大学毕业论文---光伏电站设计.doc

'摘要近年来由于人们对能源短缺、环境污染问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛,这也使得光伏产业在近些年发展较为迅猛。本设计针对光伏电站的现状,应用计算机技术、网络通信技术等相关技术,研究开发了一套以现场总线为骨干的太阳能光伏电站监控系统。该系统能够同时实现本地监控和远程监控功能,具有实时性好、功能全面等特点,具有很强的工程实用价值。本设计首先介绍了光伏发电技术及其监控系统的研究现状,阐述了光伏电站监控系统的组成和功能。根据实际应用的需求,选取了AVRATmega系列单片机作为该系统的控制器,进行了系统的软硬件的设计,实现了对光伏电站运行状态的实时监控,具有参数显示和设置等功能。其次,通过比较目前常用的远程通信方式,选用了GPRS无线通信方式来实现监控系统远程通信功能。并结合GPRS无线通信方式的优点,详细阐述了系统是如何利用GPRS无线通信技术构建数据通信链路与实现数据远程传输的。最后,分别给出了基于MCGS的本地监控和基于WEB的远程监控人机界面设计,并详细给出了单片机与本地上位机的通信协议——Modbus-RTU。本监控系统是通过多重窗体程序来实现人机界面的,通过不同的窗体可以实现电站的运行状态的实时显示和参数设定等功能。在实验室搭建了系统测试平台,进行了模拟调试,达到了设计的预期效果。此系统已经在实际的工程中得到应用。关键词:光伏电站;远程监控;单片机;GPRS;现场总线85 AbstractEnergyisthebasisforhumansurvival.Nowadays,energycrisisisincreasinglyserious.Solarenergy,asaninexhaustiblesupply,iscleanandrenewable.Ithasbeenpaidmoreandmoreattention.Therefore,usingphotovoltaiceffecttoconvertsolarpowertoelectricityisoneoftheimportantmethodstosolvethecurrentcrisis.Inthisthesis,thePVpowerplantmonitoringsystemisresearchedanddesignedbasedonfieldbusbyusingcomputertechnology,networkcommunicationtechnologyandrelatedtechnologies.Thesystemisabletoachievelocalandremotemonitoring,andisverypracticalforitsmultiplefunctionsandperformanceofreal-time.Firstly,theresearchstatusofphotovoltaictechnologyanditsmonitoringsystemwasintroducedinthethesis,andthenthecompositionandfunctionofthePVpowerplantmonitoringsystemwasdescribed.Accordingtotheneedsofpracticalapplication,AVRATmegaseriesmicrocontrollerswereselectedasthesystemcontrollerinthethesis.Thehardwaredesignandsoftwaredesignforthecontrollerweremainlystudied,theycouldachievereal-timedataacquisition,dataandstatedisplay,parametersettingetcal.Secondly,bycomparingwiththecurrentcommonlyusedremotemeansofcommunication,GPRSwirelesscommunicationwaschosentoachievetheremotecommunication,andhowtouseGPRStobuildadatacommunicationlinkandachieveremotedatatransmissionwasdescribedindetailbycombiningtheadvantagesofGPRS.Finally,thethesisgavethehuman-machineinterfacedesignbasedonMCGSandWEBrespectively,andcommunicationprincipleModbus-RTUbetweenthesingle-chipmicrocomputerandhostcomputer.Thehuman-machineinterfacewasachievedthroughmultipleformsprogram.Themonitoringsystemachievedreal-timedisplayingandparametersettingsandotherfunctionsindifferentforms.Inthelaboratory,thehardwaretestplatformwasbuilt.Andbytestinganddebuggingthesystem,itachievedtheexpectedeffect.Inaddition,thissystemhasbeenappliedinpracticalengineering.KEYWORDS:PVpowerplant;Remotemonitoring;Microcontroller;GPRS;Fieldbus85 目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题研究的背景11.1.1全球能源与环境问题11.1.2太阳能光伏发电产业的发展背景21.2选题依据31.2.1光伏电站监控系统的发展现状及趋势31.2.2光伏电站实现远程监控的重要意义42光伏电站监控系统设计的内容与要求52.1光伏电站监控系统设计的主要内容52.2光伏电站监控系统设计的主要功能72.3光伏电站监控系统的主要技术指标82.4课题的主要研究内容83光伏电站监控系统方案设计103.1光伏电站监控系统设计方案选择103.2系统的原理与组成133.2.1太阳能光伏发电系统的工作原理133.2.2系统原理框图153.2.3详细说明184光伏电站监控系统的硬件设计194.1核心芯片的选择194.2电源电路设计214.3实时时钟电路设计224.4串行接口与数据通信设计234.4.1I/O扩展234.4.2RS-485接口电路设计274.4.3RS-232接口电路设计284.5数据采集电路的设计314.5.1温度采集电路的设计314.5.2风速风向采集电路的设计324.5.3辐照采集电路的设计344.6数据存储3585 4.7LCD接口电路设计374.8JTAG调试接口设计385光伏电站控制系统的软件设计405.1系统软件需求分析405.2软件流程图415.3流程图分析与说明435.3.1数据采集程序设计435.3.2显示子程序445.3.3中断程序设计456上位组态监控界面设计486.1MCGS组态软件概述486.2组态过程和界面设计506.2.1组态思想506.2.2组态界面设计527通讯方案设计597.1远程通信方式的的选择597.2GPRS网络在光伏监控系统中的实现627.2.1监控系统通信数据链路的组成627.2.2GPRS模块的选择637.2.3GPRS模块功能的实现637.2.4光伏监控系统通信链路的构建658结论66参考文献68外文原文和译文71致谢87附录1：元器件明细表88附录2：程序清单8985 1绪论1.1课题研究的背景1.1.1全球能源与环境问题随着人类社会的高速发展步入到21世纪，全世界都面临着人口膨胀、环境恶化、资源枯竭三大社会压力。人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空速度消耗着地球上有限的常规化石能源。如何在不牺牲后代生存环境、经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会，这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。地球上的常规化石能源主要是煤、石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的，是自地球产生以来由太阳能转化而来并存储在地下的，它们都是存储量有限、不可再生的化石能源。人类发展开发煤、石油、天然气这些化石能源的历史不过二三百年，却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。太阳能作为一种可再生能源，每天能够到达地球表面的能量相当于几百万桶石油燃烧的能量，开发和利用这些丰富的太阳能，对环境产生很少的污染，使得太阳能成为近期急需的能源补充和未来能源结构的基础。此外，由于世界人口居住地大多比较集中，每个国家的电力发展水平也不一样。就我国而言，在中西部等偏远的山村和牧区等地方，仍然居住着大量的人口，而这些地方恰恰是电网还没有普及的区域，因此该地区人们的日常生活用电受到了一定的制约，然而这些地区的太阳能等自然资源却非常丰富。为解决目前能源紧张的问题以及那些远离市区或居住偏远地区人们的生活用电的需求，世界各国都在纷纷努力使用各种清洁能源。节约能源、发展清洁干净的新能源和可再生能源是势在必行的。在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国参议院在2008年9月16日通过了一系列减税计划，将光伏产业的减税政策延续2~6年。美国进一步提出“太阳能先导计划”，使太阳能发电以低成本的优势在2015年达到商业化竞争的水平；“太阳能发电普及行动计划”由日本政府在2008年11月发布，此次计划确定了光伏电池的价格在3~5年后降至目前的50%左右，光伏发电量在2030年达到2005年的40倍。欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。我国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000h85 以上。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源，合理利用太阳能资源对解决无电或缺电的偏远地区的用电问题具有非常重大的意义。无论是从经济的可持续发展之路，还是从环境保护以及解决能源供应的问题出发，开发和利用太阳能均具有重大而长远的战略意义。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。1.1.2太阳能光伏发电产业的发展背景随着人类社会的高速发展步入到21世纪，全世界都面临着人口膨胀、环境恶化、资源枯竭三大社会压力。人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空前速度消耗着地球上有限的常规化石能源。如何在不牺牲后代生存环境、经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会，这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。地球上的常规化石能源主要是煤、石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的，是自地球产生以来由太阳能转化而来并储在地下的，它们都是存储量有限、不可再生的化石能源。人类发展开发煤、石油、天然气这些化石能源的历史不过二三百年，却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。据联合国2001年的统计数据，目前地球上已探明的煤炭储量可以使用230年，天然气仅够使用62年左右，而石油只能够使用44年。目前全球石油储量大约130GT，年消耗约3.5GT，预计今后25中平均年消耗约5GT，加上新探发的油田,专家估计总量也不会超过200GT，石油资源在四五十年后即将枯竭。人类社会面临着严重的资源枯竭的危机。常规化石能源的燃烧会排放CO2气体，大量的CO2气体会产生温室效应，导致全球气温上升，引发一系列严重的环境问题。联合国气候变化问题小组公布的最新报告表明：目前全球的平均气温比1750年以来的标准温度升高了将近0.8℃。同时研究数据表明全球气温升高2℃后，空气中的CO2质量分数是4008×10-6，当CO2质量分数达到400×10-6水平仅需要10年时间左右。究报告同时指出我们的地球生态环境恶化相当严重，全球性的生态灾难已进入倒计时。假如我们人类再不采取有力、正确的方法措施来阻止和缓解温室气体排放，将会导致地球生命的基本生存条件继续恶化，会给人类社会的可持续发展带来不可估量的危害，如冰山溶解使海平面持续上升；异常的洋流和大气环流将会导致干旱、洪涝等自热灾害的频繁发生；耕地荒漠化现象不断加剧等。世界各国均已意识到必须采取有效措施来缓解或避免这种影响。85 1.2选题依据1.2.1光伏电站监控系统的发展现状及趋势近年来在国家鼓励政策的大力推动下，我国光伏产业发展迅速，各地都兴建了一大批光伏发电站。建设运行太阳能光伏发电系统，用户不仅需要选择先进的设备和技术，同时更重要的是要确保光伏电站系统的无故障运行。为确保光伏电站的无故障运行，这需要对光伏电站内的相关组件进行实施监控。而光伏电站通常都是建立在荒漠、高山等偏远地区，远离人烟，同时周围环境也异常恶劣，根本不适合工作人员工作值守。伴随着计算机网络通信技术及自动化技术的快速发展，光伏电站监控系统已从最初的由工作人员定期进行电站巡检发展到光伏局域网监控。2007年，国内外开始推广光伏电站网络监控系统，这使得光伏电站监控系统往智能、远程及网络方向发展。光伏电站远程网络监控系统的发展经历了三个阶段：第一阶段的光伏网络监控系统是采用现场设立服务器的形式，是点对点的实现互联网监控，用户需要记住每个电站服务器的网络地址并设立用户名和密码。该方式的缺点在于监控成本高并且管理较为麻烦。第二阶段的光伏网络监控系统是采用网络服务器转发的C/S访问模式，该方式避免现场设立电站服务器，同时也可对多个电站进行管理。但是缺点也很明显，需要等待一定时间才能查看数据，并且要求客户端不断升级来进行功能提升。同时客户端设置也较为繁琐，数据传输方式也存在一定局限性。第三阶段的光伏网络监控系统发展成为了真正意义上的监控管理平台形式，用户完全通过B/S结构进行访问，提供给习惯于进行web访问的用户更多的便利性，也不再有电站监控数量和采集形式的限制。完全实现了互联网的互联互通精神。1.2.2光伏电站实现远程监控的重要意义光伏电站大都建在无人职守的偏远地区，也比较分散，通过远程监控技术方便技术人员分析远程采集并传输过来的电站运行参数，了解光伏电站的运行状态，保证电站平稳运行，实现了对分散站点的集中远程监控，节省了大量的人力、物力和财力；因此建立光伏电站智控监控系统，实现对太阳能光伏电站的远程监控，确保光伏电站的安全可靠运行，具有十分重要的意义。根据实际需要，光伏电站监控系统应该具备以下功能:85 （1）运行数据采集采集光伏电池输出电压、电流，蓄电池电压、充放电电流、蓄电池温度，环境温度、光照强度，逆变器输出电压等参数；（2）故障诊断检测系统设备的运行状态，有设备出现故障时，能够即时发出报警信号，以便维修人员及时处理；（3）蓄电池管理根据电池的工作特性选择合适的充电方式，延长电池使用寿命；电池放电到终止电压时，立即切断用电负载，保护电池避免电池过放电；（4）数据存储将电站的运行数据存储起来，当系统发生故障时，工作人员通过查看相关数据，实现对系统运行故障进行分析处理；（5）远程监控具有远程通讯接口，以保证异地监控中心对光伏电站工作状态的远程控制。85 2光伏电站监控系统设计的内容与要求2.1光伏电站监控系统设计的主要内容通过太阳能电池，利用光伏效应将太阳能转换为电能的发电系统都是太阳能光伏发电系统。光伏发电系统虽然有各种应用对象和使用方法，而且各种发电系统规格大小各不相同，但是太阳能光伏发电系统工作原理和内部构造都基本相同。一般来说，一个太阳能光伏系统由太阳能电池组件（或太阳能电池阵列）、光伏控制器、蓄电池（或蓄电池组）、交流逆变器以及其它他附属设备构成，若需要交流电压输出，则逆变器不可缺少。本节结合太阳能光伏发电系统的构成，简要介绍应用本监控智能系统的光伏电站中的部分组件。1.太阳能电池组件太阳能电池是太阳能发电系统的不可缺少的组件，太阳能光伏电站的光电转化效率取决于它。太阳能电池本质上是一个半导体光电二极管，其吸收光能产生光致电流。目前投入应用的硅太阳能电池种类有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三大类，而应用最多的是晶体硅太阳能电池。