家用光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)研究

1、<p>　　武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　家用光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)研究</p><p>　　學院（系）： 自動化學院</p><p>　　專業(yè)班級： 電氣工程 及其自動化專業(yè) 電氣1103班</p><p>　　學生姓名： 孫憶萌 <

2、/p><p>　　指導教師： 黃亮 </p><p>　　學位論文原創(chuàng)性聲明 </p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。</p><p

3、>　　作者簽名： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　學位論文版權使用授權書</p><p>　　本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選

4、機構將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。</p><p>　　本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權書</p><p><b>　　2、不保密囗 。</b></p><p>　　（請在以上相應方框內(nèi)打“√”）</p><p>　　作者

5、簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p>　　導師簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著時代的發(fā)展和社會現(xiàn)代化的一步步前進，人類對能源的需求越來越多。如今，新能

6、源開發(fā)成為解決能源問題的根本途徑。在人們對新能源的不斷探索中，電能始終處于舉足輕重的地位。而太陽能光伏發(fā)電也正是新能源和可再生能源的重要組成部分。</p><p>　　由此，在光伏發(fā)電這一問題中，本文探究了家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構、原理、能量流管理的方法。我們采用MCGS小型工業(yè)平板電腦對MPPT太陽能控制器及48VDC/220VAC雙向轉換逆變器進行控制，利用MCGS組態(tài)軟件搭建了系統(tǒng)界面，選擇了通信接口方案并撰

7、寫光伏發(fā)電系統(tǒng)通信協(xié)議，連接硬件DSP進行調(diào)試。最終希望實現(xiàn)對家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓、電流輸入輸出量等的反映，呈現(xiàn)出一個便于用戶操作的觸摸屏界面，并通過Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)與硬件的連接。</p><p>　　關鍵詞：太陽能、發(fā)電、工業(yè)平板、通信、控制</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　With th

8、e development of the age and social modernization, a growing number of energy is demanded by peoples. Nowadays, the development of new energy has become a fundamental way to solve the energy problem. In the course of the

9、 continuous exploration of new energy, electric energy always plays a decisive role. At the same time, the solar photovoltaic power generation is an important part of new energy and renewable energy. </p><p>

10、;　　Thus, this paper explores the domestic photovoltaic power generation system’s structure, theory and energy flowing management method for the issue of the photovoltaic power generation. We adopt MCGS small industrial p

11、anel PC to control MPPT solar controller and 48VDC/220VAC bidirectional conversion inverter. MCGS configuration software is used to build a system interface. We selected the communication interface program and writing PV

12、 system communication protocol. Then we connected hardware DSP </p><p>　　Key Words：Solar energy, Power generation, Industrial panel PC, Communication, Control</p><p><b>　　緒論</b></

13、p><p>　　研究背景、目的和意義</p><p>　　長期以來，人們就一直在努力研究和利用太陽能。我們地球所接收到的太陽能，雖然只占太陽表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，但是這些能量相當于全球所需總能量的3~4萬倍[1]，可謂取之不盡，用之不竭。太陽能和石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”和全球性氣候變化，也不會造成環(huán)境污染。特別是在近10多年來，在石油可開采量日漸見底和生態(tài)

14、環(huán)境日益惡化這兩大危機的夾擊下，太陽能的利用受到許多國家的重視，大家正在競相開發(fā)各種光電新技術和光電新型材料以擴大太陽能的應用領域。從發(fā)電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應用十分廣泛，在一些領域，太陽能的利用已開始進入實用階段。電能是目前使用最廣泛的能源利用形式，光電轉換在太陽能的引用領域中占有重要的地位。太陽能電池就是一種經(jīng)由太陽光照射后，把光的能量轉換成電能的能量轉換元件，由它組成的系統(tǒng)通常我們稱之為光伏電池光伏系統(tǒng)。&l

15、t;/p><p>　　從長遠來看，可再生能源將是未來人類的主要能源來源，世界上多數(shù)發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家都十分重視可再生能源對未來能源供應的重要作用。在新能源發(fā)展中，光伏發(fā)電是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一,世界各國都把太陽能的開發(fā)和利用作為重要的研究內(nèi)容。根據(jù)歐洲JRC 的預測，到2030年太陽能發(fā)電將在世界電力的供應中顯現(xiàn)其重要作用，達到10%以上，可再生能源在總能源結構中占到30％；2050 年太陽能發(fā)電將占總能耗的20

16、%，可再生能源占到50％以上，到本世紀末太陽能發(fā)電將在能源結構中起到主導作用。</p><p>　　我國的光伏產(chǎn)業(yè)雖然起步晚，但其發(fā)展迅速。如今，太陽能已經(jīng)是我國重點開發(fā)、利用和發(fā)展的新能源之一。近年來，政府出臺了部分政策來鼓勵發(fā)展家用光伏發(fā)電。盡管在發(fā)展過程中仍存在不足之處，但對于太陽能這一新能源能夠走入尋常百姓家的進程來說，研究家用光伏發(fā)電系統(tǒng)對我們?nèi)粘Ｉ钣秒姷奶峁﹣碚f是非常值得的。而能量流控制則是整個系統(tǒng)

17、的關鍵部分，重中之重。我們希望可以根據(jù)控制算法所呈現(xiàn)出來的用電數(shù)據(jù)信息，對家用光伏發(fā)電系統(tǒng)作進一步改進，從而優(yōu)化或提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能效。</p><p>　　利用小型工業(yè)平板電腦的控制算法監(jiān)測系統(tǒng)從太陽能電池板和國家電網(wǎng)兩向的電量信息，并顯示在工業(yè)平板電腦顯示屏上，便于用戶操作。進而，通過對系統(tǒng)的能量流數(shù)據(jù)進行分析，確定優(yōu)化方案，最終實現(xiàn)對太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)、太陽能光伏發(fā)電充電以及電網(wǎng)對蓄電池充電過程中能量流流

