摘要：光伏系統是利用太陽電池組件和其他輔助設備將太陽能轉換成電能并進行一定應用的系統。近來，各種新型的光伏系統被不斷設計投產。本文主要介紹通用光伏系統測試平臺的設計方法。
　　
　　光伏系統是利用太陽電池組件和其他輔助設備將太陽能轉換成電能并進行一定應用的系統。近來，各種新型的光伏系統被不斷設計投產。為優化和提高系統性能和穩定性，工程師在設計這些系統的過程中需要額外設計系統測試方案對其性能和實際運行效果進行測試，如采集和記錄充放電效率、運行功率、實時太陽能電池板功率等數據。不同的工程師在設計系統時若采用不同的數據測試方案，這將可能會導致項目管理混亂和引起不必要的重復設計，而實際上光伏應用系統有著許多的共性，測試過程中所需要的參數具有一定的重復性，因此可以設計一種具有一定擴展能力的通用光伏系統測試平臺，測試常用光伏系統參數并兼容一些額外的參數和計算，以簡化和統一測試標準，縮短系統設計周期。
　　
　　1、系統基本結構和功能
　　
　　圖1是通用光伏系統測試平臺的基本結構模型，光伏應用系統將通過一定的通信機制將測試參量發送給PC監控端。PC監控端通過良好的交互界面將所接收到的數據反饋給工程師。　　
　　一般光伏系統拓撲結構如圖2所示，主要由四部分組成。一般光伏組件為太陽能電池板，儲能組件為蓄電池、鋰電池等儲能設備；主控制器為單片機、DSP等控制芯片電路；功能組件根據不同的應用可以是LED照明燈、電機等，它是整個系統中主要的耗電部分。
　　
　　在光伏系統的測試過程中，工程師通過了解各個部件的運行參數來獲取系統運行狀況。按照光伏應用系統的拓撲結構圖，需要從各個組件中獲取的基本測試參數有：光伏陣列端電壓Vp和輸出電流Ip，儲能組件的端電壓Vb和輸入輸出電流Ib，功能組件的輸入電壓Vf和輸入電流If。
　　
　　由于系統應用的不同，一些具體的設計實例需要添加額外的測試參量，如在有些系統中需要使用Buck和Boost等電路對光伏陣列的輸出電壓進行調節，需要額外測試變壓之后的輸出電壓和輸出電流。同時系統還需要能直接顯示例如光伏陣列輸入功率等參數計算結果，這些參數會由于系統的差異性不同而變化，因此，所設計的通用系統還需要有能力進行擴張并獲取類似的測試參量。
　　
　　使系統具有通用性的根本手段是使其有一套標準的數據交互協議和無需修改就可以查看各個系統以上所有參數信息的PC端用戶交互界面。
　　
　　2、數據交互協議
　　
　　為了讓通用測試平臺能夠應用于不同的光伏系統，需要制定一套通信傳輸協議規范上傳的數據包格式，使監控界面程序能夠正常讀取和解析所有光伏系統上傳的數據。
　　
　　PC端監控程序和光伏應用系統需通過標準的數據包進行交互。一個完整的交互數據包如圖3所示，由起始標志單元、命令單元、CRC校驗單元、結束標志單元四部分組成。
　　　　交互包中各單元詳細說明如下：
　　
　　起始標志單元：1B長度，表示一個完整數據包起始標志，固定ASCII字符‘X’（0x58）。
　　
　　命令單元：由命令控制頭和命令體兩部分組成。命令控制頭由協議版本號、總包數、包序號、命令編號、設備編號、命令體長度8個字段組成，共11B長度。命令體的解析方法和實際長度由控制部分的“命令編號”字段和“命令體長度”確定。命令單元的組成格式見圖4。　　
　　校驗單元：針對協議中的“命令單元”進行校驗（從“命令單元”的*個字節計算到zui后一個字節），采用CCITT推薦的16位的X16+X12+X5+1（0x1021），生成2B的CRC校驗和（低字節在前，高字節在后）。
　　
