光伏逆變器廠商通常會向用戶提供額定功率、效率曲線、功率因數等性能參數，這些可為光伏電站的工程規劃和基礎建設提供必要的基礎參數。然而，在光伏電站建成投運后，仍需監測并分析光伏電站各項運行數據，如有功/無功功率、并網電能質量、瞬時轉換效率等，從而能對系統進行實時故障診斷、運行調度和能量管理。

國內外知名的光伏逆變器廠商通常會提供其自有的監控系統解決方案，但這些系統主要是配合自家產品，其對外數據接口往往是封閉的，對于狀態參數、采集速率、分析功能等難于靈活設置和擴展。為此，另外較常使用的方法是將多通道示波器、高精度功率分析儀、電能質量分析儀等專用儀器儀表組合，構成專用的監測系統。然而，此方案的不足在于: 儀器功能單一、投資成本高，可擴展能力不強; 設備操作繁瑣、實時處理和管理能力較差，且測試數據難以存儲，不便于進行后續的處理分析。

鑒于常規監測方案及傳統儀器儀表的諸多不足和限制，目前的測試和監測系統已逐漸引入了虛擬儀器(Virtual Instrument － VI) 技術。VI 的核心思想是“軟件就是儀器”，它將儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。VI 通過標準的數字(RS232、USB、PCI、VXI 等等) 接口將各種測量硬件或板卡連接到計算機平臺上，從而使計算機及測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源( 如數據處理、分析、控制、存儲、顯示等) 有機結合起來，用虛擬的計算機“軟面板”代替傳統儀器的“硬面板”。當然，VI 的內涵絕不僅僅是兩個面板的替換，這是一場革命，在VI 系統中，硬件僅僅負責信號的輸入輸出，而系統的開發、功能的提升，在很大層度上都要依靠軟件，軟件成為整個儀器的關鍵。

LabVIEW 是由美國NI 公司創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具，它是一種圖形化的編程語言( G 語言) ，還提供了大量的虛擬儀器和豐富的函數庫來幫助編程。

本文基于VI 技術開發了適用于功率15kW 以下的單相光伏逆變器實時性能監測系統，其對于評估光伏發電系統性能、診斷系統故障具有非常重要的作用。該監測系統的底層硬件主要采用高速多功能數據采集卡、霍爾傳感器及環境傳感器相結合對測試過程中的各種電氣參量和過程參量進行檢測和轉換; 而上層測控系統則基于工業控制計算機硬件，其中運行NI 公司LabVIEW 環境中編制的光伏逆變器虛擬儀器測控軟件。此測試系統可以實現光伏逆變器測試過程中各種復雜的信號分析與顯示功能，并且擴展能力強。測試及使用效果表明，該系統能夠滿足光伏逆變器性能分析與實驗的要求。

1 系統結構與硬件設計

1.1 系統構成

典型的光伏并網逆變器，主要是太陽能光伏陣列，其輸出經DC /DC 變換器進行最大功率跟蹤( MPPT) ，然后經DC /AC 變換器將能量輸送到電網。其中DC /DC 環節和DC /AC 環節組成了兩級式的光伏逆變器，整個系統結構如圖1 所示。

圖1 中，待測量電氣參量主要有逆變器輸入側( 即光伏陣列輸出) 的直流電壓VPV和電流IPV，還有輸出側的交流電壓VAV以及電流IAV。另外，還可以從逆變器中測量直流母線的電壓VDV以及電流IDV，用于評估逆變器前后級的效率。對于光伏陣列，需要測量其斜面輻照度以及工作溫度，從而可以實時分析其輸出特性曲線。采集得到的數據經過信號調理電路后通過數據采集卡輸送到上位機軟件中進行下一步的分析和處理。

圖1 系統結構框圖

1.2 硬件設計與選型

為了對各種電氣參量進行監測，根據應用需要，設計了以傳感器、信號調理電路、采集卡為核心的硬件采集系統。

( 1) 傳感器與變送器

測量的電壓主要有直流電壓與電網電壓，電壓傳感器選擇宇波CHV － 25P /400 模塊，由于功率等級在15kW，因此電流傳感器選擇CHB － 50A 模塊。兩種傳感器的精度均為1%，線性度為0． 1%。

組件溫度測量用T 型熱電偶變送器，輸出信號為電流值，使用精密采樣電阻將其轉換為電壓信號，其測量范圍－ 50℃ ～ 100℃，精度為1℃。

輻照度測量使用TBQ － 2 傳感器及變送器，范圍0 ～ 2000W/m2，精度為5%，與熱電偶一樣也需要采樣電阻進行信號變換。

( 2) 信號調理與采集

采集卡選擇研華PCI － 1742 型多功能采集卡，其擁有16bit 采樣精度，單通道最大1Ms /s、多通道800ks /s 的采集速率，32 路單端或16 路雙端模擬輸入，輸入電壓范圍為－ 10V ～ 10V。

由于采集卡具有較高的采樣頻率，并且在實際應用中需要分析并網電流的高次諧波，信號調理電路采用了截止頻率50kHz 的二階無源濾波器。為了抑制共模信號的影響，采集卡的輸入選擇雙端差分輸入的形式。

2 軟件結構與實現

LabVIEW上位機所需完成的主要工作是對數據顯示、分析與存儲，開發中采用了LabVIEW 的顯示控件及報表生成工具包，其轉換效率和電能質量分析是程序最主要的計算部分。軟件的基本結構如圖2 所示。

2.1 軟件模式選擇

本監測系統需要分析逆變器并網點處的電能質只有采樣頻率至少是被采樣信號最高頻率的2 倍以上的時候，被采樣信號頻率才能被真實還原，通常為了更加精確，選5 ～ 10 倍左右。同時，軟件還需要兼顧被采集信號的分析、顯示與存儲。因此最終選擇將數據采集和處理同步進行的并行軟件結構。

圖2 監測系統軟件結構

LabVIEW 具有多種程序并行處理的實現方式，這里考慮主/從模式和生產者/消費者模式。其中所不同的是生產者/消費者模式多出了一個FIFO 的機制，主要是避免在使用主/從模式時讀取數據率小于寫入數據時會發生的數據丟失。采用FIFO 可以作為數據的緩存，根據實際情況在兩種模式之間進行選擇。

由于采集頻率較高，而CPU 同時需要參與數據的處理過程，因此不能讓CPU 響應每次的采集，所以選擇DMA( 直接內存存取) 方式。在這種方式下的CPU 不會參與到每次的采集過程中，而會直接將采集的數據寫到內存中，僅當數據存儲到一定數量的時候才會向CPU 發出中斷申請，這樣可以大幅度降低CPU 負擔，能更加及時得處理其它程序部分。

研華PCI － 1742 型采集卡內部有DMA 處理器，軟件實現時，首先創建一個FIFO 空間，其大小為設定一次采集點數的兩倍。將整個FIFO 分成兩塊，分別定為1#和2#，當1#空間才滿時，給從循環發送信號，當從循環取出1#空間的數據時，數據采集的結果放在2#空間，然后反過來。若保證數據分析的時間小于一次采集的時間，則不會發生數據的丟失。