18、動的控制。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　隨著世界各國陸續(xù)進行的工業(yè)化進程和現(xiàn)代化發(fā)展，能源消耗得越來越多，應運而生的世界光伏產(chǎn)業(yè)正迅猛發(fā)展。自20世紀90年代后半期開始，世界太陽能電池產(chǎn)量逐年增長，光伏產(chǎn)業(yè)也迅速躥升為繼IT行業(yè)之后發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　美國是最早實現(xiàn)太陽能轉換為電能的

19、國家。1930年，朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽能電池”，使太陽能變成電能。1954年，恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶太陽能電池。在2008年新增裝機容量已經(jīng)列全球第2位[2]，20l1年2月4日，美國能源部發(fā)起“Sunshot”計劃，擬在2020年前將太陽能光伏系統(tǒng)總成本降低75％，達到每千瓦時6美分，隨后美國能源部宣布了一系列有條件貸款擔保太陽能光伏項目，整個2011年美國陽能光伏發(fā)電裝機容量為185．5萬千

20、瓦，為2010年的兩倍以上。美國光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展主要得益于與光伏發(fā)電相關的組件價格大幅下降以及聯(lián)邦政府的大力補貼。</p><p>　　德國可以說是世界上對光伏產(chǎn)業(yè)支持力度最大的國家。其太陽能光伏電池的用量接近整個世界的一半，其光伏產(chǎn)業(yè)近幾年來發(fā)展迅猛。德國2009年的太陽能總裝機容量為4Gw，2010年則迅速增長到10Gw，2011年更是創(chuàng)下世界紀錄，年裝機容量達到7．5Gw。但由于其光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過于迅速，

21、導致了光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩，一系列老牌光伏產(chǎn)業(yè)申請破產(chǎn)，包括solon、systaic等著名廠商，其中Solon是德國光伏企業(yè)中最早上市的公司，為德國的明星企業(yè)。</p><p>　　日本是最早推廣光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的國家之一，2004年以前日本一直雄踞光伏產(chǎn)業(yè)的霸主地位，但自從2005年開始，日本取消了“陽光屋頂計劃”，裝機容量呈下降趨勢，2009年后，日本重新開始太陽能屋頂補貼計劃，光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)發(fā)展新面貌，但由于200

22、5—2008年之間政府的消極政策，導致日本光伏技術比之歐洲國家相對落后，其太陽能電池價格偏貴。</p><p>　　中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，國內(nèi)光伏市場狹小，2006年以來中國光伏產(chǎn)品的出口比例一直在95％以上，而國內(nèi)太陽能總裝機容量僅為全球總容量的2％。中國政府今年來連續(xù)頒布了一系列政策支持光伏產(chǎn)業(yè)，在，“十二五”期間，國家已明確了從兩方面推動光伏發(fā)電應用：一是通過國際通行的招標方式，啟動建設一批規(guī)模較大的并

23、網(wǎng)光伏電站；二是繼續(xù)大力推進和實施“金太陽示范工程”，通過多種政策補貼的組合帶動應用項目發(fā)展。</p><p>　　目前，國內(nèi)外普遍應用的家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)控制方法有在線監(jiān)控系統(tǒng)通過PC機、VC控制、利用LabVIEW控制和一些廠家生產(chǎn)的工業(yè)平板來控制等。</p><p>　　在線監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為硬件平臺，實現(xiàn)的軟件功能是在線實時觀測各系統(tǒng)參數(shù)，如蓄電池的輸入電壓、輸出電壓等，并把這些

24、數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中，以便于分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。在線監(jiān)控系統(tǒng)一般通過PC的串口或I/O端口來與光伏系統(tǒng)的硬件控制器傳送數(shù)據(jù)。使用較多的是VC開發(fā)上位機的監(jiān)控系統(tǒng)[3]。</p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)的測試測量、控制、仿真等方面，我們可以通過LabVIEW軟件來實現(xiàn)。它是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他

25、計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。</p><p>　　在太陽能發(fā)電系統(tǒng)的控制上面，我們還常見通過工業(yè)平板電腦來控制。工業(yè)平板電

26、腦是專供工業(yè)界使用的工業(yè)控制計算機，常見的有MCGS、研華、華北工控、凌華等品牌。其基本性能及相容性與商用電腦相差無幾，但工業(yè)平板電腦更多的是注重在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性， 如日用品生產(chǎn)線控制、汽車生產(chǎn)線控制等等，在惡劣的環(huán)境下要求穩(wěn)定，如防塵、防水、防靜電等。工業(yè)平板電腦并不要求當前最高效能，只求達到符合系統(tǒng)的要求，需符合工業(yè)環(huán)境中的可靠性要求與穩(wěn)定。 同時，面向用戶的操作高便捷性也是工業(yè)平板的一大特點。</p><p

27、>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池板、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。由于太陽能電池的輸出功率受太陽光強和環(huán)境因素影響很大，且不能儲存能量，因此，我們需要為其配備蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能。為了充放電電流能得到有效控制，防止負載變化所引起的電流大幅增減，我們避免了蓄電池直接與直流母線連接，而是選擇在蓄電池和直流母線之間增加DC/DC變換器。系統(tǒng)可以通過DC/AC逆變

28、器接交流負載，也可以通過DC/DC變換器接直流負載。通過小型平板電腦對MPPT太陽能控制器及雙向轉換逆變器進行控制，使輸出功率始終為最大。雙向轉換逆變器是既可以將直流電變換成交流電，也可以將交流電變換成直流電的逆變器。在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要控制蓄電池組的充電和放電，是系統(tǒng)的重要控制設備。</p><p>　　在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建過程中，我們需要有軟件的支持，來完成模擬系統(tǒng)搭建和數(shù)據(jù)采集等任務。MCGS是北

29、京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的、用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構造自己的應用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集

30、站、人機界面等專用設備。 </p><p>　　在與硬件進行通信的時候，我們選用的的硬件是DSP芯片，RS-485通信標準和Modbus通訊協(xié)議。Modicon 的各種控制器使用的公共語言被稱為Modbus 協(xié)議，該協(xié)議定義了控制器能識別和使用的信息結構。當在Modbus 網(wǎng)絡上進行通訊時，協(xié)議能使每一臺控制器知道它本身的設備地址，并識別對它尋址的數(shù)據(jù)，決定應起作用的類型，取出包含在信息中的數(shù)據(jù)和資料等，控制器

