本發(fā)明涉及一種電壓、電流測量設(shè)備，尤其涉及一種光伏組件電壓、電流測量設(shè)備。

背景技術(shù)：

人們對能源需求急劇增加，在化石能源日益匱乏的背景下，開發(fā)和利用太陽能等可再生能源越來越受到重視。世界各國政府紛紛把充分開發(fā)利用太陽能作為可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。太陽能光伏發(fā)電是新能源的重要組成部分，被認為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達國家均投入巨額資金競相研究開發(fā)，并積極推進產(chǎn)業(yè)化進程，大力開拓市場應(yīng)用。太陽能的利用雖然是無地域限制，隨處可得，但目前光伏發(fā)電系統(tǒng)效率偏低是光伏發(fā)電大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸，因此如何最大限度地利用光伏陣列所產(chǎn)生的能量是關(guān)鍵問題所在，光伏組件作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重要部分，對發(fā)電系統(tǒng)的工作效率和發(fā)電量都有很大影響。比如光伏組件的材質(zhì)、安放角度、表面灰塵、光照強度、環(huán)境溫度等都會不同程度地影響太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。所以，合理利用光伏組件，盡可能地提高光伏組件的發(fā)電效率，一直是光伏技術(shù)人員的重點研究方向。而對光伏組件發(fā)電效率的研究要以其實時的特性參數(shù)作為基礎(chǔ)。現(xiàn)有技術(shù)中光伏組件電壓、電流測量設(shè)備較少，價格昂貴，大部分較笨重，普及度很低，不利于光伏組件工作效率的研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對以上具體問題，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的光伏組件電壓、電流測量設(shè)備，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種光伏組件電壓、電流測量設(shè)備。光伏組件的輸出端連接電容充放電電路的輸入端，電容充放電電路的輸出端連接信號轉(zhuǎn)換電路的輸入端，信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接鉗位濾波電路的輸入端，鉗位濾波電路的輸出端連接DSP電路；DSP電路的輸出端一經(jīng)驅(qū)動電路連接電容充放電電路，DSP電路的輸出端二連接指示燈電路的輸入端，DSP電路的輸出端三連接數(shù)據(jù)存儲模塊電路的輸入端；系統(tǒng)電源電路的輸出端分別給DSP電路、驅(qū)動電路、信號轉(zhuǎn)換電路、指示燈電路、數(shù)據(jù)存儲模塊電路供電。

信號采集電路包括電容充放電電路(主電路)、驅(qū)動電路、信號轉(zhuǎn)換電路、鉗位濾波電路。

電容充放電電路由光伏組件、壓敏電阻R22、雙路繼電器S1、電容矩陣電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、放電電阻R16、放電電阻R17、開關(guān)S2、開關(guān)S3、均壓電阻R18、均壓電阻R19及電流采樣電阻R12組成。

當(dāng)DSP輸出信號讓繼電器閉合使光伏組件和電容之間電路接通，光伏組件開始對電容進行充電。光伏組件經(jīng)過壓敏電阻R22、二極管D1與電容矩陣組成回路；壓敏電阻R22用來避免過壓；金屬膜電阻R13、R14和R15起分壓作用，可以將電壓信號縮小41倍；二極管D1防止電路反接造成的不良后果；S1作為雙路繼電器，控制電容矩陣的充電與放電，利用開關(guān)S1改變接入回路的電容矩陣的容量，使設(shè)備在測量不同的電壓范圍時，電容矩陣都能有相同的充電時長；金屬膜電阻R18與R19作為均壓電阻防止因受壓不均造成的電容受損；金屬膜精密電阻R15起降壓作用，是電壓信號的采樣點；康銅絲電阻R12可以將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，是電流信號的采樣點，將0～10A的電流信號轉(zhuǎn)換為0～0.5V的電壓信號；大功率電阻R16與R17并聯(lián)組成電容矩陣的放電電阻。

