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1、2KW2KW 光伏电源监控与信息传输光伏电源监控与信息传输测控技术与仪器专业摘要：该设计为一无人值守光伏控制电源，将光伏输入为 70V-110V 电压转变成稳定的 48V 电源供 移动通信基站使用。该系统以 BUCK 电路为核心，在设计中采用全控型器件 IGBT 实现对电路可靠的 开通与关断，通过霍尔电压、电流传感器和信号调理电路实现了电路的高精度检测，经高速 DSP TMS320F28035 将数据处理后，控制光伏输入，保证光伏电源的稳定输出。通过对蓄电池充放电特 性进行详细分析后，设计了一个“三阶段充电”方案，以保证最大限度延长蓄电池寿命。在电源管 理方面，该系统提供了有线的 RS-485
2、 和无线的 GSM 两种方案供用户选择。该系统较好的实现了太 阳能的高效利用，经 MATLAB 仿真后证明该电路在各电压点都能稳定工作，通过实践证明，该控制 方案简单可行，系统稳定可靠，性能良好。 关键词：2KW PV power Measurement ,Control andInformation TransmissionStudent majoring in Precision Measurement, Control and Systems Zhaoqian Liu Tutor Huajian Wang1. 绪论1.1 课题的背景与意义 能源是推动世界向前发展的重要动力，目前，能源有下
3、面几种：火力（煤、石油） ，火力（LNG 天燃气），水力，核电，太阳能和风能。其中，前四种被称为常规能源， 后两种为新能源。随着工业化的推进和人口的增长，资源的消耗量日增，在常规能源 使用过程中，煤、石油、天燃气使用过程中会产生温室效应，酸雨等环境破坏现象,制 约了世界经济的可持续发展1，核电使用过程中若由于其他原因泄露，会造成更大的 核辐射危害2。2011 年 3 月 12 日，日本福岛第一核电站因地震引发爆炸引起了世界人 民的恐慌。 太阳能光伏发电和传统能源相比具有以下优点3： （1）资源丰富、分布广泛、取之不尽、用之不竭，可以说是一种无限的资源。 （2）清洁、无污染。光伏发电本身不产生灰
4、尘以及气体等排放废物，不产生噪声， 是一种清洁的可再生能源能源。 （3）资源分布广泛。理论上讲，可以得到太阳光的地方都可以利用太阳能进行发 电，光伏发电几乎不受地域的限制。 （4）建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。 （5）光伏建筑一体化。光伏建筑一体化是目前国际上研究及发展的前沿，这种产 品不仅节省了建造发电站使用的土地面积和费用，而且美观大方。 太阳能发电技术开发之初是 20 世纪 70 年代，那时由于太阳能电池的价格特别高 （1500 美元/瓦），只能用于人造卫星，海岛灯塔电源等不计成本必须用的场所。20 世纪 80 年代20 世纪 90 年代，太阳能电池的价格稍有下降，这一时期，
5、太阳能电池 多用于手表，计算器，路灯等小功率用电器上面。2000 年以来，太阳能发电高速发展， 世界各国都提出了太阳能发电政策。比较有名的有美国光伏发电的“百万屋顶计划”、 日本的“阳光计划”，德国的“十万屋顶发电计划”4，在此政策影响下，各地新能 源公司纷纷成立。 光伏发电机可以采用并网发电5和离网发电6两种主要形式，伴随着分布式发电 系统的发展，光伏可再生能源已经成为一种能源的主要来源。从各种能源的储量预测7 （如图 1-1）看，太阳能必将成为未来可再生能源中的重要组成部分。200020502100215022002250太阳能石油天然气煤铀世界 中国图 1-1 世界和中国能源储量预测1.