31、也可組織回答信息，并使用Modbus 協(xié)議將此信息傳送出去?；谕ㄐ艆f(xié)議的要求，我們撰寫了家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的RS-485通信協(xié)議。</p><p>　　通過家用光伏發(fā)電系統(tǒng)配合MCGS的工業(yè)平板電腦的控制，加上Modbus通訊協(xié)議作為連接標準，我們可以實現(xiàn)系統(tǒng)的能量流控制，從而尋求對于家庭用戶的能量流優(yōu)化方法。</p><p>　　第2章 家用光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)概述</p>&

32、lt;p>　　2.1 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　家用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池、蓄電池組、充電器和逆變器四部分構成。其中，光伏電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽光照的情況下輸出能量。DC/DC變換器將光伏電池板的寬范圍直流輸出電壓（本設計中為100V）轉換為穩(wěn)定的直流母線電壓（48V）。此外，該系統(tǒng)還需要蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)。根據(jù)負載

33、的需要，當光伏電池發(fā)電量大于負載時，光伏電池通過充電器對蓄電池電；當發(fā)電量不足時，光伏電池和蓄電池同時對負載供電。如果負載是交流負載，則還需要逆變器將直流電轉化為交流電。該系統(tǒng)通過DC/AC交流逆變器接交流負載。</p><p>　　經(jīng)過設計之前對于光伏發(fā)電系統(tǒng)基本構成的分析[4]，我們發(fā)現(xiàn)，如果把光伏陣列與蓄電池直接連接起來，會出現(xiàn)輸出電流不穩(wěn)定可能性。由于光伏陣列的輸出特性與日照強度和溫度等因素有關，一方面蓄

34、電池的內(nèi)阻不會隨著光伏電池輸出的最大功率點的變化而變化，致使無法對光伏電池的輸出進行調(diào)節(jié)，造成資源的浪費；另一方面蓄電池的充電電壓隨外界環(huán)境的變化而變化，不穩(wěn)定的電壓對蓄電池進行充電，只會影響蓄電池的壽命。因此，我們需要在光伏陣列和蓄電池之間加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，即帶有MPPT的光伏發(fā)電系統(tǒng)。它既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩(wěn)定的電壓對蓄電池進行充電。家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成（典型結構框圖）如圖2.1所示：</p

35、><p>　　圖2.1 家用光伏系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理概述</p><p>　　2.2.1 光伏電池的工作原理基礎</p><p>　　太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。光伏電池，也叫太陽能電池，它是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是

36、光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。其中，光—電直接轉換方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。</p><p>　　光伏電池是以光生伏打效應為基礎的能量轉換裝置。所謂的光生伏打效應是指某種材料在吸收了光能之后產(chǎn)生電動勢的效應。在氣體，液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應。在固體，特別是半導體中，光能轉換成電能的效率相對較高。</p><p>

37、;　　單晶硅的原子是按照一定規(guī)律排列的。每個原子的外層電子都有固定的位置，并受原子核約束。它們在外來能量的激發(fā)下，如在太陽光輻射時，就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子，并同時在它原來的地方留出一個空位，即半導體物理學中所謂的/空穴0。由于電子帶負電，空穴就表現(xiàn)為帶正電。電子和空穴就是單晶硅中可以運動的電荷。在純凈的硅晶體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在晶體硅中摻入能夠俘獲電子的硼、鋁、鎵或銦等雜質元素，那么它就成為空穴型半導體，

38、簡稱p型半導體。如果有硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、砷或銻等雜質元素，那么它就成了電子型的半導體，簡稱n型半導體。若把這兩種半導體結合在一起，由于電子和空穴的擴散，在交界面處便會形成p-n結[5]，并在結的兩邊形成內(nèi)建電場，又稱勢壘電場。由于此處電阻特別高，所以也稱為阻擋層。當太陽光照射p-n結時，在半導體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應地便產(chǎn)生了電子空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅向n型區(qū)，空穴被驅向p型區(qū)，從而使n區(qū)有過

39、剩的電子，p區(qū)有過剩的空穴;于是，就在p-n結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分</p><p>　　太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點。太陽能電池壽命長 ，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用;與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能

40、電池組，這是其他電源無法比擬的。其工作原理圖如下：</p><p>　　圖2.2 光伏電池工作原理（1）</p><p>　　圖2.3光伏電池工作原理（2）</p><p>　　2.2.2 MPPT太陽能控制器</p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量流控制中，最大功率點跟蹤（MPPT）方法是提高系統(tǒng)能效的重要手段[6]。如果負載與太陽能電池

41、直接相連接，當光照強度或者溫度變化時，負載的工作點偏離最大功率點，系統(tǒng)輸出功率下降，負載就不能獲得最大功率。為了使光伏電池在各種溫度以及光照強度條件下都能將發(fā)出的功率最大限度地輸出給蓄電池，可以在光伏電池和蓄電池之間設置一個控制器以實現(xiàn)光伏電池功率的最大輸出，這相當于在太陽電池與負載之間接人一個阻抗變換器，使得負載的輸人阻抗與太陽能電池的輸出阻抗總是處于最佳的匹配狀態(tài)，從而得到最大輸出功率。</p><p>　　

42、它通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏電池板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)能夠將太陽能電池板發(fā)出的直流電貯存在蓄電池中，可有效地解決常規(guī)電網(wǎng)不能覆蓋的偏遠地區(qū)及旅游地區(qū)的生活和工業(yè)用電，且不產(chǎn)生環(huán)境污染。</p><p>　　同時，我們選擇采用DC/DC變換電路實現(xiàn)MPPT的原理。DC/DC變換器主要有兩個作用：一是調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點，使其工作在最大功率處；二是限制蓄電池充電電壓范圍，起到調(diào)節(jié)作用。</p&g