驅(qū)動電路利用ULN2003芯片可以將DSP的輸出信號轉(zhuǎn)換為5V的電壓信號控制繼電器的開閉。

信號轉(zhuǎn)換電路由電壓信號轉(zhuǎn)換電路和電流信號轉(zhuǎn)換電路組成，電壓信號轉(zhuǎn)換電路由電阻R1、開關(guān)S4、電阻R4、運算放大器U1、電阻R5、運算放大器U2、電阻R2、電阻R3、運算放大器U7、開關(guān)S6組成；電流信號轉(zhuǎn)換電路由電阻R6、電阻R7、運算放大器U5、電阻R8、電阻R9、電阻R10、運算放大器U4、電阻R11組成。

信號轉(zhuǎn)換電路可以使設(shè)備在測量電流信號和不同范圍的電壓信號時都能接近滿量程地將信號傳輸給DSP系統(tǒng)，在電壓信號轉(zhuǎn)換電路中，采用金屬膜緊密電阻分壓的方式將光伏組件的電壓縮小，然后針對各個量程利用運算放大器實現(xiàn)合適的電壓增益，將分壓所得的信號放大至適合DSP芯片要求的電壓范圍。電壓調(diào)理工作由并聯(lián)的三路同相運算放大電路實現(xiàn)，測量0-120V的電壓信號時，不需要再進行信號放大，信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U7構(gòu)成的跟隨器；測量0-80V的電壓信號時，信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U2構(gòu)成的同相放大電路，增益為1.5；測量0-40V的電壓信號時，信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U1構(gòu)成的同相放大電路，增益為2.95；在電流轉(zhuǎn)換電路中電流調(diào)理工作由串聯(lián)的兩路反向放大電路實現(xiàn)，增益為5.6，用小阻值的康銅絲電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再配合兩路反向放大電路將電壓信號放大至0～3V。

鉗位濾波電路是由電阻與電容構(gòu)成的一階RC濾波電路，由電阻R20、二極管D2、二極管D3、電阻R21、電容C13組成，過濾掉異常突變的信號，鉗位濾波電路可以限制信號電平，并做一階RC濾波處理，鉗位電阻將信號限制在0-3.3V的范圍內(nèi)，以防燒壞DSP系統(tǒng)。

DSP控制系統(tǒng)單元，采用TMS320F28335DSP作為測量系統(tǒng)的控制芯片。DSP控制系統(tǒng)包括ADC模塊、繼電器和指示燈控制模塊、SD卡存儲模塊。利用DSP芯片的定時器中斷可以閉合繼電器和觸發(fā)ADC采樣。信號采集結(jié)束后，DSP停止觸發(fā)ADC采樣，并發(fā)出信號關(guān)閉繼電器使電路放電。待數(shù)據(jù)處理完畢并存入SD卡后系統(tǒng)停止，等待DSP發(fā)出下一個采集指令。DSP系統(tǒng)軟件設(shè)有中位值濾波算法和遞推平均濾波算法，中位值濾波算法是將每次采集到的5個數(shù)據(jù)排序后取中間值作為有效值；遞推平均濾波算法是將采集到的5個數(shù)據(jù)看成一個隊列，將每次采到的一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，取隊列的算術(shù)平均值作為有效值；DSP系統(tǒng)的定時器設(shè)置為3s，系統(tǒng)每3s將標(biāo)志位Start置1，Start置1后系統(tǒng)開始采集信號，采夠一定量的信號后，ADC模塊停止采樣，繼電器關(guān)閉，并將Start置0，等待下一次將Start置1；ADC模塊集成于DSP內(nèi)部，可以同時轉(zhuǎn)換兩路模擬信號；繼電器和指示燈控制模塊由DSP的定時器控制；數(shù)據(jù)存儲模塊是系統(tǒng)采集并處理完數(shù)據(jù)值后，DSP處理單元SPI(Serial Interface-串行外設(shè)接口)，將數(shù)據(jù)寫入SD卡。