6、21.2 研究现状与发展趋势 技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来， 各国围绕着降低太阳能光伏发电成本的各种研究开发工作取得了辉煌成就，表现在电 池效率不断提高、硅片厚度持续降低和产业化技术不断改进等方面。这些对降低光伏 发电成本起到了决定性的作用。在国家科技部和北京市的支持下，国家新能源工程中 心和北京市太阳能光电中心，取得一些可喜的研究成果。单晶硅高效电池效率达到 无穷大19.79%，多晶硅电池效率达到 11.8%，采用 PECVD 技术设备的微晶硅迭层薄膜电池效 率达到 9.5%8。 在光伏发电应用上，光伏水泵系统、通信光伏电源系统、独立光伏电站、输油器
7、 管道阴极保护光伏电源系统、家用光伏电源系统、光风混合发电系统的系统技术方 面，取得了不少的研究成果和工程经验9。在取得许多成果的同时，由于科技的进步，过去常用的设计和控制方案捉襟见肘， 主要体现以下方面： 1、计算机控制技术的发展，使得模拟控制设计略显成本高，设计复杂，曾经用于 BUCK 电路的模拟控制方案10如电压型控制，电流型控制，V2 控制，V2C 控制，等模拟控 制方案已经不能适应数字化时代的发展要求，与模拟控制相比，数字控制具有以下优 点11： （1） 、数字信号处理器的滤波处理能力可以使输出平滑，噪声降低。 （2） 、系统使用的器件少，使得可靠性增加，可以满足越来越小型化的要求。
8、 （3） 、在极端环境温度下，仍具有良好的稳定性和线性，提供可预言的输出特性。 （4） 、可以实现复杂的控制算法，并且很容易改变参数，适应不同的控制要求。 2、数字信号处理技术的发展，进一步促进了数字控制在高性能领域的应用，与通用单 片机相比，由于通用单片机由于处理速度低，为了能实时的处理复杂的算法只能采用 查表的方法，而且为了保证速度，数据表还不能设置的很细，因而控制精度低，随着 DSP 的价格降低，性价比逐渐提高，本系统采用的 TMS320F28035 DSP12芯片，不用查 表的方法就能高精度地满足实时控制的要求。 3、IGBT 的崛起，使得 GTR 淡出。IGBT 由于集成了 GTR
9、和 Power MOSFET 的优点，将电 力电子技术带进了超音频时代13，IGBT 的崛起充分证明新器件的出现会给学科的发展 带来更为深远的影响。 1.3 本文的主要工作 根据光伏电源的通用技术要求，完成光伏电源监控系统中各分站的软硬件设计， 具体功能如下： 1、太阳光发电系统的系统架构。 2、设计了一个“三阶段充电法”对蓄电池进行充电，保证了蓄电池寿命的最大化。 3、本系统采用 MPPT 最大功率跟踪方案，提高了太阳能的利用效率。 4、通过对变流电路的分析，设计了一个易行、可靠的 BUCK 电路。 5、通过对 RS-485 传输方式的分析，设计了一个具有保护功能，抗干扰性强的硬件电 路，并
10、通过软件设计实现了信息传输。 6、通过对 SPI 的分析，设计了一个简单可靠的协议实现了 DSP16 位数据和单片机 8 位 数据通信。 7、通过对 GSM 模块的分析，实现了模块外围电路的硬件设计并使用单片机的串口 2 控 制 GSM 模块和上位机通信。 8、通过选取有代表性的三个电压点进行 MATLAB 仿真，从仿真图上可看出该系统可实 现精密测控和稳定运行。 1.4 本文的组织结构 本文的篇章结构如下： 第一章简要介绍了课题的研究背景，和目前的研究现状，提出了目前光伏电源需 要改进的地方。 第二章详细介绍了光伏电源的总体设计方案和本系统采用的 MPPT 最大功率跟踪方 案、蓄电池充电方案
11、、基于数字 PID 的控制方案。 第三章介绍了基于 DSP 的精密测控部分的软硬件设计，包括传感器的选择与检测电路的设计，BUCK 斩波电路中器件的选择与硬件电路的设计方案，最后给出了基于 DSP 的控制方案和程序流程图：包括采样频率的确定，最大功率点跟踪，蓄电池充放电 的控制和数字 PID 的控制参数的选取。 第四章介绍了 DSP 与单片机之间进行 SPI 通信的软硬件设计，单片机的通用串口 控制 RS232-GSM 模块与上位机进行无线通信和单片机的串口 2 控制的 RS232-RS485 有 线通信方案。 第五章介绍了该通信用电源的实验结果分析。 第六章总结了本系统设计的得失，为以后的设