43、t;<p>　　2.3 MPPT能量流優(yōu)化</p><p>　　2.3.1最大功率點跟蹤控制（MPPT）法</p><p>　　最大功率點跟蹤控制(MPPT)策略通過不斷地檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，運用控制算法來估算當前情況下系統(tǒng)輸出的最大功率，通過調(diào)整當前的負載阻抗匹配來實現(xiàn)最大功率輸出。這樣就可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因結溫升高而使得陣列輸出功率降低時，仍可以保證整個系統(tǒng)在當前

44、工況下運行于最佳的匹配狀態(tài)。 </p><p>　　圖2.4 MPPT算法分析示意圖</p><p>　　設A、B點分別為兩種輸出特性下的最大功率輸出點。在某一時刻，系統(tǒng)運行在A點，當光照強度或是其他條件發(fā)生變化時，即光伏陣列的輸出特性由曲線1上升為曲線2[13]。此時如果保持負載1不變，系統(tǒng)將運行在A點，這樣就偏離了相應條件下的最大功率點。為了追蹤最大功率點，應當將系統(tǒng)的負載特性由負載1

45、變化至負載2，以保證系統(tǒng)運行在新的最大功率點B。常用的最大功率跟蹤方法主要有：恒定電壓控制法、干擾觀測法、電導增量法等。</p><p>　　2.3.2 控制總體流程及預期效果</p><p>　　MPPT控制器的主要任務是，通過A/D采樣判斷光伏電池的電壓[7]，并且監(jiān)視蓄電池的充電狀態(tài)，防止蓄電池組過充。程序流程圖如圖2.5所示。</p><p>　　“未充滿”

46、狀態(tài)時，通過改變最大允許充電電流寄存器的數(shù)值，不斷減小最大允許電流比較值，直到最大允許電流值降到過沖終止閥值電流值，直到結束本循環(huán)。</p><p>　　“充滿”狀態(tài)時，在下一次循環(huán)的時候，由于最大充電電流變?yōu)殇噶?，所以進入減小電流控制環(huán)，通過減小電流控制環(huán)進入浮沖階段。此時如果沒有放電，電壓就維持在浮充電壓階段，由涓流維持自放電電流。</p><p>　　MPPT控制器的主要功能是檢測主

47、回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤[8]。擾動電阻R和MOSFET串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動。同時，光伏電池的輸出電流電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽能光能板輸出功率增加，下周期繼續(xù)朝同一方向擾動，反之，朝反方向擾動，如此，反復進

48、行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。</p><p>　　圖2.5 MPPT充電控制策略圖</p><p>　　第3章 基于MCGS的太陽能發(fā)電系統(tǒng)搭建</p><p>　　3.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結構</p><p>　　獨立運行的光伏電站一般由太陽電池陣列、充電控制器、蓄電池組、逆變器以及交流控制器組成。其中充電控制器、

49、逆變器、交流控制器通常具備運行數(shù)據(jù)顯示功能，能夠通過其本身的數(shù)字儀表顯示實時的太陽電池陣列電壓、太陽電池充電電流、蓄電池電壓等重要的電站運行數(shù)據(jù)。但是，由于設備本身功能的局限，此類設備不能對電站的運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、處理以及長時間存儲。而電站的日常運行數(shù)據(jù)對于電站系統(tǒng)的管理，設備的維護，以及今后的科研分析具有重要的參考價值。鑒于此，我們采用一種工業(yè)領域已成熟的組態(tài)軟件技術，來實現(xiàn)能量流的控制設計。</p><p>

50、　　MCGS7.7軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設計和構造自己的應用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。MCGS組態(tài)軟件（以下簡稱MCGS）由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成。兩部分互相獨立，又緊密相關。</p><p>　　圖3.1 組態(tài)軟件運行結構</p

51、><p>　　MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結果數(shù)據(jù)庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構成了用戶應用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程”。MCGS運行環(huán)境是用戶應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序Mcg

52、sRun.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。在運行環(huán)境中完成對工程的控制工作。</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。根據(jù)各個窗口所對應的不同功能，我們簡單的做了框圖進行說明，詳見圖3.2。</p><p>　　圖3.2MCGS工程組成

53、及對應功能</p><p>　　3.2 MCGS工程構建</p><p>　　首先，在MCGS組態(tài)軟件下建立一個新工程；其次，在MCGS的工作臺——用戶窗口，建立五個窗口（見下圖3.3），即光伏發(fā)電系統(tǒng)能量流控制、存盤數(shù)據(jù)瀏覽、實時曲線、DC/AC、DC/DC，分別對應界面所需顯示的五個部分。</p><p>　　其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)能量流控制部分（如圖3.4）顯示了

54、工程名稱、時間這些關于工程的基本信息，構建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的框架結構；顯示了光伏電池板輸出電壓和電流、DC/DC輸出電壓電流、蓄電池輸出電壓電流和DC/AC輸出電壓電流，方便用戶隨時查看整個系統(tǒng)的電壓電流情況；藍色表示直流電，紅色表示并網(wǎng)交流電。在DC/DC環(huán)節(jié)和DC/AC環(huán)節(jié)，我們還設置了報警提示。當這兩個部分運行故障時將會有報警燈亮起進行提示。同時，我們還設置了兩個鏈接按鈕，在運行時可方便用戶直接跳轉到存盤數(shù)據(jù)瀏覽窗口和實時曲線窗口。

55、開始/關閉按鈕則受MCGS觸摸屏控制，啟動或停止系統(tǒng)。</p><p>　　在這一環(huán)節(jié)的設計過程中，最初，兩個報警指示部分我并沒有考慮到。當系統(tǒng)連接硬件進行測試的時候，我考慮到在實際運行中，由于光照強弱不同，有時候可能會出現(xiàn)一些預設之外的狀況，比如電流值大于限定值，若長時間在這一情況下運行，將有可能導致系統(tǒng)報警甚至故障。因此，在大家看到的最終版本的控制界面上，我們可以看到DC/DC和DC/AC兩個環(huán)節(jié)設有報警指示

