论文部分内容阅读
摘 要：文章设计了一套完整的电路系统，实现了在光伏逆变器并网发电过程中，实时、准确、详细地实现通讯显示。该系统在时间、内容、功能、稳定性上都达到预期指标，取得了良好的效果。
关键词：光伏并网发电 监控系统 通信控制器
光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务。当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。在没有太阳时，负载用电全部由电网供给。本文介绍了光伏并网发电监控系统对太阳光照强度、太阳能电池所发电的直流电压、直流电流、太阳能电池温度、风速、风向、环境温度、逆变并网输出电压、电流、输出功率、电网频率等模拟量采集的实现，并对如何利用虚拟仪器技术在LabVIEW软件开发平台下实现光伏发电监控系统进行了介绍。
1监控系统总体设计
通信控制单元CPU采用AVRATmega128单片机，显示及键盘采用带触摸屏的大屏幕液晶，直流电压、直流电流采用霍尔传感器采集信号，光照强度采用光照度传感器采集信号，直流电压、直流电流、光照强度除数据计算和显示外，还用于控制逆变控制器的并网的启动和停止；风速风向检测用于保护光伏阵列单元的安全，当风速达到或大于定值时，控制部分发出指令，通过接口电路驱动执行机构，调整光伏阵列到水平角度，减小风的阻力，从而起保护作用；电量变送器用于采集并网的电流、电压、功率、电网频率等监控所需数据；跟踪控制器由太阳光跟踪传感器检测光伏阵列是否对准太阳。当太阳光垂直照射到跟踪传感器上时，跟踪传感器四个方位的输出信号全部为零，表示跟踪传感器已对准太阳。当太阳光偏离垂直照射时，跟踪传感器能检测出当前太阳偏离跟踪传感器的方位并进行控制调整；根据太阳能电池板的特性可知，它的发电量与照射到它上面的光照强度成正比，而接受太阳的直射光，可以得到太阳的最大光照强度。
2通信控制器设计
2.1硬件设计
通信控制器的CPU的两路串口一路设计成RS-232，采用中断方式与带触摸键的液晶屏通信，实现系统运行参数和状态的显示，完成运行参数、保护定值及时钟的设定等人机交互操作。首先对触摸液晶进行界面切换和触摸按键配置编程，编译后下载到液晶存储区；利用Photoshop软件编辑选定的图片和运行参数界面，编好图号下载到液晶存储区；这样可减少CPU对触摸位置的判断，大大减少程序的编写工作量，并提高程序的运行速度，还能使界面更丰富和美观。另一个串口设计成RS-485，用于实现远程通信，为方便实现四遥通信功能，串口采用中断方式，可定时或远方监控请求数据时发送直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电网频率、发电功率、光照强度、风、环境温度、当日发电量，累计发电量等信息。ATmega128与ST16C554AVR128单片机具有128KB的Flash和4KB的E2PROM，8路10位A/D转换器和2路异步通信UART，看门狗复位电路，工作电压1.8～6.0V，抗干扰性能较强。ST16C554是一种通用UART，提供4路数据并/串转换通信接口。在FIFO模式时，发送器及接收器经16字节的缓冲，可减少CPU的中断次数，且保持与移位寄存器使CPU与串行数据之间无需精确同步，有利于程序的可靠运行。
2.2软件设计
依据通信控制单元的总体设计要求，控制器软件分为主程序、键盘中断程序和若干个子程序。子程序包括系统初始化程序、液晶显示及键盘程序、逆变控制器通信、模拟量采集及计算程序、定值整定及读写程序、时间整定及读写程序、电量变送器通信、大屏幕显示通信、自动跟踪控制程序、远程通信、故障处理程序等。这些程序全部用C语言编写，由ICCAVR编译生成HEX文件。控制器的工作过程如下：系统上电后，控制器经过延时后进行初始化，对寄存器和I/O端口进行设置，根据逆变器运行状态设置控制器为/启动0或为/停止0状态；然后依次进行直流电压、直流电流、光照强度、环境温度、风速等模拟量的采集及计算；从电量变送器中读取交流电压、交流电流、功率、累计发电量、电网频率等数据，并进行计算；根据这些量的计算结果，判断并控制逆变器的/启动0和/停机0，光伏发电控制单元自动跟踪控制；判断延时到后，向远方发送数据，向本地大屏幕发送数据，刷新液晶运行界面数据；最后还要执行故障查询程序，如果接收到从逆变控制器发来的故障信号，程序向逆变控制器请求故障类型代码和故障超限值，按故障类型代码查表后，液晶中文显示故障类型和故障值。