本發(fā)明采用有直流+5V、-12V、+12V三路電壓輸出的蓄電池對測量系統(tǒng)進行供電。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明具有設(shè)備輕便，成本低，測量速度快、密度高，可連續(xù)不間斷測量，支持數(shù)據(jù)存儲等特點。

附圖說明

圖1為電容充放電電路電路圖；

圖2為電壓信號轉(zhuǎn)換電路電路圖；

圖3為電流信號轉(zhuǎn)換電路電路圖；

圖4為鉗位濾波電路電路圖；

圖5為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為DSP系統(tǒng)軟件部分的整體流程圖；

圖7為DSP系統(tǒng)軟件部分的采樣指令發(fā)布的流程圖；

圖8為DSP系統(tǒng)軟件部分的中位值濾波算法流程圖；

圖9為DSP系統(tǒng)軟件部分的遞推平均濾波算法流程圖；

具體實施方式

一種光伏組件電壓、電流測量設(shè)備包括信號采集電路和DSP控制系統(tǒng)。

信號采集電路包括電容充放電電路、驅(qū)動電路、信號轉(zhuǎn)換電路、鉗位濾波電路。

電容充放電電路由光伏組件、壓敏電阻R22、雙路繼電器S1、電容矩陣電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、放電電阻R16、放電電阻R17、開關(guān)S2、開關(guān)S3、均壓電阻R18、均壓電阻R19及電流采樣電阻R12組成。

信號轉(zhuǎn)換電路由電壓信號轉(zhuǎn)換電路和電流信號轉(zhuǎn)換電路組成，電壓信號轉(zhuǎn)換電路由電阻R1、開關(guān)S4、電阻R4、運算放大器U1、電阻R5、運算放大器U2、電阻R2、電阻R3、運算放大器U7、開關(guān)S6組成；電流信號轉(zhuǎn)換電路由電阻R6、電阻R7、運算放大器U5、電阻R8、電阻R9、電阻R10、運算放大器U4、電阻R11組成。

鉗位濾波電路由電阻R20、二極管D2、二極管D3、電阻R21、電容C13組成。

驅(qū)動電路由ULN2003芯片組成。

DSP控制系統(tǒng)包括ADC模塊、繼電器和指示燈控制模塊、SD卡存儲模塊，本發(fā)明采用TMS320F28335DSP作為測量系統(tǒng)的控制芯片，利用DSP芯片的定時器中斷可以閉合繼電器和觸發(fā)ADC采樣，信號采集結(jié)束后，DSP停止觸發(fā)ADC采樣，并發(fā)出信號關(guān)閉繼電器使電路放電，待數(shù)據(jù)處理完畢并存入SD卡后系統(tǒng)停止，等待DSP發(fā)出下一個采集指令。

光伏組件的輸出端連接電容充放電電路的輸入端，電容充放電電路的輸出端連接信號轉(zhuǎn)換電路的輸入端，信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接鉗位濾波電路的輸入端，鉗位濾波電路的輸出端連接DSP電路；DSP電路的輸出端一經(jīng)驅(qū)動電路連接電容充放電電路，DSP電路的輸出端二連接指示燈電路的輸入端，DSP電路的輸出端三連接數(shù)據(jù)存儲模塊電路的輸入端；系統(tǒng)電源電路的輸出端分別給DSP電路、驅(qū)動電路、信號轉(zhuǎn)換電路、指示燈電路、數(shù)據(jù)存儲模塊電路供電。

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明：

圖1示出了電容充放電電路的電路圖，當(dāng)DSP控制單元發(fā)出繼電器閉合信號時，光伏組件開始對電容充電，壓敏電阻R22用來避免過壓，金屬膜電阻R13、R14和R15的電阻為20KΩ，起分壓作用，將電壓信號縮小41倍，二極管D1防止電路反接造成的不良后果，雙路繼電器S1用來控制電容矩陣的充電與放電，開關(guān)S2和S3，改變電容矩陣的容量，金屬膜電阻R18與R19電阻為100KΩ，作為均壓電阻，防止因受壓不均造成的電容受損，康銅絲電阻R12電阻為0.05KΩ作為電流信號采樣點，當(dāng)電流信號為10A的轉(zhuǎn)換為0.5V的電壓信號；大功率電阻R16與R17并聯(lián)組成電容矩陣的放電電阻，電阻為150KΩ，電容矩陣電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12的電容都是100μF。