56、燈。當用戶使用這個家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制面板時，可以明顯地看到系統(tǒng)運行是否正常，而不用像設計人員一樣去研究歷史數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.3 建立用戶窗口</p><p>　　圖3.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)能量流控制</p><p>　　存盤數(shù)據(jù)瀏覽窗口（如圖3.5）內(nèi)設有時間和上面提到的關于系統(tǒng)四組電流電壓值兩大類數(shù)據(jù)。有了歷史數(shù)據(jù)，可以更加方便我們監(jiān)測、檢測和修正

57、等工作。如果系統(tǒng)在某一次運行時出現(xiàn)報警或者錯誤，我們可以通過瀏覽歷史存盤數(shù)據(jù)，去尋找出問題的環(huán)節(jié)，然后研究解決辦法。同時，在該界面上我們設置了返回按鈕，當用戶完成對歷史存盤數(shù)據(jù)的瀏覽時，可以直接返回系統(tǒng)主界面。這在數(shù)據(jù)實時曲線、DC/DC、DC/AC窗口都有設置，后面不再贅述。</p><p>　　在這一環(huán)節(jié)的設計過程中，最初，我并沒有設置顯示四組電流電壓值，而是DC/DC環(huán)節(jié)和DC/AC環(huán)節(jié)的兩個輸出功率值。相

58、較于最初的版本，下圖的最終版本所呈現(xiàn)的信息是比較全面的，對于運行之后的反復研究也是更加直接有效的信息。當然，關于功率的信息也十分重要，我們將其放在了下一個用戶窗口中，稍后將會做詳細的介紹。</p><p>　　圖3.5 存盤數(shù)據(jù)瀏覽</p><p>　　在前面我們提到了系統(tǒng)DC/DC和DC/AC部分的功率，在此，我們設計了將用光伏發(fā)電系統(tǒng)能量流數(shù)據(jù)實時曲線（如圖3.6），顯示的數(shù)據(jù)為DC/

59、DC和DC/AC的輸入輸出功率。有了功率量的曲線，我們可以觀測在一天之內(nèi)太陽能電池板發(fā)出功率的情況，并找到功率的最大值點，以及功率較高的時間段。有了這些數(shù)據(jù)，有助于在后續(xù)的設計中優(yōu)化能量流管理的部分。對于用戶來說，也可以清晰地看到一天內(nèi)系統(tǒng)發(fā)電情況，了解家庭通過光伏發(fā)電所獲得功率的多少。</p><p><b>　　圖3.6實時曲線</b></p><p>　　根據(jù)電

60、力電子技術課程和模電課程[9~10]中曾經(jīng)學過的直流交流變換電路，我們在MCGS組態(tài)環(huán)境下構建了如圖3.7所示的橋型電路。其中有兩組電壓電流值，分別為DC/DC環(huán)節(jié)的輸入和輸出。對每一個MOS管，都監(jiān)測了它的占空比。當MOS管實際運行時，會產(chǎn)生一定的熱量，實際硬件構成中會為MOS管裝上散熱板。因此，為了監(jiān)測板子上由于MOS管工作散熱而產(chǎn)生的溫度變化，我們添加了兩個溫度值監(jiān)測窗口。前面提到，根據(jù)DC/AC模塊的輸入輸出功率，我們繪制了曲線

61、，在此，我們也可以通過模塊中的功率顯示框觀察。</p><p>　　與DC/AC電路的監(jiān)測量相似，DC/DC模塊中同樣對輸入輸出的兩組電流電壓、晶體管占空比、散熱板溫度和輸入輸出功率進行監(jiān)測。</p><p>　　圖3.7 DC/AC電路</p><p>　　圖3.8 DC/DC電路</p><p>　　截止以上部分，家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構搭

62、建就完成了。為了之后與硬件DSP的通信做準備，我們還需要對串口的基本屬性進行設置，以便在編寫通信協(xié)議之后，可以順利連接DSP。在工作臺-設備組態(tài)-設備窗口下，雙擊通用窗口父設備，即可進入通用串口設備屬性編輯（如圖3.9）。將最小采樣周期設置為200ms，串口端口設置為1-COM2。那么，在下一章所述的通信協(xié)議編寫完畢后，進行硬件調(diào)試的時候，需要注意串口端口號的對應。</p><p>　　圖3.9 通用串口設備屬&

63、lt;/p><p>　　第4章 通信協(xié)議設計</p><p>　　4.1 通信接口方案</p><p>　　4.1.1 RS-232通信</p><p>　　RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱232，RS232）。它被廣泛用于計算機串行接口外設連接。RS-232C標準，

64、其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)聯(lián)盟,RS（Recommended standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232的第三次修改（1969年），在這之前，還有RS232B、RS232A。</p><p>　　目前的最新版本是由美國電信工業(yè)協(xié)會（TIA, Telecommunications Industry Association，由EI

65、A所分出的一個組織）所發(fā)布的TIA-232-F，它同時也是美國國家標準ANSI/TIA-232-F-1997 (R2002)，此標準于2002年受到再確認。在 1997年由TIA/EIA發(fā)布當時的編號則是TIA/EIA-232-F與ANSI/TIA/EIA-232-F-1997。在此之前的版本是TIA/EIA-232-E。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及發(fā)送過程。其他常用電氣標準還有EIA-RS-422-A、EIA-RS-42

66、3A、EIA-RS-485。</p><p>　　4.1.2 RS485通信</p><p>　　電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983 年制訂并發(fā)布RS-485 標準，并經(jīng)通訊工業(yè)協(xié)會（TIA）修訂后命名為TIA/EIA-485-A，習慣地稱之為RS-485標準，也稱為RS-485協(xié)議。RS-485協(xié)議的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式（Differential Driver Mode），也稱作平衡傳