12、计提供参考。2 系统总体设计与工作原理2.12.1 系统整体设计 该系统是一个有效的控制太阳能向蓄电池充放电和向负载供电的设备，为了提高 了提高系统的实时性和适用性，采用 DSP 来完成核心算法与控制，而使用 MCU 来实现 人机对话，以实现实时控制功能。在它们两者之间采用高效的 SPI 通信方式来完成大 量数据的传输 2KW 光伏电源监控与信息传输的总体网络结构如图 2-1 所示：S T C 12C5A60S2TMS320 F28035SPI 通信TFT 液晶显示LED 指示GSMPC机箱温度光伏输入蓄电池PC2.2 光伏控制器的原理与控制策略 2.2.1MPPT 最大功率跟踪原理图 2-1
13、 2KW 光伏电源监控与信息传输的总体网络结构太阳能光伏发电有两大缺点14，一是太阳能电池阵列的成本较高，而是太阳能 电池板的光电转换效率比较低，普通多晶硅材料的太阳电池的光电转换效率约为 1214，如果把系统电路的损耗也考虑进去，则光伏发电系统的综合效率只 有 11左右。这就需要研制能量转换效率高且价格低廉的光电材料，另一方面就是光 伏系统控制策略上实现太阳能电池的最大功率输出。即将光伏电池组件产生的最大功 率及时的提供给负载，使太阳能系统的能量利用效率尽可能提高。 对于内阻不变的系统，电路可等效为如图 2-2 所示的形式图 2-2 内阻不变系统内阻等效图 Ui 为电源电压，Ri 为电压源的
14、内阻，Ro 为负载电阻，则负载上消耗的功率为ORP=I2Ro=ORP2 I O IOURRR上式中 UI 和 RI 均是常数，对 RO 求导，可得=POORd dR2 3()ioioRRiRRU令=0；POORd dR 则 Ri=Ro 时，取得最大值。ORP 可以用这种外阻等于内阻的方法获得最大输出功率， 但在太阳能供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境 温度几负载的影响，而且处在不断变化之中，从而不能采用上述简单办法来获得最大 输出功率。 在对最大功率跟踪的研究15当中，主要有以下几种方案： I、固定电压跟踪法。 固定电压跟踪法（constant voltage tra
15、cking .CVT）是较早产生的一种 MPPT 控 制方法，从图 2-3 太阳能电池的伏安特性曲线可以看出，各曲线的最大功率点几乎分 布于一条垂直线的两侧（日照强比较高时） ，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对 应于某个电压值。固定电压跟踪法就是根据太阳能电池阵列的最大输出功率对应的工 作电压变化不大这一特性而提出的。该控制方式控制简单、系统运行稳定、可靠性高 等优点，但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响，导致阵列的伏安曲线 与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，这样系统将会产生振荡，不能真正实现 最大功率点的跟踪控制。图 2-3 硅太阳电池的伏安特性曲线 II 扰动观察法。
16、如图 2-4 所示，扰动观察法的原理是先扰动光伏阵列的输出电压值（Upv +U ）,再 测量功率变化，设测得当前阵列输出功率为 Pd ，与扰动之前功率值 Pi 相比，若 PdPi ，即功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一（+U ）方向扰动；反之，若 Pd0 时，U-dI dUI U当Umax;dP dU此时，I0时， C3 被充电，设电感 L1 的谐波电流完全流过 C3,负载电流的脉动很小，即，由LCii 于电容电流在一个周期的平均值为零，则在半个周期内电容放电或充电的电荷量为：Q1(1)1()22228TTIQIT相应的电压脉动量为：0 008LQTUICC又结合(1) LVoILf则2001 (1)(1)088VoVofUCLfLC f则0200(1) 8UdCLU f本系统中设0Uo0.0050.005 48V0.24VV22o 33 o1481125.3uF88 0.5
