上,经过衔接母排与对应的大功率直流电源断路器衔接,散热器选用铝合金原料,经过热传导发出二极管发作的热量。轴流风机经过温控开关或时控开关,合作继电器输出完成自动操控风机的起停,增强散热器的散热作用。
 
1.4  电涌保护模块 
电涌保护模块选用光伏发电体系专用的防雷产品,具有放电电流大、约束电压低一级特色。它安装在大功率直流电源输出母排上,当雷电侵入电源传输线时,该模块敏捷发动,将雷电泄放到大地,并把雷电过电压约束在答应接受的耐压规模之内,以确保光伏大功率直流电源配电柜的安全运转。
 
1.5  数据收集模块 
数据收集模块选用高性能霍尔传感器和多路模拟量输入模块,对每路输入电流和电压进行采样,经A/D变换后变成数字量。多路数字量模块收集大功率直流电源断路器及防雷器的状况,终究变换为标准的RS485数字信号输出,便利用户与监控体系衔接。
 
2 多功用测控外表 
选用防反二极管模块的方法具有结构杂乱,功率耗费大,出资本钱高级缺陷。并且防反二极管的选型至关重要,如果挑选欠好,会添加大功率直流电源配电柜的毛病率,影响光伏电站的安全运转。 
为此,自主研制的多功用测控外表,取消了防反二极管模块,不光处理了电池板防反问题,并且完成了大功率直流电源配电柜的过压保护、过流保护和短路保护等功用。本外表具有10路模拟量输入,2路开关量输入,8路继电器输出功用,并配有对外通讯接口,便利体系监控。
 
2.1  硬件规划 
多功用测控外表选用TI公司的TMS320F2808系列DSP处理器和其他外围扩展芯片等组成。首要由数据收集单元、分励脱扣操控单元和通讯单元三部分组成[3]。
 
其间数据收集单元又包含汇流排电压和各支路电流的采样、断路器及防雷器开关状况采样。经过巡回采样,判别大功率直流电源配电柜是否有毛病发作,再依据毛病类型决定是否履行断路器分励脱扣动作和是否上传报警信息。
模拟信号的收集选用电流霍尔元件,把大信号转化为弱电信号,然后经过调理电路送入DSP芯片的ADC接口[4]。关于各支路电流的采样,经过在大功率直流电源输入母排串入电流霍尔传感器来检测大功率直流电源侧电流,其采样电路如图2所示。
大功率直流电源支路电流采样电路图

电流霍尔传感器运用LEM公司的HAS 200-S/SP50产品,额外输入电流:200A,原边电流丈量规模:±900A,输出电压:±4V±40mV,电源电压:±12~±15VDC。电流霍尔传感器输出信号加上1.5V的电压偏置,经过运算扩展器扩展后,形成0~3.3V内的电压信号,确保输出电压满意AD输入信号规模。
 
 支路电流采样 
多功用测控外表配有干接点的开关量输入,其电路如图3所示。当开关S1翻开时,光电耦合器KF2的二极管侧无电流经过,三极管处于截止状况,输出OUT为低电平;当开关S1闭合时,光电耦合器KF2的二极管侧有电流经过,三极管处于导通状况,输出OUT为高电平。
这样输出OUT的高、低电平别离对应开关S1的合、分状况。此处光耦将输入、输出间彼此阻隔,具有杰出的电绝缘才能和抗干扰才能[5]。
 
开关量输入

分励脱扣操控单元的电路如图4所示。当DSP的输出端Fault输出高电平时,三极管Q1导通,Q2的基极被拉低导通,继电器K1的线圈得电,常开触点吸合,此路操控塑壳断路器的分励脱扣线圈得电,断路器发作脱扣动作;当DSP的输出端Fault输出低电平时,三极管Q1截止,Q2的基极被举高截止,继电器K1的线圈失电,常开触点断开,断路器无动作。
其间反并联二极管D1为线圈续流供给途径,残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为陡峭地耗费掉,防止损坏其他器件。
 
分励脱扣操控
2.2  程序规划 
光伏大功率直流电源配电柜的电源接通后,首要进行各项体系的初始化,发动数据收集任务,一起将数据与设定报警值进行比较,若超出规模,则依据程序规划做出相应处理。
主程序流程图成果如图5所示,由以下几部分组成:
 

主程序流程图
因为电池板毛病能够引起电流逆流,相同支路短路,反接等也会形成支路的逆流。因而,规划的操控板巡检程序用于巡检各支路电流,若发现存在逆流现象且逆流超越保护阀值,本机将该支路分励脱扣,一起将毛病上传,使体系处于安全状况。 
关于汇流排短路状况,经过判别支路电流与汇流排电压二者联系可直接给出定论。短路时支路电流存在,汇流排电压挨近零伏,由此程序判别为汇流排短路,因为短路归于极端严峻毛病,此刻本机分励脱扣悉数输入支路。相同汇流排电压呈现过压毛病时,也履行分励脱扣悉数输入支路动作。
 关于过流毛病,因为受光伏组件特性影响,即便发作短路现象,其短路电流约为(1~1.2)倍的峰值功率电流,故支路过流毛病一般不会发作,也不会形成严峻危害,因而本机程序只做报警处理,一起上传毛病信息。
 
2.3  通讯协议 
本规划运用的是MODBUS-RTU通讯协议,旨在规定本终端设备(从站)与用户总线接口单元(主站)之间的数据交换以MODBUS-RTU形式完成。协议选用异步主从半双工方法通讯,通讯由主站建议,从站接收到主站恳求后作出相应的应答。传输方法是一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则[6]。数据帧的格式如表1所示。
 
数据帧格式

下面以读取塑壳断路器(DI1)和电涌保护器(DI2)辅佐触点开关状况(功用码03)为例说明通讯功用。
 查询数据帧:此功用答应用户取得数字输入量DI的状况ON/OFF(1=ON,0=OFF),除了从机地址和功用域,数据帧还需求在数据域中包含将被读取DI的初始地址和要读取的DI数量。本规划DI的地址从0000H开端(DI1=0000H,DI2=0001H)。
 
从地址为02的从机读取DI1到DI2的状况。
 查询数据帧
呼应数据帧:呼应包含从机地址、功用码、数据长度、数据内容和CRC过错校验,数据帧中每个DI占用一位,第一个字节的最低位为寻址到DI值,其他的顺次向高位摆放,无用位为0。表3为读取数字输入状况(塑壳断路器闭合,电涌保护器断开)相应的实例。

3 经济性剖析
 多功用测控外表与防反二极管计划比较,取消了防反二极管及配套的散热器、轴流风机和时控开关等。多功用测控外表约580元,而每个防反二极管120元,每个大功率直流电源配电柜按8个计算,合计960元,配套散热器约420元,轴流风机180元,时控开关80元,单台光伏大功率直流电源配电柜的本钱能够节省近1000多元。
 
4 定论
 综上所述,多功用测控外表较好的处理了光伏大功率直流电源配电柜低本钱技术改造的需求,经济作用显著,一起完成了传统分体式多单元组合外表的各项功用。光伏电站运转及保护愈加便利,毛病率大大下降。不光下降了体系本钱,并且扩展了光伏阵列的工作电压规模,添加了体系的发电量。

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