太阳能电池组件是由一块块太阳能电池片组成的，而为了达到电力系统要求的输入电压，若干个太阳能电池以串联、并联或者二者结合的方式形成较大功率的太阳能电池方阵，从而符合电力系统要求。2．蓄电池蓄电池用于存储太阳能光伏系统产生的电能并在太阳能组件输出功率小于负载消耗功率时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求有：1)具有特殊的设计和胶体电解质保证电池寿命长。2)充电效率高，自放电率低。3)具有较好的深循环能力，深放电能力强。4)能够对不同环境具有较强的适应力，有较宽的工作温度、在高海拔地区能正常使用。5)维护要求小或者不用维护以及价格低。85 在太阳能光伏发电系统中，常用的储能电池及器件有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池及超级电容。在小型或微型发电系统中，储能设备常用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容。由于性能和成本原因，目前应用最多、使用最广泛的为免维护铅酸电池。在太阳能光伏发电系统中应用最多的是固定式阀控密封免维护铅酸蓄电池。铅酸蓄电池每2V为一个单位，可组装成2V、6V、12V等形式。3.光伏控制器太阳能发电系统的光伏控制器用于保证光伏电站正常工作，延长蓄电池使用寿命的，防止蓄电池过充电和过放电、系统短路、系统极性反接以及夜间电流反充。由于蓄电池使用寿命主要由蓄电池的循环充放电以及放电深度决定，因此通过光伏控制器控制蓄电池充电频率、充点方法和放电深度以最大程度充点的同时延长蓄电池寿命。在温差较大的地方，控制器具有温度补偿的功能。4.交流逆变器当电力系统需要交流电时，太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电通过交流逆变器转换为交流电供给电力系统使用。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统的相一致，从而满足交流电负载以及并网发电的需要。按照光伏发电系统是否并网来分，光伏逆变器可分为离网型逆变器和并网型逆变器。离网型逆变器用于独立运行、离网的太阳能发电系统，为独立的负载供电，发电系统不接入电网，而并网型逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，给电网供电。逆变器作为光伏发电系统的电力转换的重要组成部分，为保证太阳能光伏发电系统具有较高的可靠性和安全性，逆变器应该具有如下保护功能：欠压保护、过电流保护、短路保护、极性反接保护、雷电保护。5.光伏发电系统附属设施光伏发电系统附属设施有配电系统，监控和状态监测系统，防雷击系统和避雷针等设备。光伏发电系统附属设施更加完善了光伏电站功能，同时保证了太阳能光伏电站的正常运行。2.2光伏电站监控系统设计的主要功能光伏并网发电系统需要监测的状态量有:电网电压幅值、电网频率、锁相、直流电压幅值、系统温度、驱动电流、直流电流、驱动电源、控制电源等。当这些状态量都正常时,才表明系统是处于正常工作状态。85 光伏并网发电系统需要采集的数据有:光伏电池瞬时输出电压、光伏电池瞬时输出电流、并网各相电压、并网各相电流、系统温度、系统的启停状态、电网频率、光伏并网系统当日发电量、光伏并网系统累计发电量、风向、风速、辐照、环境温度,这些数据有的是采集的来的原始量,有的是经过原始量计算得来的。根据实际需要,光伏电站监控系统具备以下功能:(1)数据显示实时显示光伏电池阵列的输出电压电流、并网电压电流、逆变电压电流、并网功率、总功率因数、电网频率、逆变效率、环境温度等。(2)故障监测实时监测太阳能光伏并网发电站的运行状态,当电站有故障时,监控系统立即发出报警信号,及时通知电站管理人员及时处理。(3)绘制曲线可以绘制每天的太阳辐射强度曲线、风速变化曲线、光电池发电参数曲线、逆变器的电压-电流曲线、功率-时间曲线。(4)数据管理能够将太阳能光伏发电站的运行数据存储起来,当光伏电站发生故障时,可将存储的电站运行数据传送给远程监控中心,方便管理人员进行故障分析,做出相应的处理。此外还包括历史数据存储、数据导出等。(5)本地监控为方便现场检修人员,需要在现场及时显示电站的运行状况。(6)远程监控具有远程通信端口,能够让远程监控中心及时了解太阳能光伏电站的运行状态,并能够远程控制,即具有遥测、遥控、遥信、遥调功能。(7)密码管理系统采用二级密码管理,系统管理员拥有最高管理权。2.3光伏电站监控系统的主要技术指标(1)10MW光伏电站(2)数据采集、响应时间：≤20ms(3)控制命令回答响应时间:≤10ms(4)联合控制有功功率执行周期3s～3min（可调）(5)全系统MTBF＞30000h85 (6)全计算机MTBF＞30000h(7)可利用率：计算机监控系统可利用率≥99.99%(8)可维护性：具备硬件的代换能力、软件可通过便携机维护。(9)安全性：操作安全性、通信安全性、硬件软件的安全性。如用户对图形、打印报表等格式，内容均可在线修改、生成，这种修改要求有一定的用户级别及权限。(10)可扩性：在功能、配置、通信接口等方面均有很强的扩展能力。(11)开放性：系统采用国际标准的开放性规约。(12)可变性：设备的参数和结构配置易于实现改变。2.4课题的主要研究内容本系统的设计结构采用的是一种分层分布式的开放型结构。该系统主要由太阳能光伏电站的监控单元和远程监控中心构成,其中太阳能光伏电站的监控单元主要是在本地完成光伏电站的监控,而远程监测控制中心主要是完成多个太阳能发电站的远程监控。该监控系统不需要较高的实时性,但是有很多的耗时较多的I/O操作,例如串行通信、数据的存储和査询等。而这些操作并不适合DSP来完成,因此用来实现系统监控功能是另外一个单片机。由于光伏电池电压、光伏电池输出电流、电网电压、并网电流^数据在DSP控制过程中也同样需要使用,所以这些数据的监测由DSP完成,该监控系统所要采集的该类数据均由DSP传送给它。不同的设备具有不同的组成结构和工作原理,与中央处理器的连接方式也是不一样的。也就是说不同处理器之间交换数据的是一项复杂的工作。对于多处理器系统之间的信息交换,系统的复杂程度有信息交换的方式决定。信息交换的方式有并行接口模式、串行接口模式、共享内存模式、共享总线模式。在这个系统中,双处理器只需要交换DSP所采集到的一些数据和一些简单的命令。这两个处理器之间交换的数据量不大、信息交换的频率也不高,所以DSP与AVR单片机之间采用串行数据通信模式,这种模式占用资源最少、实现最为简单。监控系统的结构如图2-1所示。85 图2-1监控系统结构框图控制器的外围需要扩展有LCD显示器接口、RS-232接口、RS-485接口、以及非易失存储器等等。LCD显示器采用占用的I/O口较多并接口连接,但是它的速度比较快;单片机至少需要有2个串行通讯口才能使用RS-232和RS-485接口。在小型的嵌入式系统中访问频率不会很大,而只有断电后内容不会丢失的存储器才能保存历史数据,所以可以按照页面或者块访问方式来保存历史数据。串行总线非易失存储器只需占用单片机2-3个I/O口(视采用2线还是3线器件)。为了简化用软件实现的位流操作,节省CPU开销,所选的单片机最好具有I2C或SPI总线接口。85 3光伏电站监控系统方案设计目前,远程监控设计越来越多的是以单片机为核心的监控装置。单片机自20世纪70年代问世以来,以其价格低廉、集成度高,系统结构简单、可靠性高、处理能力强、开发较为容易、速度快、低功耗、抗干扰能力强、环境要求低、扩展灵活等优点广泛应用在航空航天、家用电器、仪器仪表等领域。单片机已经在我们的生活中无处不在。嵌入式系统的设计既涉及到硬件电路设计又涉及到底层的软件设计,硬件平台设计是系统设计的基础,因此,本章对硬件平台设计进行了详细的分析及阐述。该平台的设计包括整体结构设计,核心处理器的分析以及外围电路设计。本章在此基础上对系统的硬件部分进行设计，包括控制芯片的选择及其外围电路、系统参数采集电路等的设计。3.1光伏电站监控系统设计方案选择(1)光伏电站监控系统的结构分析考虑到光伏电站用途的差异性以及光伏电站所在地的周边环境恶劣等因素，通用型光伏电站监控系统采用了站内监测结构加远程监控结构相结合的分层分布开放式结构，即单个电站内配备一个站内监测系统，多个电站可共享一个远程监控中心系统，其中单个电站监测的总体结构框图如图3-1所示。从图中可看出最底层为分布式采集模块，主要测量电站内的相关量，底层与中间层之间利用RS-485总线进行通讯；中间层为站内监控计算机，主要进行模块的参数定义设置和所采集量的画面显示以实现人机交互，中间层与上层之间通讯在正常情况下采用光纤网络，当电站处于无光纤网络覆盖的地方时则在空缺地带利用无线传输方式进行中转通讯至有光纤地带；最上层即远程监控中心，方便工作人员实时在线观测所得的光伏电站的运行情况。（2）光伏电站监控系统硬件的整体结构85 控制器采用性价比高、使用方便的AVR单片机,它对系统运行状态进行参数采集和监控,保证供电系统能在长期无人值守的情况下可靠的运行,配以输入输出、显示控制等外围电路,组成一个实用控制系统。控制系统使用的单片机都是ATmega系列的,这不仅使设计的硬件电路能够通用,而且缩短了整个控制系统的开发周期,体现了控制系统的统一性和通用性。图3-1通用型光伏电站监控系统构造框图在太阳能光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池是系统的电源部件，控制器和逆变器是系统两个核心能量传递控制部件。所以各部件的工作状态直接影响了整个光伏发电系统的工作状态。整个硬件系统可以分为三个部分:监控器、数据集中器、远程传输模块。监控器的的硬件电路可分为几个模块:模拟量输入、复位电路、输入输出控制、外部数据存储器、LCD液晶显示器、时钟芯片、串行通讯接口芯片等,这几个模块组合起来实现了控制器的功能。控制器外接配置的16MFLASH用来存储光伏电站的控制参数及故障信息、16KBEEPROM作为光伏电站系统运行申数的动态内存。监控器和数据集中器都设计了J1AG接口,通过该接口可以进行审片机的在线仿真。数据集中器主要作用是通过RS-485接口对各个子站自动轮询,记录在线设备,通过配备的液晶屏显示出轮询结果,把采集到的数据进行汇总后经远程传输给上位机。远程传输方式釆用的是GPRS传输模式,使用的是MD-109G无线传输模块,它通过RS-232与数据集中器相连。控制系统硬件的组成结构如图3-2所示。85 图3-2控制系统硬件结构图3.2系统的原理与组成3.2.1太阳能光伏发电系统的工作原理1光伏电站监控系统的核心（1）控制器控制器是光伏发电系统的核心部件，具备如下功能：信号检测，检测光伏发电各个装置的状况参数，对系统进行判断、控制、保护提供各项技术指标，应当包含输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温度等；对蓄电池进行最优充电控制，实现高效、快速的充电，并充分考虑电池寿命影响，同时对蓄电池放电进行管理，为自动开关机、软启动、防止负载接入扰动提供保护，也为其他设备提供过电压和过电流保护；对光伏系统故障进行诊断，并将其通过指示灯显示器等通知修理人员。在现代的中小型电站中，主要的控制器是采用ComAp85 公司的IGS-NT系列控制器，控制器具备STPM与MINT两种默认的工作模式，其中，STPM工作方式可以为一台发电机组进行模拟量以及数字量、开关量的实时测量和监控，对整个光伏发现系统起到保护作用，同时具备收集系统数据的能力，带有远程通信接口，具备重新编程的功能，运行稳定。最大功率点跟踪控制器通过各种控制算法，改变光伏电池板的输出电压和电流，使光伏阵列输出功率最大化，提高光伏系统的发电效率。最大功率点跟踪器在有效的降低光伏发电的成本，提高光伏发电的效率方面，起到了至关重要的作用。光伏电站现地控制单元层（LCU）中，控制器对于每个电站的组成都有控制的作用，在本文的行文中，将在论述部件的过程中叙述不同控制器的对于相应电站部件的控制作用。电站现地控制层中，控制器的主要功能是进行最大功率点跟踪以及逆变器控制；电站主控层中，主要功能是进行功率分配以及电路中电压电流的监控；同时在电网层中，进行数据的通信完成监控系统作用。控制器需要对光伏电站运行中所需监控数据进行采集，并进行与上位机的通讯以及简单的诊断功能，光伏电站主要需要采集的数据是：1）.太阳辐射值太阳辐射值是光伏电站发电的重要数据。一般来说，测得的是水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量Hb和散射辐射量Hd，H为后两者之和，系统一般使用H和系统发电效率系数计算太阳能光伏电站理论发电量。2).器件表面温度上文曾经提到过温度对光伏发电系统的影响，事实上，通过太阳能电池板上温度的不同，可以分析出电池板是哪一方向对着太阳。随着技术的发展，太阳能电池板已经不是古典型的摆向南方，新一代太阳能电池板都具有随着太阳变化而自动跟踪功能。一般来说，一台50KW的太阳能电池方阵大约需要550W的电机推动，全天功率占总发电功率的0.27%左右，但是，它却能提高大约10%的发电效率。3).光伏电池输出开路电压、短路电流以及输出功率由于光伏电池的输出功率并不是线性的随着开路电压的增高而变大，每个光伏系统都需要进行最大功率点跟踪控制（MPPT），开路电压是进行最大功率点跟踪的主要参考因数，结合短路电流和输出功率参数对电路进行控制，使光伏发电系统能时刻处于最大功率输出状态。同时，光伏电池输出电压电流也是逆变器的输入电压电流。4).逆变器输出电流，电压85 光伏发电系统逆变器输出电流、三相电压的相位和频率是光伏系统控制的最终目标，由于光伏发电系统的不稳定性，光伏发电系统产生的电流经常出现携带杂波，对市电电网产生污染。所以，保持时刻对输出电流的监测是非常必要的，在出现输出电流急降或者其他问题时，需要进行立刻切断电流动作。同时，控制器也对逆变器输出过流过压进行保护，如果出现短路或者接地情形，可以立刻切断电源。5).电流电压谐波对电流电压谐波进行测量，并进入控制器进行算法抑制是非常必要的，否则谐波会混杂在波形中对电网形成污染。6).风速由于太阳能电池板面积较大，经常出现强风破坏太阳能电池方阵支架的情况，在太阳能电池板铺设时，就必须要对风速进行测量。一般来说，太阳能电池板支架采取埋地、水泥固定、简单埋、水泥墩以及地扦固定方式。由于支架的材料应许抗风力度不同，如果风力过大，就必须考虑支架断裂的问题，如果风力较大时，还要考虑太阳能电池板的灰尘问题，这也是太阳能电池板效率变低的重要因素之一。（2）.光伏电池阵列太阳能光伏电池方阵是并网光伏系统的基础部件，通过光伏电池阵列，将吸收的太阳光能直接有效的转换为电能，目前，工程上应用的太阳能光伏电池阵列，多为一定数量的晶体硅按照要求串联、并联后，固定在支架上形成。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm*2cm到15cm*15cm不等，单体工作电压约为0.45到0.5V，一般不作为单独电源使用，工作电流约为20—15mA/cm2，进行串并联并进行封装后，组成太阳能电池组件，是构成电源使用的最小单元，为满足负载所要求的输出功率，在工程上，一般是将大量太阳能电池组件进行连接组成太阳能电池方阵。一般来说太阳能电池方阵的标准数量是36片（10cm*10cm），这意味着一个太阳能光伏电池组件大约产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池充电。将电池组件串联起来，输出功率就可以达到上千瓦，甚至到达兆瓦级别，理论上，光伏阵列的输出功率可以达到无限大，但是，受各种实际条件限制，光伏电池组件一般只能为较小功率的工作需求进行供电。85 根据发电系统是否接入电网，太阳能光伏发电系统可分为两大类：独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能电池板是太阳能光伏发电系统的核心，太阳能电站的发电效率取决于它。太阳能电池板利用光电效应将太阳光中光能转化成电能，并将电能以直流电的形式输出。光伏控制器将电能存储入蓄电池组，并控制蓄电池的充电过程，当需要电力输出时，光伏控制器释放蓄电池中电能或者输出太阳能电池输出的电能，直接供给直流负载或者经转化为交流电后输出给交流负载。为研究光伏组件的输出特点，方便用户快速方便了解电站工作状态，太阳能光伏电站需要配备监控系统，通过监控系统记录光伏电站工作环境、发电状态等。因此本文介绍了一个远程监控式太阳能光伏电站的智能监控系统。3.2.2系统原理框图20MWP太阳能光伏并网电站采用的光伏电池板的材料是多种多样的,其安装位置也不集中在一起,关键问题是如何正确的处理多种信号传输干扰。本文采用分布式设计思想,数据采集单元利用工业传感器就近采集,数据采集模块中设有独立的中央处理模块(MCU),可以在现场对采集的信号进行数字滤波和数据处理,然后通过GPRS无线通信技术将处理后的数据传送至监测计算机,监测计算机将各现场数据汇总,进行后处理。电站数据采集监测系统的逻辑结构如图3-3所示其结构图如下:由于DSP逆变器控制板本身带有数据采集和通讯功能,将此DSP控制板与AVR控制器用RS-485串行数据总线连接起来,并通过AVR控制器存储转发。