3运行效果分析
通信控制器的功能如前文所述，配置大屏幕显示供过往行人观看，起宣传作用；配置液晶显示供技术人员做人机界面使用；远程通讯利用无线通信将数据传输到监测计算机，使用LabVIEW的VISA节点实现串口通信；采用LabVIEW编程进行数据处理和波形显示；客户计算机利用DataSocket技术进行远程数据监测，并实现数据在Internet上实时传输。经过近1年的运行，通过利用通信控制器实现远程通信，每天在监控主机生成一个监测数据记录文件，经过对记录数据进行分析，可得到一年四季光照强度和日发电量的变化，并可通过试验测试得到采用自动跟踪式的发电设备和固定式的发电设备发电功率曲线，以及控制直流电流和直流电压找到太阳能电池板发电的最大功率曲线。在12台跟踪式太阳能光伏阵列中选择两台进行试验，首先将6#电池板阵列的太阳能自动跟踪器关闭，并通过手动调节将电池板阵列调整为面向正南、仰角45b的位置，使其固定不动；而7#电池板阵列的太阳能自动跟踪器启动，使其自动跟踪太阳的位置。在此状态下测量两块电池板阵列的电压、电流和功率，因两块电池板阵列并联接在直流母排上，所以电压值为同一值，跟踪与不跟踪的电流变化曲线和功率的变化曲线是一致的。利用通信控制器采集一天的数据远传到后台监控主机，经后台监控软件绘制的发电功率对比曲线。
4结语
本文介绍的通信控制器经过近1年的运行验证，具有工作稳定、功能全面、人机界面友好、使用操作方便、结构简单、成本低、适用性强等特点。该通信控制器除完整的通信功能外，还具有系统运行参数整定及显示功能，以及模拟量和开关量采集、计算功能，是一种功能较完整的光伏并网发电监控装置。
参考文献：
[1]王松林.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用[J].现代电子技术，2012
[2]詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2010
关键词：光伏并网发电 监控系统 通信控制器
光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务。当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。在没有太阳时，负载用电全部由电网供给。本文介绍了光伏并网发电监控系统对太阳光照强度、太阳能电池所发电的直流电压、直流电流、太阳能电池温度、风速、风向、环境温度、逆变并网输出电压、电流、输出功率、电网频率等模拟量采集的实现，并对如何利用虚拟仪器技术在LabVIEW软件开发平台下实现光伏发电监控系统进行了介绍。
1监控系统总体设计
通信控制单元CPU采用AVRATmega128单片机，显示及键盘采用带触摸屏的大屏幕液晶，直流电压、直流电流采用霍尔传感器采集信号，光照强度采用光照度传感器采集信号，直流电压、直流电流、光照强度除数据计算和显示外，还用于控制逆变控制器的并网的启动和停止；风速风向检测用于保护光伏阵列单元的安全，当风速达到或大于定值时，控制部分发出指令，通过接口电路驱动执行机构，调整光伏阵列到水平角度，减小风的阻力，从而起保护作用；电量变送器用于采集并网的电流、电压、功率、电网频率等监控所需数据；跟踪控制器由太阳光跟踪传感器检测光伏阵列是否对准太阳。当太阳光垂直照射到跟踪传感器上时，跟踪传感器四个方位的输出信号全部为零，表示跟踪传感器已对准太阳。当太阳光偏离垂直照射时，跟踪传感器能检测出当前太阳偏离跟踪传感器的方位并进行控制调整；根据太阳能电池板的特性可知，它的发电量与照射到它上面的光照强度成正比，而接受太阳的直射光，可以得到太阳的最大光照强度。
2通信控制器设计
2.1硬件设计
