【节能学院】浅谈霍尔电流传感器在光伏发电系统中的应用与产品选型

摘要：太阳能光伏发电组件的实时检测备受关注，本文研究了基于霍尔传感器的太阳能光伏系统的检测装置。该装置主要由信号采集电路单元、数据处理单元和局域网控制器CAN总线数据传输电路单元三部分结合进行检测。实验结果表明霍尔传感器的测量精度高、范围大、响应速度快、测量方法线性度好、不受外界环境因素影响，且实现实时监测发电系统运行状态并上传数据。充分证明采用霍尔传感器的检测系统是效能高可行的。

关键词：霍尔传感器；光伏发电；CAN总线传输；实时检测

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引言

由于太阳能具有清洁、可再生的特点，我国又出台的新能源政策促使光伏产品质量与数量齐升。面临的首要问题是对光伏发电组件进行检测与维护。而光伏系统主要采用直流电源，可以依据输出端电压、电流来判断光伏组件运行状态。因此，监测光伏组件的输出端电压、电流具有重要意义。

监测系统主要是采集光伏组件输出电压、电流信号。但是，阵列中的电压、电流值较高且电池板间具有电位联系，导致目前实现直接测量比较困难。研究前期，提出一些测量方法：共模、差模、V/F转换无触点采样等方法来测量电压，但都存在精度低，线性度差，电压测量范围小，响应速度慢，不能适用于任何波形等缺点；采用直放式LEM传感器、罗氏线圈、电磁式电流互感器、TMR电流传感器、分流器或直接检测等方法来测量电流，但是存在零点漂移、破坏原有系统完整性、影响被测电流波形、绝缘难度大等问题。

因此，针对光伏发电系统的特殊性并结合目前的测量方法，采用依据霍尔效应制作的一种磁场传感器——霍尔传感器来测量光伏阵列的电压、电流；采用CAN总线，实时上传数据至上位机。设计了一种方便操作且结构简单的可以实现实时监测光伏发电组件工作状态的装置。相比于其他单一的光伏发电监测系统，它可以克服目前测量方法存在的不足。而且具有两大优势：一是可以实现同时监测发电组件的电压、电流；二是可以实现数据的实时上传。

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设计要求

太阳能光伏阵列的检测关键是对太阳能光伏阵列输出电压、电流信号的采集。但是，电池板串联数量多使得串联整组的电压、电流高，而且每个发电组件之间的电位都有一定的联系。因此，为实现实时监测光伏发电组件的工作状态并上传数据；及时定位故障点的具体位置并给出报警信号。对本检测系统的设计提出以下要求：

1）传感器装置价格低廉，绝缘度高，体积小且重量轻。

2）检测系统对工作温度检测精度应高于1%，任何波形都适用，进而提高测量效率。

3）系统电压测量范围应扩大到6400V。

4）系统采样动作的延迟时间要短且不受外界影响维持长期稳定。

5）检测系统响应速度快，线性度要达0.1%

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总体结构设计

总体监测系统如图1所示，主要由信号采集电路单元、数据处理电路单元、CAN总线数据传输电路单元、稳压电路单元、拨码开关单元和数据处理计算机7部分组成。

图1总体结构

信号采集电路单元由电压信号采集电路和电流信号采集电路组成，电压、电流信号采集电路输入电压和电流信号；CAN总线数据传输电路单元对三个电路单元传输过来的数据作处理；稳压电路单元主要是提供稳定电源。

如图2所示，信号采集电路由8个霍尔传感器组成（H1~H7为电压霍尔传感器，H8为电流霍尔传感器）。其中电压霍尔传感器H1~H6检测单块太阳能电池板电压，H7检测串联支路两端总电压，电流霍尔传感器采集太阳能光伏阵列每条支路上的电流信号。

图2信号采集电路单元结构

其中H1~H7使用+15V直流电源供电，H8使用+5V直流电源供电。电压霍尔传感器H1～H7通过接线端子J5~J11与电池板相连（图2）产生霍尔效应，得到0~5V的电压信号。将太阳能电池板输出电流导线穿过带有电流感应孔的电流霍尔传感器H8输出额定值为0~2.5伏直流电压信号。上述电压信号连接单片机U1的A/D引脚（图3），将分压电阻R101～R108（图2）放在单片机U1与霍尔传感器之间，防止感应电压过高而损坏单片机。

图3数据处理电路单元结构

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实验结果分析

为了验证设计的该系统的正确性，以一个实际由6*4维光伏阵列构成太阳能光伏系统为例。系统中共用到28个电压采集电路和5个电流采集电路。该系统共有4条支路并列运行，而且每6个太阳能电池板串联成一组构成一条支路。其中每一个太阳能电池板采用一个电压采集电路对其两端采集电压信号，每条支路也采用一个电压采集电路用来采集该条支路两端的总电压信号；每条支路需要采用一个电流采集电路来采集该条支路的电流信号，此外再安装一个电流采集电路来采集4条支路的总电流。运行结果如图6、图7所示。

图6电压、电流实时状态

图7电压、电流实时状态

实例中每块太阳能电池板额定输出电压为50V，串联后每组额定输出电压为300V。如图6（a）（b）为采用该霍尔传感器结果，（c）（d）为未使用结果图。二者比对分析充分体现该检测系统采用霍尔传感器对电压、电流的测量精度高、波动范围小。同时经由CAN总线将数据结果几乎无延时地上传至上位机，可以实时观测电压、电流数据。而（c）（d）地延时就很长。进一步采用单片机对数据进行分析处理得知每一个光伏组件的运行状态，并对每块太阳能板进行编号，可以清楚地了解光伏发电系统每个电池板的工作状态。

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安科瑞霍尔传感器产品选型

产品介绍

霍尔传感器，适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD 、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，体积小，寿命长，安装方便，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强等优点。

应用场所

适用于不间断电源（UPS）、开关电源（SMPS）、焊机、医疗器械、移动通信设备等电源供电、电梯、叉车、空调和通风设备、太阳能、风能发电、过程控制、蓄电池监控、蓄电池管理、变流器、道旁应用等系统电流信号采集和反馈控制。

应用选型案例

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结论

该系统体积小，重量轻，成本低廉可应用于未来的光伏发电系统，只需依据光伏组件的实际数量做出具体调整即可。并且证明该系统使用的传感器测量的电流、电压信号的精度高、可靠性好。因为该传感器延时短可以即时发现光伏发电系统的故障节点，更加方便工作人员及时对光伏阵列进行维护与检修，进而在保证生产成本的基础上提高了光伏发电效率。