当光伏电站的并网功率较小时(30kW以下功率的电源中),本地信息通过液晶来显示汉字、字母和数字等,即使用一个128X64的LCD点阵显示器。该系统是专门用在光伏电站的,需要显示的汉字不多,所以建立了一个专用的点阵字库。包括这个专用的汉字库在内,都存放在10KB的程序寄存器内。当光伏电站的并网功率较大时(30kW及以上功率的电源85 图3-3系统逻辑结构示意图中),AVR控制器与本地上位机的RS-232串行接口连接,通过触摸屏来显示电站的信息。显示的内容主要包括电站的运行参数和控制参数。运行参数只能显示在触摸屏上,不能修改,而控制参数是可以通过触摸屏来修改,然后再返回给DSP。AVR控制板同时通过光纤与数据集中器通讯,将存储的数据发送给数据集中器,数据集中器通过GPRS无线通信技术发送给远程上位机。上位机服务器将GPRS接收到的数据存入ACCESS数据库,通过ADODB组件,用嵌在HTML中的PHP语言对ACCESS数据库进行调用,从而将电站参数以图表形式显示在WEB浏览器中。总的来说,在本设计中,采用嵌入式系统技术来实现监控系统的操作、显示和通信功能。具体来说就是以嵌入式处理器为核心设计了一套监控系统,主要完成对太阳能光伏并网电站的实时运行状态和定时的检测,以及能够采集和显示环境参数,并把这些信息记录显示出来,同时通过GPRS无线网络技术远程传输给上位机,也能够接收并执行远程监控中心发送过来的命令。监控系统的功能主要是提供数据的采集、记录、显示等功能。该电站监控系统不仅能够监测和存储电站运行的电力参数,保护电站安全的运行,而且还可以监控光伏电池阵列的输出电压、电流等光伏组件的参数,以及太阳直射散射、风速风向、温度等环境参数,为以后光伏并网电站的研究和科研分析提供可靠的大量数据。85 监测系统软件设计的总体思想是以数据的获取、传输、变换、输出为主线进行程序设计,监测系统软件的主要功能是数据采集、处理、存储和査询。采集的主要参数是光伏电池瞬时输出电压、光伏电池瞬时输出电流、并网各相电压、并网各相电流、系统温度、系统的启停状态、电网频率、光伏并网系统当日发电量、光伏并网系统累计发电量等信号。釆集的数据经过相应的处理之后,存储在存储器中,以备查询。并把采集到的数据和处理过的数据实时显示现场的触摸屏上,通过触摸屏点击功能按钮可以进入不同的监测界面,可查看电站的运行状态、数据趋势曲线、历史数据等。监测系统还设计了网络监测功能,采用上位机和下位机之间的点对多点的通讯方式,实现系统的远程监测。远程上位机的主要功能是建立服务器,将数据集中器通过GPRS网络发送的数据存入数据库,在HTML网页标签中嵌入PHP(超文本预处理器),实现数据的调用---WEB浏览器的图表显示和Flash曲线实时显示。同时,WEB监控系统具备密码保护、用户权限分级、增加用户、历史数据查询等功能。远程监测系统的上位机功能示意图见图3-4。图3-4远程监控系统上位机功能示意图3.2.3详细说明人类的生存与发展，需要的主要物质之一就是能源，它是世界经济的血液，同时，也直85 接影响着世界局势与国家的安全，随着社会经济的发展和生活水平的提高，对于能源的需求与赖也是越来越大。但目前世界能源使用主要是利用煤炭、石油、天然气和水，都是一次性能源，它们总有一天会枯竭。所以，在人类社会发展越来越完善的今天，物质文明空前繁荣，如果需要社会可持续不断地发展，能源问题，已成为了社会发展的主要制约因素之一。与此同时，人类也面临着环境的问题，牺牲环境换取经济发展还是保护环境延缓经济发展，是摆在我们面前的巨大考验。发展可再生的清洁替代能源成为当务之急。太阳能，是当前世界上最清洁、最有开发前景的能源之一。因其本身无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽等优点，是其他发电方式所不能比拟的，因而，光伏发电已成为世界各国研究的重点。中国的光伏发电产业近几年来在一些地区发展迅速，然而，各个光伏电站往往进入“各自为战”的状态，缺乏统一的调度与监控，大量小型光伏电站的建立也再次把集群控制问题摆在我们面前，由于调度监控的紧缺，使得一些地方的能源过剩，而另一些地方能源缺不足，每个小型光伏电站都配备了各自的技术、运行和管理人员，各电站间缺乏协调运行管理。目前在中国大多数地区已建成的光伏电站中，多是零星开发，缺乏整体规划，在成本、安全、经济以及运行人员劳动强度等方面都存在着极大的缺陷。对流域内中小型光伏电站群进行集中调度和控制不仅可以有效降低投资成本、保证人员现场安全，还能对整个梯级电站进行经济调度，提高梯级光伏电站群的综合管理水平，发挥光伏电站群联合优化调度的优势。通过集遥控、遥测、遥信、遥调、遥视等功能于一体的流域梯级电站远程集中监控系统可以对流域内各梯级电站进行集中控制。流域内各电站将取消或简化电站内的常规中控室和各自独立的电站办公、现场生活设施、库房、机修车间等，将集控中心作为运行、管理、维护及办公基地，对流域内的各电站进行日常的运行、管理工作。85 4光伏电站监控系统的硬件设计4.1核心芯片的选择本系统选用了ATMAL公司的ATmega系列的控制器来实现对系统的监控,它是低功耗的8位CMOS单片机,采用先进的RISC结构,最高可用到16MHz的系统时钟,由于CPU内部的Harvadr总线和一级流水线结构,多数指令都是单时钟周期执行的,其结构方框图如图4-1所示。ATmega系列的单片机主要的区别在于通用I/O数目等的不同。以监控板使用的ATmegal28单片机为例介绍单片机的组成。64脚MLF封装的ATmegal28单片机能提供128K片内可编程FLASH(具有在写的过程中还可以读的能力,即RWW)、4KB的E2PROM和4KB的SRMA,还具有64KB的优化的外部存储器空间;它具有53个通用I/O口,32个通用工作寄存器、有2个8位定时器/计数器、2个16位定时器/计数器、2个UART串行通信口、一个SPI同歩串行口、两线式串行总线接口I2C、8通道10位ADC(都有可选的可编程增益)、定时器(具有片内振荡器)、与IEEE标准1149.1兼容的JTAG测试接口(该接口同时还支持在线调试),通过JTAG测试接口可以实现对Flash、E2PROM、熔丝位和锁定位的编程;另外,该单片机还提供了6种休眠模式,这些模式可以不同程度地降低功耗。另夕卜,它还提供多种复位方式,可以用内部的RESET功能省去外部的复位电路;提供多种时钟方式,为了降低功耗,可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟。ATmega系列的单片机支持C语言和汇编语言编程,为本系统提供了灵活而低成本的方案。85 图4-1AVR内核结构示意图4.2电源电路设计在进行电源电路设计时,考虑到本系统需要三种电压,分别为光稱隔离电压5V、AVR供电电压、FLASH供电电压。AVR单片机可以与光伏逆变器控制板共用5V电源,当并网功率较小时,AVR通过J7口供电,当并网功率较大时,AVR通过J8口供电,故只需设计其他两种供电电压:光稱隔离电压5V和FLASH供电电压3.3V。通过LM1117将5V电压转为3.3V,两种电压为电路板各类芯片供电。电源电路原理图如图3-5所示,采用的是三极管无稳态多谐振荡电路,先把5V电压变换成两个5V的方波,再输送到变比为1:2变压器进行电气隔齊。变压器副边采用推挽结构输出,二极管D2、D3轮流导通,将变压器副边输出^±10V方波整流成10V直流电压,输送给线性稳压芯片78L05。78L05是一种固定电压(5V;)三端集成稳压器,输出电流可达100mA。由于器内部电流的限制,以及过热保护和安全工作区的保护,使它基本不会损坏。该芯片很好的解决了抗噪声千扰的问题。78L05的典型应用电路如图4-2所示。85 图4-278L05典型应用电路LM1117是叶个低压差电压调节器。其压差在1.2V输出,负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本,通过2个外部电阻可实现1.25—13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型号。图4-3为LM1117的典型应用电路。(a)典型固定输出电压(b)典型可调输出电压图4-3LM1117典型应用电路85 图4-4电源电路4.3实时时钟电路设计时钟用来为系统提供时间,以便进行各种操作,它可以利用单片机内部的定时器编程实现,但定时精度不高、占用CPU时间长且掉电即失效,无法为系统提供可靠的时间,而硬时钟具有掉电不停止的优点,因此本系统主机采用专用高精度时钟芯片DS1337为系统提供时间。DS1337是一款串行实时的低功耗的时钟芯片,同时是一种全部采用BCD码的时钟日历芯片,它带有两个可编程的定时闹钟和一个可编程的方波输出。其数据信息和地址可通过I2C总线串行传输,能提供秒、分、时、日、星期、月和年等时间信息。当月天数小于31天时,它能够自动校正月份,还能过对闰年进行校正。时钟可以工作在24小时模式下,也可以工作在12小时模式下[25—26]。芯片的工作的温度区间是-40-+85摄氏度,提供齊8引脚的DIP和SOIC封装。该芯片与单片机接口简单,并且独立于单片机运行,不占用CPU时间。时钟芯片采用CR1220纽扣电池供电,电池寿命为3年。它与微控制器的连接方式如图4-5所示:85 图4-5时钟电路4.4串行接口与数据通信设计4.4.1I/O扩展ATmegal28只有两个独立的全双工同歩/异步串行端口,而系统需要2个RS-485接口和1个RS-232接口,因此需要扩展ATmegal28的硬件资源,形成了一个点对多点的通信方式。本系统采用GM8123芯片对其进行扩展,GM8123能够将一个标准的串口扩展成3个标准的串口,并可以通过外部引脚控制串口工作在单通道模式还是多通道模式,也就是可以指定扩展出的其中一个子串口以母串口的波特率单一工作,也可以让扩展出的所有的串口分频同时工作,波特率为母串口的四分之一。此外,串口的工作波特率通过外部电路和晶振频率的修改来实现,可以通过软件来设置母串口和子串口的工作波特率。85 GM8123串口扩展芯片没有上电复位功能,所以本系统采用单片机的PC5管脚来产生一个低电平使GM8123复位,复位信号在外部电平拉高后内部还将延时200mso复位后的芯片清除了内部所有的BUFFER和寄存器内的数据,此时芯片的默认波特率1200b/s,数据格式是每一帧数据11位。JH是由于上述原因,在使用芯片时,必须对芯片初始化。初始化就是设置芯片的工作方式,包括设置帧格式和波特率等。芯片的这些工作设置只有在多通道工作模式下才有效,当工作在单通道方式时,并不需要设置工作方式,即使已经设置了也不会起作用。多通道模式下的工作方式设置如下-(1)将地址线STADD1~0置为00(2)将MS置0,选择写入控制命令字(3)通过母串口写入控制命令字,该命令字的值为命令字寄存器相应为的设置值,但高4位必须全为"1",这样能够与无效的数据区分开来。命令字寄存器的结构如下:MSBLSB****FLBR2BR1BR0寄存器中的FL用来设置帧长得位,为"0"表示lObit,"r’表示llbit。BR2-0是用来波特率设置的位,波特率设置命令字如表4.1所示。表4.1多通道方式下波特率设置(12MHz晶体)BR2-0000001010011波特率子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s在多通道方式下工作时,各个子串口有相同的工作波特率,设置的值就是各个对应子串口的工作波特率,而子串口的波特率仅为母串口的波特率的四分之一。本文中GM8123芯片的母串口与AVRATmegal28的串口连接,因此,该串口的波特率是与GM8123芯片的母串口相同的。在设置完工作方式后,STADD1-0必须置为非全0,否则设置不会生效。设置芯片GM8123的模式控制引脚MS可以使GM8123工作在单通道模式或者多通道模式下。当模式控制引脚MS=1时,芯片工作在单通道工作模式下,在此工作模式下,在同一时间只能有一个子串口与母串口进行通讯。通过芯片的地址线来指定子串口与母串口的通信,外部的MCU通过输入/输出地址线来控制母串口与子串口的通信。输入地址线和输出地址线可以不是同一个子串口的,则不同只串口的RXD和TXD可以连接到母串口上。需要注意的是在通讯时STADD不能置为"00"。单通道工作模式各地址线定义如表4.2:85 当MS=0时,芯片GM8123在多通道方式下工作,即在此方式下允许所有的子串口都工作在全双工模式下。在此工作方式下,芯片GM8123的地址线STADD1-0是输入口,由MCU指定哪一个子串口来发送数据,地址线SRADD1-0是输出口,用于向MCU发送子串口的地址。表4.2单通道工作模式下地址线定义STADD1STADD0SRADD1SRADD1定义011号子串口的接收端01-11102号子串口的接收端113号子串口的接收端011号子串口的发送端1001-112号子串口的发送端113号子串口的发送端在该模式下,3个子串口的工作波特率相同,母串口的波特率为子串口的4倍。各地址线的定义如表4.3和表4.4所示表4.3子串口TXD地址线的定义STADD1STADD0说明01选择1号子串口发送10选择2号子串口发送11选择3号子串口发送表4.4子串口RXD地址线的定义SRADD1SRADD1说明011号子串口接收到数据102号子串口接收到数据113号子串口接收到数据85 当单片机需要实现点对多点的通信时,使用GM8123来扩展单片机的串行接口,在占用较少硬件资源的情况下,具有以下特点:可以通过对芯片写控制字来实施控制、可以设置每个子串口的波特率以及可以选择串行通信的数据格式。本系统采用单通道工作模式,硬件电路如图4-6所示。图4-6接口扩展电路4.4.2RS-485接口电路设计考虑到电站的环境,抑制干扰,本文在设计DSP控制板和AVR监控板通信时,采用RS-485电路。工业应用场合的通信节点多,位置分散,通信的距离比较远,RS-485不但能够满足上述要求,还能够抑制共模干扰,最高传输速率可达10Mbps。采用图4-7的平衡驱动器和差分接收器的组合电路是RS-485的最大特点,RS-485采用的是差分信号负逻辑,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。逻辑"1"以两线间的电压差为2V~6V表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-2V到-6V表示。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性和不受节点间接地电平差异的影响。RS-485多用于长传输距离和多站点数据通信。85 图4-7平衡差分电路图4-8RS-485接口电路主控制系统通过采用串行通信方式与监控系统通信,其物理层采用RS-485,而RS-485是通过MAX485驱动器在DSP与ATmegal28的通用串行接口之间转换而来的。ATmegal28与数据集中器的通信方式也可以采用RS-485方式。其硬件电路如图4-8所示。4.4.3RS-232接口电路设计ATmegal28芯片内部的通用同步/异步收发器单元提供2个独立的全双工同歩/异步串行端口,85 ATmegal28的两个串行端口的输入输出都是TTL电平,而TTL电平不能够长距离传输,抗干扰性差,衰减大。为了能够远距离通讯"一般把TTL电平转换成标准串行接口的电平,如常用的标准串行接口RS-232、RS-485等。其中应用最为广泛的是RS-232,它规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。适用于数据终端设备(DTE)和数据传输设备(DCE)之间的接口,其中DTE主要包括计算机和各种终端机,而DCE的典型代表是调制解调器。RS-232标准采用的接口是9芯D型插头,考虑到单片机和上位机的通信量并不大,所以在连接时采用简单的"三线制",即只通过TXD、RXD和地线GND进行连接。但是RS-232所定义的高电平和低电平与AVR单片机所定义的高电平和低电平信号标准不同,RS-232采用的是负逻辑的方式,-5V?-15V电平表示的是逻辑"1",+5V-+15V电平表示的是逻辑"0",需要对两者的电平进行转换。本系统使用的电平转换芯片为SP3223E,RS-232接口电路如图4-9所示。图4-9RS-232接口电路SP3223E是SIPEX公司生产的RS-232收发器,是一个双驱动器/双接收器芯片。SP3223E内有一个高效电荷泵,可在单+3.0V到+5.5V电源下产生±5.5V的RS-232电平,该技术已申请了美国专利(专利号为U.S.--5,306,954)。满负载时,SP3223E器件可工作于235kbps的数据传输率。在RS-232接口电路设计中,COM1用于与触摸屏通信的RS-232接口,COM2口则为备用的RS-232通信接口。4.4.4光纤通信电路设计85 监控板与数据集中器的距离较远,电站地处的环境恶劣,为了抑制电磁干扰、噪声干扰等,提高信息传输的的可靠性,本文选用光纤传输的方式,经过在现场的验证,选用的传输方式是准确可靠的。