圖2示出了電壓信號轉(zhuǎn)換電路電路圖，如當(dāng)測量100V的電壓信號時，不需要再進行信號放大，電壓信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U7構(gòu)成的跟隨器；如當(dāng)測量60V的電壓信號時，電壓信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U2構(gòu)成的同相放大電路，增益為1.5；測量30V的電壓信號時，電壓信號轉(zhuǎn)換電路接入由運算放大器U1構(gòu)成的同相放大電路，增益為2.95，電阻R1的電阻為1KΩ，電阻R2的電阻為2KΩ，電阻R3的電阻為1KΩ，電阻R4的電阻為2KΩ，電阻R5的電阻為3.9KΩ。

圖3示出了電流信號轉(zhuǎn)換電路電路圖，電流信號轉(zhuǎn)換電路由兩路反向放大電路串聯(lián)組成，增益為5.6，電阻R6的電阻為2KΩ，電阻R7的電阻為2KΩ，電阻R1的電阻為2KΩ，電阻R8的電阻為2KΩ，電阻R9的電阻為1KΩ，電阻R10的電阻為2KΩ，電阻R11的電阻為5.6KΩ。

圖4示出鉗位濾波電路電路圖，鉗位濾波電路是由電阻與電容構(gòu)成的一階RC濾波電路，可以將異常突變的信號過濾掉，如鉗位濾波電路將信號控制為3.0V，以防燒壞DSP系統(tǒng)，電阻R20的電阻為1KΩ，電阻R21的電阻為1KΩ，電容C12為100μF，二極管D2和二極管D3為BAV100。

圖5示出系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，該測量系統(tǒng)主要由DSP控制單元、驅(qū)動電路、電容充放電電路、信號轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)通信模塊等部分組成；當(dāng)DSP控制單元發(fā)出繼電器閉合信號時，光伏組件開始對電容充電，DSP芯片通過ADC高速同步采集由信號轉(zhuǎn)換電路傳遞來的電壓電流信號。采集過程結(jié)束后，DSP芯片對采集來的數(shù)據(jù)通過中位值濾波算法和遞推平均濾波算法進行計算、篩選，將處理后的數(shù)據(jù)寫入SD卡，DSP給繼電器的信號取反，電路開始放電；電容放電結(jié)束后，系統(tǒng)重復(fù)上面的過程，繼續(xù)采集存儲下一周期的特性參數(shù)。

圖6示出DSP系統(tǒng)軟件部分的整體流程圖，DSP系統(tǒng)接到采樣指令后，所述雙路繼電器閉合，短暫延時后，ADC開始采樣。采夠一定量的電壓電流信號后，DSP系統(tǒng)發(fā)出信號關(guān)閉雙路繼電器，停止ADC采樣，對數(shù)據(jù)進行處理后將數(shù)據(jù)寫入SD卡。

圖7示出DSP系統(tǒng)軟件部分的采樣指令發(fā)布的流程圖，DSP系統(tǒng)的定時器設(shè)置為3s，系統(tǒng)每3s將標(biāo)志位Start置1，Start置1后系統(tǒng)開始采集信號，采夠一定量的信號后，ADC模塊停止采樣，繼電器關(guān)閉，并將Start置0，等待下一次將Start置1。

圖8示出DSP系統(tǒng)軟件部分的中位值濾波算法流程圖，中位值濾波算法是將每次采集到的5個數(shù)據(jù)排序后取中間值作為有效值。

圖9示出DSP系統(tǒng)軟件部分的遞推平均濾波算法流程圖，遞推平均濾波算法是將采集到的5個數(shù)據(jù)看成一個隊列，將每次采到的一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，取隊列的算術(shù)平均值作為有效值。