通信控制器的CPU的两路串口一路设计成RS-232，采用中断方式与带触摸键的液晶屏通信，实现系统运行参数和状态的显示，完成运行参数、保护定值及时钟的设定等人机交互操作。首先对触摸液晶进行界面切换和触摸按键配置编程，编译后下载到液晶存储区；利用Photoshop软件编辑选定的图片和运行参数界面，编好图号下载到液晶存储区；这样可减少CPU对触摸位置的判断，大大减少程序的编写工作量，并提高程序的运行速度，还能使界面更丰富和美观。另一个串口设计成RS-485，用于实现远程通信，为方便实现四遥通信功能，串口采用中断方式，可定时或远方监控请求数据时发送直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电网频率、发电功率、光照强度、风、环境温度、当日发电量，累计发电量等信息。ATmega128与ST16C554AVR128单片机具有128KB的Flash和4KB的E2PROM，8路10位A/D转换器和2路异步通信UART，看门狗复位电路，工作电压1.8～6.0V，抗干扰性能较强。ST16C554是一种通用UART，提供4路数据并/串转换通信接口。在FIFO模式时，发送器及接收器经16字节的缓冲，可减少CPU的中断次数，且保持与移位寄存器使CPU与串行数据之间无需精确同步，有利于程序的可靠运行。
2.2软件设计
依据通信控制单元的总体设计要求，控制器软件分为主程序、键盘中断程序和若干个子程序。子程序包括系统初始化程序、液晶显示及键盘程序、逆变控制器通信、模拟量采集及计算程序、定值整定及读写程序、时间整定及读写程序、电量变送器通信、大屏幕显示通信、自动跟踪控制程序、远程通信、故障处理程序等。这些程序全部用C语言编写，由ICCAVR编译生成HEX文件。控制器的工作过程如下：系统上电后，控制器经过延时后进行初始化，对寄存器和I/O端口进行设置，根据逆变器运行状态设置控制器为/启动0或为/停止0状态；然后依次进行直流电压、直流电流、光照强度、环境温度、风速等模拟量的采集及计算；从电量变送器中读取交流电压、交流电流、功率、累计发电量、电网频率等数据，并进行计算；根据这些量的计算结果，判断并控制逆变器的/启动0和/停机0，光伏发电控制单元自动跟踪控制；判断延时到后，向远方发送数据，向本地大屏幕发送数据，刷新液晶运行界面数据；最后还要执行故障查询程序，如果接收到从逆变控制器发来的故障信号，程序向逆变控制器请求故障类型代码和故障超限值，按故障类型代码查表后，液晶中文显示故障类型和故障值。
3运行效果分析
通信控制器的功能如前文所述，配置大屏幕显示供过往行人观看，起宣传作用；配置液晶显示供技术人员做人机界面使用；远程通讯利用无线通信将数据传输到监测计算机，使用LabVIEW的VISA节点实现串口通信；采用LabVIEW编程进行数据处理和波形显示；客户计算机利用DataSocket技术进行远程数据监测，并实现数据在Internet上实时传输。经过近1年的运行，通过利用通信控制器实现远程通信，每天在监控主机生成一个监测数据记录文件，经过对记录数据进行分析，可得到一年四季光照强度和日发电量的变化，并可通过试验测试得到采用自动跟踪式的发电设备和固定式的发电设备发电功率曲线，以及控制直流电流和直流电压找到太阳能电池板发电的最大功率曲线。在12台跟踪式太阳能光伏阵列中选择两台进行试验，首先将6#电池板阵列的太阳能自动跟踪器关闭，并通过手动调节将电池板阵列调整为面向正南、仰角45b的位置，使其固定不动；而7#电池板阵列的太阳能自动跟踪器启动，使其自动跟踪太阳的位置。在此状态下测量两块电池板阵列的电压、电流和功率，因两块电池板阵列并联接在直流母排上，所以电压值为同一值，跟踪与不跟踪的电流变化曲线和功率的变化曲线是一致的。利用通信控制器采集一天的数据远传到后台监控主机，经后台监控软件绘制的发电功率对比曲线。
4结语
本文介绍的通信控制器经过近1年的运行验证，具有工作稳定、功能全面、人机界面友好、使用操作方便、结构简单、成本低、适用性强等特点。该通信控制器除完整的通信功能外，还具有系统运行参数整定及显示功能，以及模拟量和开关量采集、计算功能，是一种功能较完整的光伏并网发电监控装置。
参考文献：
[1]王松林.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用[J].现代电子技术，2012
[2]詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2010