HFBR-0400系列的变送器和接受器是低成本的高速光纤通信器件,在工业领域和通信领域都有比较广泛的应用,其通信距离可以达到4000米,工作温度范围宽。该系列光纤收发器与流行的工业光纤接口直接兼容,如ST、SMA、SC和FC接口。并与多种光纤尺寸兼容,包括50/125微米,62.5/125微M,100/140微米和200微米。光纤通信模块采用820nm光纤模块,主要由与门驱动器SN75451BD、与非门施密特触发器HEF4093B、光发送器HFBR1412、光接收器HFBR2412构成。SN75451是一个两通道的与门驱动器,其可以保证光纤中有足够的光功率耦合,确保能够实现信号的可靠传送。其与光发送器连接的硬件原理图如图4-10所示。图4-10SN75451与光发送器连接的原理图光发送器的内部是一个发光二级管,当流过的电流达到一定的值时,二级管发光,光接收器接收到光纤发送过来的光信号。光接收器的内部集成了一个集电极开路的三极管。当光纤中光信号达到一定程度时,三极管导通,输出电平DATA为低;当光纤没有光信号时,三级管截止,输出电平DATA被外接电源上拉为高电平。85 4.5数据采集电路的设计4.5.1温度采集电路的设计温度对光伏发电系统有比较大的影响,首先温度与太阳能的转化效率有关,再则它还影响着太阳能光伏电池板的工作效率以及使用寿命等问题,因此在光伏电站监控系统中加强对温度的监测是非常有必要的。在本监控系统中,系统要检测的温度值有两个,一为电站的环境温度,二为电池板的温度。在传统检测电路中,对温度的检测,常用热电偶或变送器来实现,这两种方法都比较麻烦,且干扰大,不易于系统的多点使用,尤其是对精度要求高的采集系统,很难满足要求,所以在此系统中,使用了数字温度传感器DS18B20。本文采用的是一款PR-35封装的DS18B20芯片,有3个管脚。其管脚功能如下表4.5所示表4.5DS18B20管脚功能管脚名称功能1GND电源地2I/O总线接口，实现微处理器与DS18B20的双向通讯3VCC电源引脚该传感器具有众多优点:它是1-wire总线结构,即DS18B20在与微处理器实现双向通信时仅需要一条口线即可;通信速率高达125Kb/s,测量的温度范围在-55X:?+125°C,DS18B20的固有测温分辨率为0.5°C,还具有一定的干扰滤波功能;尤其是对于多点通信,该芯片支持多点组网功能,可以在唯一的三线上并联多个DS18B20,实现组网多点测温。其电路如图4-11所示,DS18B20-1测量太阳能电池板的温度,DS18B20-2测量电站周围的环境温度。图4-11温度采样电路85 4.5.2风速风向采集电路的设计风速风向都是气象条件的重要因素条件,在研究光伏电站运行状态时,风力的大小关系着系统安全性,因此对风速参数的测量,也必不可少。其风速传感器的工作原理是:此风向传感器的感应元件是风向标,风向标的主轴带动光电码盘旋转,每随风旋转2.8125°,该码盘的光电组件便会产生格雷码。单片机可根据采集到的格雷码,通过与风向表对照,便可得到此时周围环境的风向角度。风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件,信号变换电路为光电转换电路。在水平风力驱动下风杯组旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只光电管通过旋转码盘感应出脉冲信号,该信号的频率随风速的增大而线性增加。该器件的技术指标如下表4.6表4.6风传感器技术指标技术指标风速风向起动风速≤0.4m/s≤0.4m/s测量范围0～70m/s0～360°精确度±（0.3+0.03V）m/s±3°分辨率0.1m/s2.8125°输出信号形式脉冲（频率）七位格雷码（或电位器）工作电压DC5V(或12V)DC5V(或12V)重量0.69Kg0.92Kg环境温度-40～+55°-40～+55°环境湿度100﹪RH100﹪RH其动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、抗风强度大、电路抗雷电干扰能力强、工作可靠且能同时测量风速及风向等优点,适用于本文中的光伏数据采集系统对光伏电站周围环境中的风向、风速参数的采集。风速、风向采样电路如图85 4-12所示.图4-12风速、风向采样电路风向、风速传感器的输出是数字量,七位输出经过光親隔离后分别送入I/O口,单片机根据采集到的格雷码,通过与风向表对照,便可得到此时周围环境的风向角度;风速传感器输出的脉冲信号经过光耦隔离后,送入输入捕捉引脚,单片机通过测量ICP捕捉到的脉冲信号频率,计算出此时周围环境的风速。4.5.3辐照采集电路的设计太阳能是光电转换的前提和基础,它的强弱直接关系着两种能量的转化效率,同时也是研究光伏电站运行状态的重要参数,所以有必要加强对光强的检测。其检测的原理是利用感光元件,把太阳光强度的变化量转化为相应的电信号输出。在本检测电路中,使用了锦州阳光科技公司生产的TBS-2-2直接福射表和TBD-1散射辐射表测量周围环境的太阳直射辐照和散射辐照。TBS-2-2由光筒和自动跟踪装置构成85 光筒内部由光栏、内筒、热电堆(感应面)、干燥剂筒等组成。光筒感应部件表面涂有一层高吸收率的黑色层。冷结点在机体内,热电堆的热接点在感应面上,当有阳光照射到热接点时,温度升高,它与另一面的冷结点形成温差,从而产生电动势输出,该温差电动势与太阳直接辐照度成正比。自动跟踪装置是由底板、讳度架、电机等组成,可以自动跟踪太阳光,且跟踪装置精度高,一星期内转角误差不超过0.25°。其技术参数如表4.7。表4.7TBS-2-2直接辐射表技术参数技术指标说明灵敏度7～14V/W.响应时间≤30秒（99﹪）信号输出0～20mV跟踪精度24小时小于±1稳定性±1﹪温度特性±1﹪（-20～+40）测试精度TBS-2-2直接辐射表±2电源电压DC12V±15AC220V±10TBD-1同样采用热电效应原理,热接点在感应面上,冷接点在机体内,冷热"接点产生温差电动势输出。辐照采样电路如图4-13所示:图4-13辐照采样电路直接辐射表和散射辐射表的输出接到单片机的AD口上,通过测量直射表和散射表输出的电动势,计算出此时周围环境接收到的太阳光的直接辐射和散射辐射数。85 4.6数据存储记录数据(即每次记录多少数据)、记录频度(即多长时间记录一次)和保存时间长度(即多长时间向上位机传送一次)共同决定了历史数据存储器的容量。所以,存储器要求的最小容量就是这三个因素的乘积。具体地说,系统每次包含模拟量和状态量在内的纪录数据在10个左右,合计约16个字节。记录的频度从10秒钟变化到30分钟都是可以设置的。控制中心对这些数据的关心程度决定了多长时间传输和清空历史数据。在安装初期,使用高频度以便及时观察分析数据,而在长期稳定运fVS,可以降低采集密度、延长传输周期。EEPROM一:"旦采集到所需要的数据、抑或是在这些采集到的数据到达一定的规模级别之后,EEPRMO就将数据从缓冲区中提取出来,转而储存到非易失存储器里。该系统的参数分为运行参数和控制参数。运行参数是指系统运行过程中的记录的历史数据,控制参数是指控制系统运行的参数。相对于运行参数来讲,控制参数刷新的频率比较低,而且参数的个数是一定的,因此本系统采用不同的存储器来存储它们。该系统的运行参数要求保存在不易擦除的大容量存储器中,因此该结构使用了串行接口中能够连续实施数以百万计写操作的存储器Flash,而控制参数选择容量相对较小的存储器来存储。通过以上分析,该监控系统选用AT24C256来存储控制参数和AT45DB161来存储运行参数。AT24C256是ATMEL公司生产的,AT24C256是一种时钟频率400HKZ的256K位(g卩16KB)CMOS串行EEPROM,它的数据传输协议与总线兼容,其最大的优点是擦写次数在10万次以上、数据的安全保存时间超过100年。我们可以简单计算一下,按照每10分钟记录一次、每天工作10小时计,AT24C256存储器可以保存1000条记录,亦即15天的数据量。其数据存储电路如图3-12所示。ATmagel28具有I2C接口,并且I2C总线器件只需要2根线,所硬件连接和软件使用变得很简单。此外,采用I2C总线器件的扩充也非常容易,管脚不会因为选用容量更大的器件而改变,所以直接替代即可;增加的器件也仅仅是简单的挂到这2根线上即可。AT45DB161是美国ATMEL公司推出的大容量串行FLASH存储器,最高频率达到66MHz。AT45DB161的存储容量为16M,可以存储较大的数据,而且支持Rapids串行接口,85 RapidS串行接口兼容SPI,数据的读写时序根据SPI总线即可,即上升沿数据移到SI,下降沿从SO输出数据,所以我们要读写芯片只要线调用缓冲器直接写主存储器命令就可以把数据写到芯片,再通过存储器一页读命令将数据从芯片中读出来。ATmagel28具有SPI接口,硬件连接和软件实现变得很简单。其硬件电路如4-14所示。图4-14数据存储电路4.7LCD接口电路设计85 在设计液晶显示电路时,本系统选用128X64点阵液晶显示器,该显示器可以显示8X4个汉字、或16X8个ASCII码字符,当然它也可以混合显示汉字、数字和外文。但是,该液晶显示器有较大的传输信息量,因此本文釆用了通用I/O口来完成片选、背光和读写控制等。点阵字库对于本系统的设计依旧非常重要,尽管只有几十个汉字要求显示出来。我们考虑使用PC机上现成的16X16点阵字库来直接抽取系统字库所需要的汉字点阵,但是这会额外花费时间,因为显示驱动程序必须包括点阵转置模块才能正常工作。并且,与按行排列的PC机上的点阵字模不同的是,CAG1264-4显示数据与点阵位置是按列对应的。因此,在PC机上编写CAG1264-4的汉字点阵生成程序来生成前面提到系统所需要的点阵字库,这样一来,汉字点在ATmegal28的程序中便可以直接输出而不需通过转化了。其硬件电路如图4-15所示。图4-15液晶显示电路85 4.8JTAG调试接口设计JTAG是一种国际标准测试协议,主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试,JTAG技术是一种嵌入式调试技术。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议,如ARM、DSP、FPGA器件等,JTAG接口的连接有两种标准,即14针接口和20针接口。通过JTAG接口,可对芯片内部的所有部件进行访问。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDKTDO,分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。JTAG接口是在开发过程中十分常用的接口,由于ATmegal28处理器内部已提供了对JTAG的支持,因此只需要按照ATmegal28处理器的数据手册进行电气连接即可。图4-16为JTAG的连接电路图。图4-16JTAG接口电路85 5光伏电站控制系统的软件设计5.1系统软件需求分析整个系统能否正常工作，不仅与硬件电路的设计合理性有关，而且与软件设计的合理性密不可分。软件设计大致分为主程序模块、AD采样模块、带有MPPT的蓄电池充电模块、中断模块、通信模块。程序在软件开发平台CCS3.3中使用C语言编写，各部分功能概述如下：（1）主程序模块，包括系统初始化、相关寄存器参数配置、系统参数检验、工作模式选择等；（2）AD采样模块，对太阳能电池、控制器、蓄电池等系统各模块参数进行采样，并将采集的模拟信号转换成数字信号，并对数据进行数字滤波，使采样的数据更加准确；（3）蓄电池充电模块，主要是对太阳能电池进行最大功率点跟踪，同时还要根据蓄电池的不同充电状态采取合理的充电方式；（4）中断模块，主要包括CPU定时器中断、EV中的各种定时器中断、AD中断等；（5）通讯模块，包括串口通信、CAN通信等，对系统运行中外部数据进行收集处理，实现系统工作状态的远程监控。软硬件设计是相辅相成的,任何一方都是不可或缺的。任何一方的缺失都会造成系统性能的下将,甚至会造成系统无法完成设计的预期目标,因此软件设计必须合情合理,巧妙设计。在软件设计的过程中,不仅要适合硬件,而且要尽可能的提高系统的性能。本系统在开发时以实时性、稳定性、准确性为前提,本着节约、充分发挥软件优势的准则,最大程度的减小的系统的损失,保证系统的整体性能,设计程序要充分体现对电站的完美监控。在本监控系统的软件设计时,采用了结构化的设计方法,将各程序依照其实现功能异同进行分类,尤其是在程序的共用上,尽可能的节约指令代码,将共用部分编写成独立的程序分支,主要模块如图5-1。调用各个子程序,然后再把各程序依照编程规则进行合理有效的组合即可,这样便完成了总程序的设计。监控器软件主程序主要完成的工作是初始化部分和执行部分这两部分,初始化主要是CPU、85 ADC.液晶显示器等初始化部分,执行部分的程序完成的任务主要分以下三种基本情况:(1)数据采集和数据处理;终端监控器要进行数据的采集和教据的处理,程序要体现资源分配的合理性,在进行处理数据的时候,要做到快速精准,同时要把处理后的数据发送给液晶触摸屏,并发给GPRS进行远程传输。图5-1程序模块组成(2)实时显示、远程通讯等功能;这些程序在处理完相关功能的同时,还要合理搭配相应的硬件系统。另外程序要易于理解和维护,主要包括实现测量信号的A/D转换，采样数据LCD的实时显示等。(3)命令的解析与执行;监控系统最主要也是最重要的任务就是保护好太阳能光伏电站发电系统的设备,系统不仅要能够及时的接受远程监控中心发送过来的各种指令,而且要快速精准的执行相关指令。5.2软件流程图系统主程序包括初始化和主循环两部分。初始化控制软件进行初始化，配置TMS320F2812的各功能模块，设定各模块的工作方式，包括事件管理器(EVA，EVB)，ADC模块、CAN通信接口，以及对I/O85 端口进行初始化设置。初始化工作完成后，进入主循环状态，判断系统状态，处理保护信号，发送系统信息，接收控制信息，等待各种中断产生，进入中断服务子程序以完成相应功能。主循环主要获取系统运行信息，调用相应的数据处理程序完成参数计算，获取系统控制信息并进行相应操作，其次传输系统数据至上位机进行处理，最后将运行参数在上位机界面显示，完成一个循环，再开始下一个循环。单片机软件主要采用C语言进行编写,主程序的主要功能为系统的初始化,调用数据采集程序,串行通信程序,显示程序等。主程序用來控制整个系统的工作流向。当系统上电时,自动进入主程序,其流程图如图5-2所示。图5-2单片机主流程图5.3流程图分析与说明85 5.3.1数据采集程序设计数据采集是数据存储和数据发送的过程。它是整个监控系统所必须的过程,为监控程序提供必要的数据资料。数据通过传感器每三分钟采集一次,釆集到的数据直接存储在存储器中。数据采集程序流程图如图5-3所示。图5-3数据采集子程序流程图5.3.2显示子程序不同并网功率用不同的显示器来显示电站的参数。当并网功率小于30kW时,在显示子程序中要显示各参数时,将存储区中的数据经过査表程序转换成LCD中相应的代码,然后送LCD的显示缓冲区显示。要显示时间时,首先从时钟芯片中读取数据放到存储单元中,再将数据送到LCD中显示。当并网功率大于30kW时,显示程序显示各参数的时候,将存储区的数据经过组侦直接发送给液晶触摸屏。其流程图如图5-4所示。85 图5-4显示子程序流程图5.3.3中断程序设计85 首先,初始化串口并把中断打开,当串口接收缓冲区有数据到来的时候,它首先判断数据是否正确,如果不是,则继续等待下一个中断的到来,如果是,关闭中断,再进而判断收到数据帧的CRC校验,如果CRC校验不正确,打开中断继续等待中断的到来;如果校验正确,则对收到的数据帧进行解析,是读命令还是写信息命令。如果写命令,把写配置信息存入寄存器后转发给DSP逆变器控制板,再返回相应的响应数据帧;如果是读命令,直接读取数据缓冲区的数据,之后对主机作出回应,通过串口,将MCGS所请求的数据发送过去,实现数据的传送。回应完后,再打开中断,继续等待下一个中断的到来。其程序流程图如图5-5所示。图5-5中断子程序流程图6上位组态监控界面设计85 上位机平台主要是把设备的监控数据进行可视化展示,给用户提供与设备交互的界面。本监控系统通过多重窗体程序来实现人机界面的,每个窗体是一个独立的窗体模块,可以有自己的界面、程序代码,完成不同的功能。6.1MCGS组态软件概述MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)组态软件是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，简称MCGS。MCGS可用运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的特点。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统。一、认识MCGS组态软件MCGS提供解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能。