67、輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖所示。</p><p>　　圖4.1 發(fā)送器示意圖</p><p>　?。菏鼓芏藢S-422是可選，對RS-485是必選</p><p>　　通常情況下，發(fā)送器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)；負電平在-2～-6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C。在RS-485器件中，一般還有一個“

68、使能”控制信號?！笆鼓堋毙盘栍糜诳刂瓢l(fā)送發(fā)送器與傳輸線的切斷與連接，當“使能”端起作用時，發(fā)送發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。 </p><p>　　對于接收發(fā)送器，也做出與發(fā)送發(fā)送器相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應相連。當在接收端A-B之間有大于+200mV的電平時，輸出為正邏輯電平；小于-200mV時，輸出為負邏輯電平。在接收發(fā)送器

69、的接收平衡線上，電平范圍通常在200mV至6V之間。參見圖4.2所示。定義邏輯1（正邏輯電平）為B＞A的狀態(tài)，邏輯0（負邏輯電平）為A＞B的狀態(tài)，A、B之間的壓差不小于200mV。 TIA/EIA-485串行通訊標準的性能如表3.1 所示。</p><p>　　圖4.2 接收器示意圖</p><p>　　表4.1 TIA/EIA-485串行通訊標準的性能</p&g

70、t;<p>　　RS-485標準的最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。 通常，RS-485網(wǎng)絡采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，只有在20kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般來說，15米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。  需注意的是，并不是所有的RS-485收發(fā)器都能夠支持高達10Mbp

71、s的通訊速率。如果采用光電隔離方式，則通訊速率一般還會受到光電隔離器件響應速度的限制。 </p><p>　　4.1.3 通信方案選擇</p><p>　　在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領域，通常情況下是采用串口通信的方式進行數(shù)據(jù)交換。最初采用的方式是 RS232 接口，由于工業(yè)現(xiàn)場比較復雜，各種電氣設備會在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232

72、接口只能實現(xiàn)點對點通信，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，最大傳輸距離也只能達到十幾米，不能滿足遠距離通信要求。而 RS485 則解決了這些問題，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問題，最大距離可達 1200 米，并且允許多個收發(fā)設備接到同一條總線上。隨著工業(yè)應用通信越來越多，1979年施耐德電氣制定了一個用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議 Modbus 協(xié)議，現(xiàn)在工業(yè)中使用 RS485 通信場合很多都采用 Modbus 協(xié)議。</p>

73、<p>　　在本設計中，首先我們最終要實現(xiàn)MCGS工業(yè)平板和MPPT太陽能控制器（DC/DC）、直流-交流變換器（DC/AC）兩者進行通信，需要多機通信的協(xié)議標準。其次，考慮到RS-232標準的傳輸距離短，而RS-485標準的傳輸距離較前者更長。故最終，我們選擇使用RS-485通信標準。 </p><p>　　4.2 Modbus協(xié)議的通信概述</p><p>　　4.2.1

74、Modbus上的數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　Modicon 控制器上的標準Modbus 端口定義了連接器，接線電纜，信號等級，傳輸波特率，和奇偶校驗，控制器可直接或通過調(diào)制解調(diào)器(以后簡稱Modems)接入總線(網(wǎng)絡)?？刂破魍ㄓ嵤褂弥鲝募夹g，即主機能起動數(shù)據(jù)傳輸，稱查詢。而其它設備(從機)應返回對查詢作出的響應，或處理查詢所要求的動作。典應的主機設備應包括主處理器和編程器。典應的從機包括可編程控制器。<

75、/p><p>　　主機可對各從機尋址，發(fā)出廣播信息，從機返回信息作為對查詢的響應。從機對于主機的廣播查詢，無響應返回Modbus協(xié)議報據(jù)設備地址，請求功能代碼，發(fā)送數(shù)據(jù)，錯誤校驗碼，建立了主機查詢格式，從機的響應信息也用Modbus 協(xié)議組織，它包括確認動作的代碼，返回數(shù)據(jù)和錯誤校驗碼。若在接收信息時出現(xiàn)一個錯誤或從機不能執(zhí)行要求的動作時，從機會組織一個錯誤信息。并向主機發(fā)送作為響應。</p><

76、p>　　在這些總線上，控制器間采用對等的技術進行通訊，即任意一個控制器可向其它控制器啟動數(shù)據(jù)傳送。因此，一臺控制器既可作為從機，也可作為主機，常提供多重的內(nèi)部通道，允許并列處理主機和從機傳輸數(shù)據(jù)。在信息級，盡管網(wǎng)絡通訊方法是對等的，但Modbus 協(xié)議仍采用主從方式，若一臺控制器作為主機設備發(fā)送一個信息，則可從一臺從機設備返回一個響應，類似，當一臺控制器接受信息時，它就組織一個從機設備的響應信息，并返回至原發(fā)送信息的控制器。查詢響

77、應周期如圖4.3所示。</p><p>　　查詢中的功能代碼為被尋址的從機設備應執(zhí)行的動作類型。數(shù)據(jù)字節(jié)中包含從機須執(zhí)行功能的各附加信息，如功能代碼03 將查詢從機，并讀保持寄存器。并用寄存器的內(nèi)容作響應。該數(shù)據(jù)區(qū)必須含有告之從機讀取寄存器的起始地址及數(shù)量，錯誤校驗區(qū)的一些信息，為從機提供一種校驗方法，以保證信息內(nèi)容的完整性。</p><p>　　主機查詢信息

78、 </p><p><b>　　從機響應信息</b></p><p>　　圖4.3 主從查詢響應周期</p><p>　　從機正常響應時，響應功能碼是查詢功能碼的應答，數(shù)據(jù)字節(jié)包含從機采集的數(shù)據(jù)，如寄存器值或狀態(tài)。如出現(xiàn)錯誤，則修改功能碼，指明為錯誤響應。并在數(shù)據(jù)字節(jié)中含有一個代碼，來說明錯誤，錯誤檢查區(qū)允許主機確認有效的