　　結束標志單元：1B長度，表示一個完整數據包（分組）起始標志，固定為ASCII字符‘X’（0x58）。
　　
　　命令編號：命令的惟一標識詳見表1。編號0x10～0x15表示的是基本的測試參數，0x20～0xFF作為擴展的命令編號，用來進行編號額外的測試參數，其中0x58已用作起始和結束標志，所以0x58不參與作為擴展命令的使用。　　
　　設備編號：所測試光伏應用系統的惟一標識。低字節在前，高字節在后。例如編號為0x12345678的系統，4B移動電源編號排列順序為：0x78，0x56，0x34，0x12。設備未使用前，設備編號統一默認為0。
　　
　　總包數：如果一條命令需要分多包發送，該字段表示對應命令需要發送的總包數，取值范圍為：1～255；
　　
　　包序號：當前包的序號，取值范圍由1至總包數；
　　
　　命令體長度：命令體字段的實際長度（以字節為單位）。規定0x10到0x15的基本測試參數的命令體長度為4B，其他的擴展參數的命令體長度視具體情況而定；
　　
　　命令數據：長度、解析方式由命令控制頭的“命令體長度”和“命令編號”確定。
　　
　　3、PC監控端軟件的設計
　　
　　PC監控端軟件主要由數據接收模塊、數據分析模塊、數據存儲模塊、顯示模塊組成。它的結構如圖5所示。　　
　　圖中，數據接收模塊通過串口、網絡設備等通信組件接收光伏系統傳送上來的數據流，通過分析是否存在數據包起始和結束標志，將數據包從中分離出來，并以隊列形式放入內存緩沖區中。
　　
　　內存緩沖區中維護著兩個數據隊列，這兩個隊列輪流負責存儲數據和被讀取分析的工作。當程序剛開始執行的時候，兩隊列為空，數據接收模塊先往其中的一個隊列存入數據包。當達到隊列所能存儲的數據包zui大個數值時，認定該隊列已滿，并將該隊列送入數據分析模塊，由數據分析模塊讀取和分析隊列數據包。同時數據接收模塊獲取另一個隊列地址，并將數據包存入該隊列中，當該隊列存滿時，無論數據分析模塊是否已經分析完，程序應釋放分析模塊占用隊列中的數據包，并將空隊列提供給接收模塊，而將新的滿隊列提供給分析模塊進行分析，這樣可以讓數據得到及時更新，使主程序可以盡快地獲取光伏系統的測試參數。　　
　　這些操作由三個獨立的線程完成，其中兩個線程分別進行數據存儲和數據分析操作，其運行流程圖分別如圖6和圖7，還有個線程專門負責隊列的切換和隊列中數據包的釋放操作。其運行流程圖如圖8所示。　　
　　數據存儲模塊負責在用戶發送存儲指令之后，存儲用戶需要保存的相關測試數據。用戶顯示界面如圖9所示，其通過界面下方的顯示窗口直接向用戶顯示這些參數的實時信息，同時用戶還可以通過添加參數和計算顯示中的自定義公式來定義新的測試參數和公式形式，并將其直接顯示在界面的右下角。用戶通過在顯示數據菜單中選擇需要以圖像進行顯示的參數使程序可以在其上方的窗口中繪制相關參數的分時圖像。工程師可通過它了解數據不同時段的相關性，如太陽能電池板輸出功率及電路轉換效率等在不同時間的轉變過程，這對工程師分析系統性能有很大的幫助。
　　
　　4、結果和應用實例
　　
　　該系統已經應用于一些光伏系統的設計當中，圖9所示的即是一種太陽能路燈系統在早上9時43分時的運行狀況，工程師可以通過其直接觀察系統當前運行狀況，并發現是否存在問題。
　　
　　5、結語
　　
　　由以上的分析和實踐可知，本文通過編寫標準的PC端測試終端和規定光伏系統測試參量數據上傳的格式，所設計的一套通用光伏系統測試平臺可以直觀地觀測光伏系統測試參量，避免工程師的重復設計和進行繁雜的測試工作，提高工作效率，縮短設計周期。該系統具有很高的實際應用價值。