使用MCGS可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS已成功应用于石油化工、钢铁、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航天航空和印刷等领域。二、MCGS组态软件版本类型1.MCGS通用版MCGS通用版又称为MCGS单机版，是昆仑通态公司数十位软件开发精英辛勤耕耘的结晶。MCGS通用版除具有友好的界面、强大的内部功能，还具有系统可扩充性。2.MCGS网络版MCGS网络版在MCGS通用版的基础上增加了强大的网络功能，是企业实现从现场监控到网络监控、网络管理的一个重要的工具，是实现企业现代化管理的必备手段。MCGS网络版具有先进的C/S（客户端/服务器）结构，客户端只需要使用标准的IE浏览器就可以实现对服务器的浏览和控制。3.MCGS嵌入版MCGS嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件。组态好的用户工程可以通过以太网下载到嵌入式操作系统Windows85 CE中实时运行。MCGS嵌入版适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统，在自动化领域有着广泛的应用。三、MCGS组态软件的组成部分MCGS工作台由以下5个功能窗口组成。（1）主控窗口MCGS的主控窗口是组态工程的主窗口，是所有设备窗口和用户窗口的父窗口，它相当于一个大的容器，可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可以在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户操作。（2）设备窗口设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。（3）用户窗口用户窗口是由用户来定义的、用来构成MCGS图形界面的窗口。是组成MCGS图形界面的基本单位，所有的图形界面都是由一个或多个用户窗口组合而成的。用户窗口相当于一个“容器”，用来放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，通过对图形对象的组态设置，建立与实时数据库的连接，来完成图形界面的设计工作。（4）实时数据库在MCGS中，用数据对象来描述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义上的值变量，把数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。实时数据库是MCGS系统的核心，是应用系统的数据处理中心，如图6-1所示，系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。MCGS是一款比较强大实用的工控组态软件,它采用可视化、面向窗口的设计界面,实时性强,并行处理能力强,在自动化领域有着广泛的应用。MCGS根据所用场合不同,可分为嵌入版、通用版和网络版。嵌入版主要以触摸屏为载体,一般分散在现场使用,虽然也集成了人机交互界面,但它是专门针对实时控制而设计的,应用于实时性要求高的控制系统中,不是针对集中的数据监测。而通用版组态软件主要应用于实时性要求不高的监测系统中,它的主要作用是用來做监测和数据后台处理,比如动画显示、报表等。与通用版相比,网络版则更侧重于数据的共享,用户可以通过标准的IE浏览器浏览安装了85 MCGS网络版的服务器,使信息收集更集中,更多部门分享。本系统采用的是嵌入版的组态软件來实现电站的监控。嵌入1?的组态软件具有稳定性高、功能强大、操作简单、通信方便等特点图6-1数据库管理技术（5）运行策略所谓运行策略，是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能块的总称。MCGS为用户提供了进行策略组态的专用窗口和工具箱。6.2组态过程和界面设计6.2.1组态思想光伏发电监控系统设计的组态过程，详细讲解如何应用软件完成一个光伏发电系监控系统工程。本演示工程中涉及到动画制作、数据显示、报警输出、报表曲线显示、存盘数据浏览等多项组态操作。下面来介绍整个监控系统设计的思想。1.工程分析在开始组态工程之前，先对本次设计的发电监控系统进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、需实现的功能及如何实现这些功能。2.工程框架：在本次设计工程中打算用下面一些工程框架来完成接口的制作：（1）2个主窗口：登录界面、主界面85 （2）4个子窗口：1#逆变器运行界面、2#逆变器运行界面、3#逆变器运行界面、逆变器运行故障界面（3）在4个子窗口下有设置了历史曲线和历史报警子窗口。3.数据对象：如图6-2所示，为此次工程的数据对象：图6-2数据对象4.图形制作：操作切换：通过标准按钮构件完成数据显示:通过标签构件显示输出实时曲线：通过实时曲线构件实现85 历史曲线：通过历史曲线构件实现报警显示：通过报警显示和报警条构件实现报警记录：通过报警浏览构件实现操作记录：通过存盘数据浏览构件实现5.动画控制：通过运行策略，编辑脚本程序，设置对应属性实现。6.安全机制：通过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现6.2.2组态界面设计1、登录界面设计登录界面是组态界面设计的一个重要组成部分，它涉及到系统的安全以及用户的密码和权限问题，具体设计的登陆界面如图6-3所示：图6-3登陆界面点击登录按钮，输入正确的密码，用户可以进入监控系统，进行相应的操作，如果密码错误，系统将会提示密码错误，是否重新输入，用户执行所需的操作即可。本次系统设置了两个用户组：负责人组和技术员组，负责人组的成员有权限对下位机进行操作，而技术员组则没有该项权限。这样做的目的是为了系统能够更好的运行，避免了一些误操作引起的故障。2、主界面设计主界面如图6-4所示：85 图6-4主界面主界面的功能有以下几点：（1）显示光伏电站公共参数，使得工作人员通过对这些参数的分析来制定相应的生产计划。具体的参数如图6-4中所示，环境温度，光照强度，风速等参数在界面中清晰可见，一目了然，其数据来源于下位单片机采集的数据，通过串口通讯传输到上位界面。（2）监控蓄电池组的运行情况。点击蓄电池组按钮，进入蓄电池组电压、电流、功率曲线界面，界面如图所示。（3）实时显示系统的所有报警情况，通过滚动报警条以及报警显示来提醒工作人员根据报警情况及时作出应对措施，避免重大事故的发生。（4）因为本设计的光伏电站监控系统中有三台逆变器，必须对三台逆变器进行实时监控，因此，设计了三个按钮分别进入各个逆变器运行界面，可以观察各个逆变器的运行情况。图6-9中所示为1#逆变器的运行情况。（5）如果系统报警显示逆变器故障，可以点击下位报警按钮，进入逆变器运行故障报警界面，执行相应的操作。（6）点击系统报警按钮，进入系统历史报警界面，如图6-5所示，工作人员可以看到光伏电站何时因何而报警的统计情况，工作人员根据这些情况进行分析，制定相应的对策，避免报警的再发生。85 图6-5系统历史报警界面（7）设计了修改密码按钮，用户点击按钮，进入修改用户密码菜单，如图6-6所示，用户可以根据自己的喜好来制定密码，同时能够更好的保护用户的权限。图6-6修改用户密码界面（8）点击退出系统按钮，返回到登陆界面。85 3、蓄电池组电压、电流、功率曲线显示界面设计蓄电池组是光伏电站的重要组成部分，对蓄电池组参数的的监控，可以及时的切换蓄电池组的运行状态，增加蓄电池组的寿命。蓄电池组电压、电流、功率曲线显示运行界面如图6-7所示：图6-7蓄电池组电压、电流、功率曲线蓄电池组电压、电流、功率历史曲线如图6-8所示：图6-8蓄电池组电压、电流、功率历史曲线85 4、逆变器监控界面设计逆变器运行界面如图6-9所示：图6-9逆变器运行界面该界面能够实时监控逆变器的运行情况，设置逆变器输入输出电压、电流，频率，逆变器温度的报警上下限，如果显示数据高于或低于报警上下限，就会提示工作人员有报警信息产生，工作人员应该根据报警情况分析产生报警的原因，然后采取措施，解除报警。实时显示逆变器输入输出电压、电流对象值的变化情况，也是光伏电站监控的一个重要部分。（1）点击历史曲线按钮，进入逆变器电压、电流历史曲线界面，如图6-10所示：85 图6-10逆变器电压、电流历史曲线界面运行时，历史曲线能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势及总结数据的规律。（2）点击历史报警按钮，进入逆变器历史报警记录界面，如图6-11所示：图6-11逆变器历史报警记录界面逆变器历史报警记录对各个逆变器的报警情况进行统计，工作人员通过分析，能够了解到各个逆变器的报警情况是有何种原因引起的，然后对各个逆变器进行相应的改进。5、逆变器故障报警界面如图6-12所示：85 图6-12逆变器故障报警界面逆变器运行故障报警界面是为了控制逆变器的投入与分离而设置的，当逆变器出现故障时，切断相应的逆变器，待故障解决后，再将逆变器投入，3个LED灯的亮灭代表3台逆变器的投入和分离。点击历史报警按钮，进入逆变器运行故障历史报警界面，如图6-13所示，可以根据报警记录情况，分析各个逆变器故障的原因，得到解决问题的方法。图6-13逆变器运行故障历史报警界面5.历史操作记录界面如图6-14所示：85 图6-14历史操作记录界面历史操作记录能够记录所有操作对象的操作内容，由于误操作会引起光伏电站很大的事故，所以记录操作内容就显得相当重要，同时也能提醒工作人员在操作时谨慎小心，不要误操作。85 7通讯方案设计目前，光伏系统中的远程监控技术从通讯的物理实现来讲，分为有线与无线两种。有线监控主要通过通讯总线实现远距离信号传输，实时性好、抗干扰强、系统安装复杂、成本高、尤其在偏远地区实施难度大。无线远程监控安装简单、传输距离远、但信号易受干扰，实时性比有线传输略有下降。目前应用比较多的有线远程监控技术包括:（1）采用工业总线，如RS232、RS485、Profibus、CAN总线等来实现下位机与监控上位机之间的通讯，这种方法的优点是可靠性高、通讯实时性高，缺点是实施成本较高；（2）采用调制解调器(Modern)通过公用电话网来实现，但这种方法传输速率较慢、传输距离有限；（3）采用互联网（Internet）与前两种方式相结合来实现，这种方法相对前两种方法，适用范围更广、距离更长，但安装成本较大。无线远程监控技术主要借助微波站或人造卫星的中继传输技术，如利用移动通讯基站上专用的通讯信号频段进行传输。随着移动通讯3G技术的不断成熟与应用，无线远程监控还可以实现声频和视频数据的海量传输。但此类方法只能运用于有网络覆盖的非偏远地区，而且运行成本较高。7.1远程通信方式的的选择计算机与网络技术的进歩,极大地促进了工业的发展。各种基于网络技术与分布式概念的系统大量应用于工业实践,带来了许多变化和影响。作为现代工业技术的一个重要支撑技术与组成要素,远程监控技术近几年来越来越受到人们重视,许多新的监控方法不断涌现出来。远程监控技术的出现,是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结果。远程监控系统数据有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点,一方面需实现数据的上传,另一方面亦需下达各种传输、控制指令,即双向的数据、指令传输。目前远程数据通信方式主要有:光纤、Modem、以太网、数传电台和GPRS通信等。85 光纤通信:以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信的优点主要是通信容量大、传输距离远、抗电磁干扰、高速率传输、信号干扰小、保密性好、传输质量佳;但是光纤在野外等恶劣的环境中都敷设在露天环境,如果有人为破坏等意外情况发生,会很容易发生传输光缆断裂或断芯,光缆一旦断裂,信道中断,捍接技术复杂,普通用户根本无法进行恢复,修复的周期比较长。再加上光纤通信造价昂贵并且安装困难,这些都限制了光纤传输方式的应用。Modem:利用有线Modem把数字信号转换成可在公用电话网上传送的脉冲信号来实现远程通信。Modem系统易于扩展,其缺点是利用普通电话网络传输数据信息时,带宽窄,实时性差,Modem所需的拨号握手时间远大于数据传输时间,当轮询数据采集点的数量较多时,通信效率将大幅度降低,费用也会比较昂贵。以太网:使用载波侦听多路访问及带冲突检测的CSMA/CD技术,是当前应用最为普遍的局域网技术,该技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。而且它的数据传输速率相当高(目前已达到100Mbps),能提供足够的带宽,能够满足以后发展的需求。但是,以太网需要较长的开发周期,要求发设计人员要有较高的素质,另外,TCP/IP协议栈需要长期深入测试、修改才能达到可靠性要求。数传电台:数字式无线数据传输电台的简称,利用DSP技术和无线电技术实现的专业数据传输电台。数传电台有较宽的传输频带,常采用315MHz、433MHz.826MHz进行通信,通信速率一般为4.8K-19.2Kbps,有较大的通信容量,电台天线架在离地面约30米以上是通信可覆盖20-50公里范围,否则需要通过中继站延伸。使用数传电台来数据通信,主要缺点是受周围环境建筑的影响极大,频点的使用权需要申请,而且小型数传电台的数据传输速率不高,系统的造价及安装成本较高,日常维护的工作量较大,使用场合有一定限制。目前GPRS通讯方式是一种新兴的数据传输技术,将从根本上解决传统传输方式的弊端,更加贴近专业数据传输的需求。GPRS(GeneralPacketRadioService)即整合封包无线服务技术架构与现有的GSM系统上,通过重新规划原有的GSM系统的信道与时褙的分配方式,以封包交换技术的形式,提高了数据传输的速率,基本上消除了用;^数量急剧增多的限制。它是在现有的GSM网络中加入部分节点实现GPRS无线通信的,如GGSN(GatewayGPRSSupportNode,GPRS网关支持节点)禾BSGSN(ServicingGPRSSupportNode,GPRS服务支持节点)。GPRS无线网络在传输数据时,实时性好、效率高,而且用户也可以访问外网。但是GPRS网络在使用之前必须要进行注册和用户身份确认。通过验证之后,就可以网络建立连接,进行相关数据的传输。图7-1给出了GPRS连接网络的示意图。85 图7-1GPRS连接网络根据光伏电站监控系统的应用环境,对比以上四种传输方式,GPRS更具有优势(1)接入范围广,可充分利用国内大面积的电信网络,将用户数据终端远程部署到网络中,具有快捷易用,成本低廉等优势;(2)传输速率高,GPRS可提供最高可达到171kbps的数据传输速度,是常用有线56kModem理想速率的两倍,这意味着通过电脑,GPRS无线网用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览。下一代GPRS的数据传输速度可以达384kbps,随着技术的发展,GPRS完全可以满足用户的应用需求;(3)接入时间短,GPRS接入时间小于1秒钟,建立连接即快速又即时,这就使远程监控的实时性得到大大的提高;(4)支持实时在线,现在用GPRSMODEM上网,用户将可随时与网络联系,不仅访问容易,而且服务快捷;(5)按流量计费,GPRS无线网用户采用的计费方式是以通信过程中产生的数据量为主要依据,即产生了多少流量就支付多少。实际上,GPRS无线网用户可能有数小时一直在线,但支付的费用相对比较低廉。即使用户一直在线,如果没有传送数据产生流量,用户是不需要付费的。7.2GPRS网络在光伏监控系统中的实现7.2.1监控系统通信数据链路的组成85 该系统为一个多点到中心的远程通信控制系统,数据通信可以实现双向传输。该系统由两部分组成:数据釆集终端和远程监控中心。远程监控中心由计算机网络、ACCESS数据库和GPRS通信接口组成,主要负责整理和收集各种信息和数据。一方面,把每一个监控点传送过来的信息和数据进行整理,并把接收到的数据存放在相应的数据库并在相应的监控计算机上显示,以监控和管理每一个监控点;另一方面,监控中心把监控计算机发出的控制信息发送给相应的监控点,从而控制监控点的设备光伏电站监控系统的数据通信链路是信息交换的重要路径,它与该系统的整体工作性能有着直接关系,因此,数据传输链路是本文远程监控工作的重点,在本光伏电站远程监控系统中,其数据传输信道结构图如图7-2所示。图7-2监控系统数据传输链路从图中可知,系统信息传输链路主要由终端部分、通信部分、以及远程监控中心三个部分构成。在各个组成单元中,通信部分是各组成部分最重要的单元,它直接关系到系统传输数据和控制命令的能力。而GPRS模块是组建GPRS的基础,所以GPRS无线终端是组建数据传输通道的重要单元,同时也是无线数据传输系统的核心部件。7.2.2GPRS模块的选择85 GPRS无线传输模块的选择是系统综合性能能否提高的重要要素。采用GPRS模块,大大减小了系统的资源开销,可以根据应用的时间情况来构建系统,而不必实现TCP/IP协议而选用性能和价格更高的微处理器,因此在考虑模块选择时,本着易于开发、性价比高等基础来考虑,提出模块应具有的功能。