79、信息內(nèi)容。</p><p>　　控制器可使用ASCII 或RTU 通訊模式，在標準Modbus 上通訊。在配置每臺控制器時，用戶須選擇通訊模式以及串行口的通訊參數(shù)。(波特率，奇偶校驗等)，在Modbus 總線上的所有設備應具有相同的通訊模式和串行通訊參數(shù)。兩種模式的區(qū)別就在于傳輸每個字節(jié)的格式不同。選擇ASCII 或RTU 模式用于標準的Modbus 總線。它定義了總線上串行傳輸信息區(qū)的“位”的含義，決定信息打包

80、及解碼方法。</p><p>　　4.2.2 Modbus信息幀</p><p>　　Modbus 信息以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結束點，使接收設備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設備(廣播時對全部設備)，以及信息傳輸?shù)慕Y束時間?？蓹z測部分信息，錯誤可作為一種結果設定。Modbus 信息幀有ASCII和RTU兩種模式，它們的區(qū)別體現(xiàn)在數(shù)據(jù)位不同和信息傳輸格式不同等方面。我們

81、采用的是RTU模式。</p><p>　　圖4.4 RTU數(shù)據(jù)幀位序</p><p>　　其中，信息地址包括8 位(RTU)，有效的從機設備地址范圍0-247(十進制)，各從機設備的尋址范圍為1-247。地址0 為于廣播地址。主機把從機地址放入信息幀的地址區(qū)，并向從機尋址。從機響應時，把自己的地址放入響應信息的地址區(qū)，讓主機識別已作出響應的從機地址。</p><p>

82、;　　信息幀功能代碼包括8 位(RTU)。有效碼范圍1-225(十進制)，其中有些代碼適用全部型號的Modicon 控制器，而有些代碼僅適用于某些型號的控制器。當主機向從機發(fā)送信息時，功能代碼向從機說明應執(zhí)行的動作。如讀一組離散式線圈或輸入信號的ON/OFF 狀態(tài)，讀一組寄存器的數(shù)據(jù)，讀從機的診斷狀態(tài)，寫線圈（或寄存器），允許下截、記錄、確認從機內(nèi)的程序等。當從機響應主機時，功能代碼可說明從機正常響應或出現(xiàn)錯誤(即不正常響應)，正常響應

83、時，從句簡單返回原始功能代碼；不正常響應時，從機返回與原始代碼相等效的一個碼，并把最高有效位設定為“1”。</p><p>　　從機對功能代碼作為了修改，此外，還把一個特殊碼放入響應信息的數(shù)據(jù)區(qū)中，告訴主機出現(xiàn)的錯誤類型和不正常響應的原因。主機設備的應用程序負責處理不正常響應，典型處理過程是主機把對信息的測試和診斷送給從機，并通知操作者。</p><p>　　數(shù)據(jù)區(qū)有2 個16 進制的數(shù)據(jù)

84、位，數(shù)據(jù)范圍為00-FF(16 進制)，根據(jù)網(wǎng)絡串行傳輸?shù)姆绞?，?shù)據(jù)區(qū)可由一對ASCII 字符組成或由一個RTU 字符組成。主機向從機設備發(fā)送的信息數(shù)據(jù)中包含了從機執(zhí)行主機功能代碼中規(guī)定的請求動作，如離散量寄存器地址，處理對象的數(shù)目，以及實際的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。若無錯誤出現(xiàn)，從機向主機的響應信息中包含了請求數(shù)據(jù)，若有錯誤出現(xiàn)，則數(shù)據(jù)中有一個不正常代碼，使主機能判斷并作出下一步的動作。數(shù)據(jù)區(qū)的長度可為“零”以表示某類信息，如，主機要求-從機響

85、應它的通訊事件記錄（功能代碼OBH）。此時，從機不需要其他附加的信息，功能代碼只規(guī)定了該動作。</p><p>　　標準Modbus 總線，有ASCII和RTU兩類錯誤檢查方法，錯誤檢查區(qū)的內(nèi)容按使用的錯誤檢查方法填寫，我們采用的是RTU檢查方法。使用RTU 方式時，錯誤校驗碼為一個16 位的值，2 個8 位字節(jié)。錯誤校驗值是對信息內(nèi)容執(zhí)行CRC 校驗結果。CRC 碼的高位字節(jié)是最后被傳送的信息。</p&g

86、t;<p>　　在標準的Modbus 上傳送的信息中，每個字符或字節(jié)，按由左向右的次序傳送：最低有效位：（LSB）最高有效位：（MSB）。</p><p>　　4.2.3 錯誤校驗方法</p><p>　　標準的Modbus 串行通訊網(wǎng)絡采用兩種錯誤校驗方法，奇偶校驗(奇或偶)可用于校驗每一個字符，信息幀校驗(LRC 或CRC)適用整個信息的校驗，字符校驗和信息幀校驗均由主機

87、設備產(chǎn)生，并在傳送前加到信息中去。從機設備在接收信息過程中校驗每個字符和整個信息。</p><p>　　主機可由用戶設置的一個預定時間間隔，確定是否放棄傳送信息。該間隔應有足夠的時間來滿足從機的正常響應。若主機檢測到傳輸錯誤時，則傳輸?shù)男畔o效。從機不再向主機返回響應信息。此時，主機會產(chǎn)生一個超時信息，并允許主機程序處理該錯誤信號。注意：主機向實際并未存在的從機發(fā)送信息時也會引起超時出錯信號。</p>

88、<p>　　4.3 擬定基于RS-485物理層的Modbus通信協(xié)議</p><p>　　4.3.1 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的主機/從機通信</p><p>　　在主機和設備之間的通信采用Modbus主機/從機的通信原理，數(shù)據(jù)采用查詢/響應的方式。主機控制數(shù)據(jù)的交換，從機具有響應功能。用設備地址對若干從機進行標識，共有255個地址可供選用。在本設計中，主機為觸摸屏（MCGS工業(yè)平板

89、），從機為MPPT太陽能控制器（從機1）和直流-交流變換器（從機2）兩個。</p><p>　　圖4.5 主從設備連接框圖</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)觸摸屏RS-485通信協(xié)議</p><p>　　根據(jù)RS-485標準，一臺總線上最多可以接31臺從機，有效的從機設備地址范圍0-247 (十進制)，各從機設備的尋址范圍為1-247。在本設計中，從機1（DC/DC