在本系统中需要实现的功能有：(1)数据传输功能支持TCP/IP协议,接入Internet方便快捷,远程传输能力强,能够高效率的上传数据信息和卡达控制命令。(2)自动维护功能降低人力、物力、财力的成本是光伏电站远程监控系统的主要目的之一,因此,GPRS模块要有自我维护的功能。在掉线时,GPRS模块应当有自动重连的功能。(3)实时在线功能随时与网络保持联系,当需要使用网络传输信息是,能够快速建立数据传输链路,只要数据传输一旦结束,被占用的信道就会被释放。目前,GPRS无线网络模块应用相当广泛,其基本可以分成两类,一类是支持传输控制和TCP/IP协议的,一类是不支持传输控制和TCP/IP协议的,而后一种使用起来比较繁琐,且开发周期较长,所以前一种更加常用。现代的无线移动通信部件,无论是GPRS类型、CDMA类型或是3G类型,多数含有TCP/IP协议栈。使用含有TCP/IP协议栈的无线移动通信部件能够加快开发、简化软件的设计,是嵌入式移动通信应用系统开发设计的首选。7.2.3GPRS模块功能的实现MD-109G支持用AT指令来实现TCP/IP的功能,可以通过相应的命令来建立或者取消UDP和TCP协议,控制数据传输链接的建立,传输数据等。由于篇幅有限,这里给出部分AT指令:(1)AT+WOPEN=[,]:OpenAT程序管理典型用法:AT+WOPEN=l,返回值是0K,表示开启OpenATApplication功能(2)AT+WIPCFG=:TCP/IP协议栈处理的值共包含0、1、2、3、4,0代表停止协议栈,1代表开启协议栈,2代表配置协议栈,3代表查询协议栈软件版本,4代表协议栈的配置管理。典型用法:AT+WIPCFG=1,返回值OK,表示开启协议栈处理。(3)AT+WIPBR:设置通讯参数典型用法:AT+WIPBR=1,6(其中1代表打开数据通道,6代表走GPRS通讯方式)(4)AT+WIPCREATE:建立客户端端口连接指令的标准格式为:AT+WIPCREATE=2,,<"peerIP">,。85 典型指令:AT+WIPCREATE=2,1,"222.128.026.006",9220,表示建立TCP连接。数据集中器的Atmegal62-16芯片给GPRS模块发送一系列的AT命令,GPRS模块根据接收到的AT命令返回相应的信息作为应答,程序通过接收到的返回值进行判断发送给GPRS模块的该AT命令是否成功,若成功,则继续进入下一步,发送下一条AT指令;若不成功,则返回上一歩,Atmegal62-16芯片重新发送该条命令。配置GPRS模块子程序如图7-3所示。图7-3配置GPRS模块程序流程图7.2.4光伏监控系统通信链路的构建85 在这个光伏监控系统中,监控网站是远程监控中心的主要组成部分。它的主要功能就是连接通信网络,收发数据信息,对接收到的数据进行整理、显示和保存,以及发送控制指令等,监控中心的计算机建立数据传输链路是通过GPRS连接Internet进行的,通过固定的网络地址接受和发送数据信息。本系统中的GPRS和因特网是互联的,它们一起为终端收发数据信息服务。系统的监控器把采集到的数据经过处理后经过GPRS传到Internet,再上传到远程监控中心上位机。同样,监控中心发送的控制指令也是通过此网络来接受,然后分析并执行命令,控制光伏并网发电站的运行状态。所以说,GPRS网络的构建是整个系统传输数据信息的关键。该系统数据传输链路的构建和数据传输过程说明如下。首先,AVR监控板把电站的运行数据发送给数据集中器,GPRS模块的通信串口与数据集中器的RS-485接口连接,读取数据信息。其次,GPRS模块接收到数据信息后,进行分析处理,再通过BSS传输给SGSN,随后数据进入GPRS传输阶段。再次,GPRS的网关支持节点与服务支持节点进行通信,网关支持节点进行协议转换,从而数据可以通过互联网发送出去,实现远程传输。最后,光伏电站的维护人员也通过此网络把控制指令发送给数据集中器,再发送给监控器,达到控制电站的运行状态的目的。该系统的数据信息和控制指令的交互是通过GPRS无线网络与互联网传输给数据集中器,数据集中器再发给监控器,进而进行分析和执行。GPRS无线通信网络相较于其他的远程通信方式而言是一个性价比、可靠性、安全性都相当高的通信网络,保证了系统的正常工作,各种数据信息和控制指令能够及时的传输给监控中心。特别是当有新的电站需要监控时,可以通过增加数据集中器的方法来扩大监控的网点数。85 8结论根据光伏并网发电系统的技术特点,立足于现有的光伏电站监控技术的基础之上,结合本系统的应用环境,完成了对光伏电站监控系统的研究,实现了对光伏并网电站运行状态的实时远程监控。本系统主要包括设计了监控单元、构建了数据传输的链路、本地触摸屏的软件开发和监控中心上位机软件的开发等部分。本文主要从光伏发电的应用现状和趋势、光伏监控系统的研究现状、硬件电路设计和实现、软件程序的开发和设计、系统总体构建和实现方法等方面,层层展开研究工作。通过测试,达到了电站的预期要求。综合本文所做的工作,取得了如下的主要成果:首先,对详细分析了光伏电站监控系统的结构和功能。根据光伏监控系统所需的功能、光伏电站所处的环境和其技术特点,结合光伏电站监控系统各组成部分的设计规则,最终选取了AVR+GPRS+监控软件的结构作为问题的解决方案。其次,根据课题要求和系统所需的功能,分析研究并提出T监控系统的硬件电路设计和软件实现的具体方案。再次,提出了基于GPRS的无线传输网络的构建思想和解决方法,重点探讨了数据在网络中的传输过程。最后,对监控软件进行了功能分析和设计开发。按照结构化的思想,采用多线程的编程方式,实现了监测信息在软件上的显示、存储,以及对光伏电站运行状态的控制。本系统已经在某光伏并网电站实际使用,相较于传统的光伏电站监控系统,从实际使用的情况表明,该系统能够实时准确的传输数据,实时性和远程数据的传输能力都有很大的提高,达到了预期的效果。另外,本系统所设计的系统具有很强的通用性,根据不同的应用场合,稍作修改,便可以将此系统应用于其他的远程监控中。该课题还具有较大的深入研究空间。光伏发电在国外已经有了大规模的应用,在我国还处于示范阶段,从长期的发展趋势来看,光伏并网电站必将成为电力市场的新宠。在本文的研究过程中,由于学术水平有限、时间仓促,在实际的工程应用中还有很多的不足之处,所做的工作还需要进一步的完善,以后的研究工作应从下面几个方面展开:1)应该进一歩研究系统的抗干扰性、可靠性和电磁兼容性;2)进一歩美化人机界面,使其更加美观、友好;85 3)可融入视频监控技术,不仅可以完成本系统的所有功能,还可以实现视频监控的功能。随着通信等技术的发展,特别是当4G通信技术在该领域的应用,必将使得监控系统的性能变得更加完善,监控技术将迈上更高的台阶。85 参考文献[1]周志敏、纪爱华,太阳能光伏发电系统设计与应用实例.电子工业出版社，2011[2]刘树民、宏伟,太阳能光伏发电系统的设计与施工,科学出版社，2010[3]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2006.[4]蒋立.基于Z源的单相光伏并网系统的研究[D].南京：东南大学，2009.[5]赵建东,李晓武,雷霆,等.太阳能综合供电系统放电控制器的设计[J].太阳能学报,2005,26(5):609-612.[6]刘福才,郑德忠,刘立伟,等.3kW全自动跟踪太阳发电设备计算机监控系统的设计[J].自动化仪表,2000,(9):231-233.[7]王慧斌,于洪珍.监控系统的用户界面设计[J].电站系统工程,2003,19（4）:45-46.[8]朱善军,单片机接口技术及应用［M］，北京航天航空大学出版社出版，2003.[9]靳晓明.中国新能源发展报告[M].武汉.华中科技人学出版社.2011.[10]邝少平.2009年全球光伏产业发展研究报告[R].2009.[11]赵玉文.太Ri能光伏产业发展的新思考[J].高科技与产业化.2009.7:19-22.[12]中电联行业发展规划部.中国新能源发电发展研究报告[R].中国电力企业联合会.技术报告.2012.[13]王飞.单相光伏并网系统的分析与研究[D].合肥.合肥工业人学.2005.[14]彭江.光伏并网的原理及其屯站监测系统模块设计[D].苏州.苏州大学.2006.[15]陈超.光伏电站的远程数据通信及网络监控管理[D].合肥.合肥工业人学.2004.[16]李立伟等.光伏电站智能监控系统的研制[J].电源技术.2007.131(1):76-79.[17]刘莉敏.并网光伏电站分布式数据采集监测系统的研究[D].北京.中国科学院电研究所2004.[18]李方健.基"F嵌入式Webserver的光伏逆变器监控平台开发[D].北京.北京交通大学.2011.[19]郭莉.太阳能光伏发电单元综合监控系统的研究与设计[D].保定.华北电力人学.2009.85 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外文原文和译文外文原文DesignofaLead-AcidBatteryChargingandProtectingICinPhotovoltaicSystem1.IntroductionSolarenergyasaninexhaustible,inexhaustiblesourceofenergymoreandmoreattention.Solarpowerhasbecomepopularinmanycountriesandregions,solarlightinghasalsobeenputintouseinmanycitiesinChina.Asakeypartofthesolarlighting,batterychargingandprotectionisparticularlyimportant.Sealedmaintenance-freelead-acidbatteryhasasealed,leak-free,pollution-free,maintenance-free,low-cost,reliablepowersupplyduringtheentirelifeofthebatteryvoltageisstableandnomaintenance,theneedforuninterruptedforthevarioustypesofhaswideapplicationinpowerelectronicequipment,andportableinstrumentation.Appropriatefloatvoltage,innormaluse(topreventover-discharge,overcharge,over-current),maintenance-freelead-acidbatteryfloatlifeofupto12~16yearsfloatvoltagedeviationof5%shortenthelifeof1/2.Thus,thechargehasamajorimpactonthistypeofbatterylife.Photovoltaic,batterydoesnotneedregularmaintenance,thecorrectchargeandreasonableprotection,caneffectivelyextendbatterylife.ChargingandprotectionICistheseparationoftheoccupiedareaandtheperipheralcircuitcomplexity.Currently,themarkethasnotyetreal,chargedwiththeprotectionfunctionisintegratedonasinglechip.Forthisproblem,designasetofbatterychargingandprotectionfunctionsinoneICisverynecessary.2.SystemdesignandconsiderationsThesystemmainlyincludestwoparts:thebatterychargermoduleandtheprotectionmodule.Ofgreatsignificanceforthebatteryasstandbypoweruse85 oftheoccasion,Itcanensurethattheexternalpowersupplytothebattery-powered,butalsointhebatteryovercharge,over-currentandanexternalpowersupplyisdisconnectedthebatteryistoputthestatetoprovideprotection,thechargeandprotectionrolledintoonetomakethecircuittosimplifyandreducevaluableproductwasteofresources.Maintenance-freelead-acidbatterylifeisusuallythecyclelifeandfloatlifefactorsaffectingthelifeofthebatterychargerate,dischargerate,andfloatvoltage.Somemanufacturerssaidthatiftheoverchargeprotectioncircuit,thechargingratecanbeachievedevenmorethan2C(Cistheratedcapacityofthebattery),batterymanufacturersrecommendchargingrateofC/20~C/3.Batteryvoltageandtemperature,thetemperatureisincreasedby1°C,singlecellbatteryvoltagedrops4mV,negativetemperaturecoefficientof-4mV/°Cmeansthatthebatteryfloatvoltage.Ordinarychargerforthebestworkingconditionat25°C;chargelessthantheambienttemperatureof0°C;at45°Cmayshortenthebatterylifeduetosevereovercharge.Tomakethebatterytoextendtheworkinglife,haveacertainunderstandingandanalysisoftheworkingstatusofthebattery,inordertoachievethepurposeofprotectionofthebattery.Battery,therearefourstates:normalstate,over-currentstateoverthestateofcharge,overdischargestate.However,duetotheimpactofthedifferentdischargecurrentover-capacityandlifetimeofthebatteryisnotthesame,sothebatteryoverdischargecurrentdetectionshouldbetreatedseparately.Whenthebatteryischargingthestatealongtime,wouldseverelyreducethecapacityofthebatteryandshortenbatterylife.Whenthebatteryisthetimeofdischargestatusexceedstheallottedtime,thebattery,thebatteryvoltageistoolowmaynotbeabletorecharge,makingthebatterylifeislower.85 Basedontheabove,thechargeonthelifeofmaintenance-freelead-acidbatterieshaveasignificantimpact,whilethebatteryisalwaysingoodworkingcondition,batteryprotectioncircuitmustbeabletodetectthenormalworkingconditionofthebatteryandmaketheactionthebatterycannevernormalworkingstatebacktonormaloperation,inordertoachievetheprotectionofthebattery.3.Unitsmodulardesign3.1ThechargingmoduleThecircuitryincludescurrentlimiting,currentsensingcomparator,referencevoltagesource,under-voltagedetectioncircuit,voltagesamplingcircuitandlogiccontrolcircuit.Themodulecontainsastand-alonelimitingamplifierandvoltagecontrolcircuit,itcancontroloff-chipdrive,20~30mA,providedbythedriveoutputcurrentcandirectlydriveanexternalseriesofadjustmenttube,soastoadjustthechargeroutputvoltageandcurrent.Voltageandcurrentdetectioncomparatordetectsthebatterychargestatus,andcontrolthestateoftheinputsignalofthelogiccircuit.Whenthebatteryvoltageorcurrentistoolow,thechargetostartthecomparatorcontrolthecharging.Appliancesintothetricklechargestatewhenthecut-offofthedrive,thecomparatorcanoutputabout20mAintothetricklechargecurrent.Thus,whenthebatteryshort-circuitorreverse,thechargercanonlychargeasmallcurrent,toavoiddamagetothebatterychargingcurrentistoolarge.Thismoduleconstitutesachargingcircuitchargingprocessisdividedintotwochargingstatus:high-currentconstant-currentchargestate,high-voltagechargestatusandlow-voltageconstantvoltagefloatingstate.Thechargingprocessfromtheconstantcurrentchargingstatus,theconstantchargingcurrentofthechargeroutputinthisstate.Andthechargercontinuouslymonitorsthevoltageacross85 thebatterypack,thebatterypowerhasbeenrestoredto70%to90%ofthereleasedcapacitywhenthebatteryvoltagereachestheswitchingvoltagetochargeconversionvoltageVsamchargermovestothestateofcharge.Inthisstate,thechargeroutputvoltageisincreasedtooverchargepressureVocisduetothechargeroutputvoltageremainsconstant,sothechargingcurrentisacontinuousdecline.CurrentdowntochargeandsuspendthecurrentIoct,thebatterycapacityhasreached100%ofratedcapacity,thechargeroutputvoltagedropstoalowerfloatvoltageVF.3.2ProtectionModuleThecircuitincludescontrollogiccircuit,samplingcircuit,overchargedetectioncircuit,over-dischargedetectioncomparator,overcurrentdetectioncomparator,loadshort-circuitdetectioncircuit,level-shiftingcircuitandreferencecircuit(BGR).ThismoduleconstitutesaprotectioncircuitshowninFigure4.Underthechipsupplyvoltagewithinthenormalscopeofwork,andtheVMpinvoltageattheovercurrentdetectionvoltage,thebatteryisinnormaloperation,thechargeanddischargecontrolofthechiphighpowerendoftheCOandDOarelevel,whenthechipisinnormalworkingmode.LargerwhenthebatterydischargecurrentwillcausevoltageriseoftheVMpinattheVMpinvoltageatabovethecurrentdetectionvoltageViov,thenthebatteryisthecurrentstatus,ifthisstatetomaintainthetiovovercurrentdelaytime,thechipbanonbatterydischarge,thenthechargetocontroltheendofCOishigh,thedischargecontrolsideDOislow,thechipisinthecurrentmode,generalinordertoplayonthebatterysaferandmorereasonableprotection,thechipwillbatteryover-dischargecurrenttotakeoverthedischargecurrentdelaytimeprotection.Thegeneralruleisthattheover-dischargecurrentislarger,overtheshorterthedischargecurrentdelaytime.AboveOverchargedetection85 voltage,thechipsupplyvoltage(Vdd>Vcu),thebatteryisinoverchargestate,thisstateistomaintainthecorrespondingoverchargedelaytimetcuchipwillbeprohibitedfromchargingthebattery,thendischargecontrolendDOishigh,andchargingcontrolterminalCOislow,thechipisinchargingmode.Whenthesupplyvoltageofthechipundertheoverdischargedetectionvoltage(VddR2,thepartialpressureoftheoutputvoltage,theformationoftheundervoltagepositivefeedback.Output,undervoltagelockout,andplaysaprotectiverole.Fromthenetsofphotovoltaicpowersystemsandgridtype(pv)powersystemisverysimilartotheworkingprinciple,theonlydifferenceistheoutputpowerfromthenets(systemsareuseddirectlytothepublicwithoutpower.Solarspectralheatgenerationandphotovoltaicenergy.Nomatter.Thespeedofdevelopmentandthedevelopmentprospectsaremissed.Solar-thermalpowergenerationbyphotovoltaic(pv)poweruniversal.Maycontactsolar-thermalpowerwider.Usuallyfolksaylessoftenreferstothesolarpowergenerationissolarphotovoltaic(pv)power.Referred.Accordingtothepvsolarbatteryusingprinciple.Thesunlightdirectlyintoelectricitygrid.Bothindependentuseorelectricity.(pv)powersystemmainlyconsistsof85 solarpanelscomponentcontrollerandinverter.Theyaremainlycomposedofthreebyelectroniccomponents.Don"tinvolvemechanicalcomponents.So.(pv)powerequipmentextremelyrefined.Reliableandstablelifelong.Installationandmaintenanceeasy.Theory.(pv)powertechnologycanbeusedforanyneedtopowerontheoccasiontospacecraft...Tohouseholdpowerstationstolevel.Smalltoys.Pvpowercanbeeverywhere.Now.(pv)powerproductismainlyusedinthreeaspects:oneistoprovideelectricityforthemainpower.Residentslivingwithoutelectricitysupplypowerproductionandpowerofmicrowavereliever.Etc.Inaddition,alsoincludesomemobilepowerandstandbypower,solardailyelectronicproductssuchasallkindsofsolarcharger.Andthesolarenergylawn.Solarstreetlampsfactoryallsortsoflampsandlanterns,etc.Itisimpliedinthedevelopedcountrieshaswidespreadimplementationingridgenerationyet.........Butthe2008BeijingOlympicGames"[greenelectricitywillbepartofsolarandwindpower.Solarpvpoweristhemostbasicelementsofsolarcells(film)havemonocrystallinesiliconpolysilicon...Andthefilmbatteries.Monocrystallineorpolycrystallinebatterydosageofamorphousbatteriesused.Asmallsystemandcomputeraidedpoweretc.Domesticcrystalsiliconefficiencyin10-13.Thesameproductsabroadefficiencyabout12-14)byoneormoresolar-productscomposedofsolarpanelscalledpv.2002,globalsolarcellandpvyieldabout45%of600mw)inJapan,America,Europe,about25%perphotovoltaicindustrydevelopmentinJapanisthefastestforhome.Inlessthan10yearsthanintheUnitedStates.2001world10bigsolarcellshave4.Japan"sKyotoweresharp..........AndmitsubishisanyoEuropedevelopedcountriesaredeveloped[sunshineplan"andtakemeasurestoencouragetheresidentssolarpowersysteminstallation.Forinstancepartialgrants.Aninterest-freeloanand[seedfund",etc.Andthepriceseveraltimeshigherthannormalpriceofsolarpowerpeopleredundant.Oursolarphotovoltaicpowerindustryinrecentyears.Buttheoverallsize85 oftherapiddevelopmentofsmallsolarcellproduction.2002totalinstalledcapacity,aboutSMWmethodoflessthan1%oftheworld25MW)tocoordinatethewesterndevelopment.Ourgovernmentimplementedthe"[[herplan"and"lightengineering[etc.Usesolarandwindpowerforsolvingthenomadicareasinwesternlifewithoutelectricityproductionofelectricity.Thisprojectmatchingfundsmorethan20millionyuan.Ourpvpowerproductsmarketmainlyinthewest.Otherwise,suchasapartoftheproductcomponents.Smallsystem.Andthedailysolarelectronicproducts,etc.Tothedomesticsolarwaferyieldfarcannotsatisfytherequirementofmanymanufacturersintoday.-productspackagingcomponents.Inphotovoltaicindustryoccupiespart.Shenzhen.Productsprocessingability.Productqualityandsalesathomeandabroad,hascertaininfluenceongovernmentshouldstrengthenthesupportstrength.Thescaledevelopment.Makeandbecomeshenzhenbecomeindustrygroup.Aneconomicgrowth.Solarphotovoltaicpowerindustrygrowth.Notonlybecauseithasmanyadvantagesarethecleanenergy.Amoreattractiveinsolarenergyandmotivationis.Intheprocessofbuildingintegratedsolarcellmodule.Morethanthesolarwaterheaterwithbuildingareaffinity.Solarcellmodulecannotonlyasenergyequipment.Canalsobeusedasaroofandwallmaterialsandenergysupply.Bothsavingbuilding.Haveverygood.Foreigncases.Thereforesolarpowergenerationtechnology.Combinedwithbuilding.Willhasgoodeconomicbenefit.Futureinfinite.Inverterintoac,dcwilllowerifdcvoltagetransformer,throughthecommunication,namelyreceivestandardpressoracvoltageandfrequency.Forlargecapacityofinverter,duetothedcbusvoltageishigher,acoutputgenerallydonotneedtoboosttransformercanachieve220V,inmediumandsmallvolumeofinverter,duetothelowvoltagedc12V,suchas,mustdesign,24Vpressorcircuit.Ingeneral,smallvolumeinvertermosfetinvertercircuit,therethewhole85 bridgewithhighfrequencyinvertercircuitspressorpush-pullinvertercircuits,andwillboostthecircuittransformerneutralplugupinpower,twopowertubeisalternant,outputpower,becausegetacpowertransistorDeBianaltogether,driveandcontrolcircuitissimple,becauseofthetransformerhascertainleakage,canlimittheshort-circuitcurrent,thusimprovingthereliabilityofthecircuit.Itsdefectisdrivenlowutilization,transformerperceptualloadabilityispoor.Thebridgehaspush-pullinvertercircuittoovercometheshortcoming,powertransistorcircuitsoftheoutputpulsewidthadjustment,theoutputvoltageoftheRMSischanged.Becauseofthiscircuithasfree-wheelingloop,eventotheperceptualload,theoutputvoltagewaveformnordistortion.Thiscircuitfaultsisunderthearm,bridge,nopowertransistormustthereforebeadoptedbyisolatingcircuitorspecialdrivingpower.Inaddition,inordertoprevent,bridge,andthecommonarmsoccursbeforethefinaldesignmustbeshut,namelycurrentmustsettime,thedeadzonecircuitstructureisrelativelycomplicated.Photovoltaic(pv)gridinvertercircuitcontrolcircuit:Thesekindsofinvertercircuitareneededtocontrolcircuit,generalsquarewaveandareweakwavetwocontrolmode,theoutputpulseinvertercircuitissimple,lowcost,lowefficiency,harmoniccomponents.Sinewaveoutputisthedevelopmenttrendoftheinverter,alongwiththedevelopmentofmicroelectronicstechnology,PWMfunctionofmicroprocessorisalsoavailable,sothesinusoidaloutputinvertertechnologyhasmatured.1theoutputpulsecurrentinverterusingPWMintegratedcircuit,suchasSG3525TL494,etc.PracticeshowsthattheSG3525integratedcircuits,andadoptspowermosfetasswitchpowercomponents,canachievehigherperformancepriceofinverter,becauseSG3525hasdirectdrivingpowermosfetabilityandinternalstandardsandoperationalamplifiersandthevoltageprotectionfunction,thusitsoutercircuitissimple.85 2thesinusoidaloutputinvertercontrolcircuits,sinewaveoutputinverter,thecontrolcircuitcanbeusedasINTELmicroprocessorcontrol,thecompanyproduces80C196MC,MOTOROLAMP16productionandCROCHIPcompanyproductionofMI-PIC16C73etc,thesemicrocontrollerismoreroad,andPWMgeneratorset,thebridgebetweenthearmsofthedeadzone,INTELcompanyadopted80C196MCrealizationoftheoutputcircuit,sinewave80C196MCcompletesinesignals,andthetestvoltageoutputvoltage,realizecommunication.85 译文光伏系统中蓄电池的充电保护IC电路设计1.引言太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源越来越受到重视。太阳能发电已经在很多国家和地区开始普及，太阳能照明也已经在我国很多城市开始投入使用。作为太阳能照明的一个关键部分，蓄电池的充电以及保护显得尤为重要。由于密封免维护铅酸蓄电池具有密封好、无泄漏、无污染、免维护、价格低廉、供电可靠，在电池的整个寿命期间电压稳定且不需要维护等优点，所以在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中有着广泛的应用。采用适当的浮充电压，在正常使用(防止过放、过充、过流)时，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达12~16年，如果浮充电压偏差5%则使用寿命缩短1/2。由此可见，充电方式对这类电池的使用寿命有着重大的影响。由于在光伏发电中，蓄电池无需经常维护，因此采用正确的充电方式并采用合理的保护方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。传统的充电和保护IC是分立的，占用而积大并且外围电路复杂。目前，市场上还没有真正的将充电与保护功能集成于单一芯片。针对这个问题，设计一种集蓄电池充电和保护功能于一身的IC是十分必要的。2.系统设计与考虑系统主要包括两大部分:蓄电池充电模块和保护模块。这对于将蓄电池作为备用电源使用的场合具有重要意义，它既可以保证外部电源给蓄电池供电，又可以在蓄电池过充、过流以及外部电源断开蓄电池处于过放状态时提供保护，将充电和保护功能集于一身使得电路简化，并且减少宝贵的而积资源浪费。免维护铅酸蓄电池的寿命通常为循环寿命和浮充寿命，影响蓄电池寿命的因素有充电速率、放电速率和浮充电压。某些厂家称如果有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C(C为蓄电池的额定容量)，但是电池厂商推荐的充电率是C/20~C/3。电池的电压与温度有关，温度每升高1℃，单格电池电压下降4mV，也就是说电池的浮充电压有负的温度系数-4mV/℃。普通充电器在25℃处为最佳工作状态；在环境温度为0℃时充电不足；在45℃85 时可能因严重过充电缩短电池的使用寿命。要使得蓄电池延长工作寿命，对蓄电池的工作状态要有一定的了解和分析，从而实现对蓄电池进行保护的目的。蓄电池有四种工作状态:通常状态、过电流状态、过充电状态、过放电状态。但是由于不同的过放电电流对蓄电池的容量和寿命所产生的影响不尽相同，所以对蓄电池的过放电电流检测也要分别对待。当电池处于过充电状态的时间较长，则会严重降低电池的容量，缩短电池的寿命。当电池处于过放电状态的时间超过规定时间，则电池由于电池电压过低可能无法再充电使用，从而使得电池寿命降低。根据以上所述，充电方式对免维护铅酸蓄电池的寿命有很大影响，同时为了使电池始终处于良好的工作状态，蓄电池保护电路必须能够对电池的非正常工作状态进行检测，并作出动作以使电池能够从不正常的工作状态回到通常工作状态，从而实现对电池的保护。3.单元模块设计3.1充电模块该电路包括限流比较器、电流取样比较器、基准电压源、欠压检测电路、电压取样电路和逻辑控制电路。该模块内含有独立的限流放大器和电压控制电路，它可以控制芯片外驱动器，驱动器提供的输出电流为20~30mA，可直接驱动外部串联的调整管，从而调整充电器的输出电压与电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制状态逻辑电路的输入信号。当电池电压或电流过低时，充电启动比较器控制充电。电器进入涓流充电状态，当驱动器截止时，该比较器还能输出20mA左右，进入涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器只能以小电流充电，避免了因充电电流过大而损坏电池。此模块构成的充电电路充电过程分为二个充电状态:大电流恒流充电状态、高电压过充电状态和低电压恒压浮充状态。充电过程从大电流恒流充电状态开始，在这种状态下充电器输出恒定的充电电流。同时充电器连续监控电池组的两端电压，当电池电压达到转换电压过充转换电压Vsam时，电池的电量己恢复到放出容量的70%~90%，充电器转入过充电状态。在此状态下，充电器输出电压升高到过充电压Voc，由于充电器输出电压保持恒定不变，所以充电电流连续下降。当电流下降到过充中止电流Ioct时，电池的容量己达到额定容量的100%，充电器输出电压下降到较低的浮充电压VF。85 3.2保护模块该电路包括控制逻辑电路、取样电路、过充电检测电路、过放电检测比较器、过电流检测比较器、负载短路检测电路、电平转换电路和基准电路(BGR)。当芯片的供电电压在正常工作范围内，且VM管脚处的电压在过电流I检测电压之下，则此时电池处于通常工作状态，芯片的充放电控制端CO和DO均为高电平，这时芯片处于通常工作模式。而当电池放电电流变大，会引起VM管脚处的电压上升，若VM管脚处的电压在过电流检测电压Viov之上，则此时电池处于过电流状态，如果这种状态保持相应的过电流延时时间tiov，芯片禁止电池放电，这时充电控制端CO为高电平，而放电控制端DO为低电平，芯片处于过电流模式，一般为了对电池起到更加安全合理的保护，芯片会对电池的不同过放电电流采取不同的过放电电流延时时间保护。一般规律是过放电电流越大，则过放电电流延时时间越短。当芯片的供电电压在过充电检测电压之上（Vdd>Vcu）时，则电池处于过充电状态，如果这种状态保持相应的过充电延时时间tcu芯片将禁止电池充电，此时放电控制端DO为高电平，而充电控制端CO为低电平，芯片处于过充电模式。当芯片的供电电压在过放电检测电压之下(VddR2分压后的输出电压，形成了欠压的正反馈。输出为高，欠压锁定，起到了保护作用。离网式光伏发电系统与并网式光伏发电系统的工作原理十分相似，唯一不同的是离网系统输出的电力被直接消耗使用而不传送到公共电网中。太阳能发电分光热发电和光伏发电。不论产销量，发展速度和发展前景。光热发电都赶不上光伏发电。可能因光伏发电普及较广而接触光热发电较少，通常民间所说的太阳能发电往往指的就是太阳能光伏发电，简称光电。光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能，不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)。控制器和逆变器三大部分组成。它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长，安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。目前，光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场合提供电源。主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等.另外，还包括一些移动电源和备用电源,二是太阳能日用电子产品。如各类太阳能充电器。太阳能路灯和太阳能草地厂各种灯具等,三是并网发电。这在发达国家己经大面积推广实施。我国并网发电还未起步。不过，2008年北京[绿色奥运"部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池(片)，有单晶硅，多晶硅，非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在10-13%左右，85 国外同类产品效率约12-14%.由一个或多个太阳电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。2002年全球太阳电池和光伏组件产量约600MW，其中日本占45%，美国25%，欧洲约22%，日本是光伏产业发展最快的因家。在不到10年的时间里超过了美国。2001年世界10大太阳电池生产厂。日本就有4家，分别是夏普，京都陶瓷，三洋和三菱，欧美发达国家大都制订了[阳光计划"，并采取措施鼓励居民安装太阳能发电系统，比如部分赠款，无息贷款和[种子基金"等，并以高出普通电价几倍的价格购买居民家中多余的太阳能电量。我国太阳能光伏发电产业近几年发展较快，但总体规模较小。2002年太阳电池产量约SMW，累计装机容量达25MW，不到世界的1%，为配合西部大开发，我国政府实施了[阳光计划"，[乘风计划"和[光明工程"等。利用太阳能发电和风力发电为解决西部广大无电地区农牧民生活生产用电，这一工程配套资金20多亿人民币，我国光伏发电产品的市场主要在西部，另有部分产品出日，如组件小系统和日用太阳能电子产品等。由于国内太阳能电池晶片产量远远不能满足需求，许多厂家进日大量电池片封装组件，在光伏产业方面，深圳占有部分江山，产品加工能力，产品质量和销量在国内外都有一定的影响，政府应加大扶持力度，使之扩大规模发展成为产业群，进而成为深圳的一个经济增长点。太阳能光伏发电产业增长迅速，不仅因为它是具有许多优点的清洁能源。一个更诱人的动因是，在太阳能与建筑一体化的过程中，太阳电池组件比太阳能热水器与建筑更有亲合力。太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，国外己有非常好的案例,因此,太阳能光伏发电技术与建筑结合方面,将具有良好的经济效益,前途无限。逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220v，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12v、24v，就必须设计升压电路。　　中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。85 　　全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。　　光伏并网逆变器逆变电路的控制电路:　　上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弱波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有ＰＷＭ功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。　　1.方波输出的逆变器目前多采用脉宽调制集成电路，如SG3525，TL494等。实践证明，采用SG3525集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性能价格比较高的逆变器，由于SG3525具有直接驱动功率场效应管的能力并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。　　2.正弦波输出的逆变器控制集成电路，正弦波输出的逆变器，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及MI－CROCHIP公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间，采用INTEL公司80C196MC实现正弦波输出的电路，80C196MC完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。85 致谢本课题的选题、课题研究及论文的完成都是在导师吴丽珍的悉心指导下完成的。导师在学术上敏锐的洞察力、渊博的学识、严谨的治学风范使学生受益匪浅，终生难忘，并将时时激励我在今后人生道路上奋进拼搏。感谢所有指导过我的老师以及帮助过我的同学。85 附录1：元器件明细表85 附录2：程序清单85'