90、）的地址為01H，從機2（DC/AC）的地址為10H。地址00H為廣播地址[11]，兩個從機均能識別，是主機向所有從機發(fā)送指令的信息地址。在主機對從機1或從機2進行信息查詢時，即可通過兩者不同的地址做指令上的區(qū)分。如：系統(tǒng)欲讀取DC/DC的數(shù)據(jù)，則在其查詢指令中輸入起始地址“01”，讀線圈狀態(tài)指令（控制器支持的全部功能代碼見附錄A）“01”，加上數(shù)據(jù)個數(shù)、校驗碼等，即可查詢。</p><p>　　波特率：9600

91、bps，Data0為觸摸屏向DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)【控制】，Data1為DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/DC），Data2為DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/AC）。</p><p>　　表4.2 DSP地址安排</p><p>　　4.3.2 信息傳輸</p><p>　　控制器以RTU 模式在Modbus 總線上進行通訊時，信息中的每8 位字節(jié)分成2 個

92、4 位16 進制的字符，最先傳輸最低位（LSB）。RTU 模式中每個字節(jié)的格式為編碼系統(tǒng)：8 位二進制，十六進制0-9，A-F；數(shù)據(jù)位：1 起始位，8 位數(shù)據(jù)，低位先送；有奇/偶校驗時1 位，無奇偶校驗時0 位；停止位1 位(帶校驗)，停止位2 位(無校驗)；錯誤校驗區(qū)：循環(huán)冗余校驗(CRC)。</p><p>　　信息開始至少需要有3.5 個字符的靜止時間，依據(jù)本設計使用的波特率9600bps，計算得靜止的時間

93、約為1.5ms，如表4.3。接著，第一個區(qū)的數(shù)據(jù)為設備地址。各個區(qū)允許發(fā)送的字符均為16 進制的0-9，A-F。網(wǎng)絡上的設備連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡上的信息，包括靜止時間。當接收第一個地址數(shù)據(jù)時，每臺設備立即對它解碼，以決定是否是自己的地址。發(fā)送完最后一個字符號后，也有一個3.5 個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5 個字符的靜止時間時，則接收設備刷新不完整的信息，并接收下一個地址數(shù)

94、據(jù)。同樣，一個信息后，立即發(fā)送的一個新信息（若無3.5 個字符的靜止時間）將會產(chǎn)生一個錯誤，是因為合并信息的CRC 校驗碼無效而產(chǎn)生的錯誤。CRC 值附加到信息時，低位在先，高位在后。CRC校驗信息幀是最后的一個數(shù)據(jù)，得到的校驗碼先送低位字節(jié)，后送高位字節(jié)。</p><p>　　表4.3 數(shù)據(jù)傳輸時間間隔</p><p>　　4.3.3 通信時序設計</p><p>

95、;　　數(shù)據(jù)包的結束是用傳輸停頓來標識的。兩個連續(xù)字符之間所允許的最大時間間隔為一個字符傳輸時間的3倍。已知本設計的波特率為9600bps，那么可以計算出，最大時間間隔約為1.23ms。下圖以主機與從機1（DC/DC）通信為例，示意主從設備通信時序的安排。主機與從機2（DC/AC）通信的時序安排是相同的。</p><p>　　圖4.6 光伏發(fā)電系統(tǒng)主從設備通信時序</p><p>　　其中，

96、t0為結束標志；t1為從機對數(shù)據(jù)查詢指令的處理時間；t2為設備由傳輸狀態(tài)轉變?yōu)榻邮諣顟B(tài)的時間，在此期間，主機等待。</p><p>　　在此須特別注意，在從機進行內(nèi)部處理和應答期間，禁止主機進行任何數(shù)據(jù)查詢。否則，數(shù)據(jù)查詢將被從機忽略，或者將導致在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。</p><p>　　4.3.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)觸摸屏通信協(xié)議</p><p>　　為了保證系統(tǒng)順利運

97、行，針對本設計，我們對觸摸屏與DSP之間的通信做了規(guī)劃。根據(jù)本系統(tǒng)所需的變量和數(shù)據(jù)要求，以及RS-485通信協(xié)議的規(guī)定，我們撰寫了“光伏發(fā)電系統(tǒng)觸摸屏RS-485通信協(xié)議”。協(xié)議如下：</p><p>　　表4.4 DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/DC、開關型變量）</p><p>　　表4.5 DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/AC、開關型變量）</p>&l

98、t;p>　　表4.6 觸摸屏向DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)【控制】（開關型變量）</p><p>　　表4.7 DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/DC）</p><p>　　表4.8 DSP向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)【顯示】（DC/AC）</p><p>　　4.4 通信調(diào)試結果</p><p>　　根據(jù)協(xié)議的相關規(guī)定，我們自己撰寫了光伏發(fā)電系統(tǒng)觸摸

99、屏RS-485通信協(xié)議。首先，我們利用串口調(diào)試助手SComAssistant V2.2軟件模擬調(diào)試了觸摸屏的通信。根據(jù)上述光伏發(fā)電系統(tǒng)觸摸屏RS-485通信協(xié)議，與在前面章節(jié)中所敘述過的信息幀所有的格式及代表意義，還有串口調(diào)試軟件對數(shù)據(jù)格式的具體要求，我們將預設的一組數(shù)據(jù)傳送至觸摸屏進行試驗。</p><p>　　在工作臺的設備窗口，點擊通用窗口父設備下的標準ModbusRTU設備，進入設備編輯窗口（如圖4.7）

100、。按照自己擬定的通信協(xié)議內(nèi)容，按順序依次設置變量的連接通道。電流、電壓、溫度、功率等量的十六進制數(shù)據(jù)為01 03 22 03 E8 01 0E 01 E0 01 9A 03 20 00 FA 01 E0 01 90 03 20 03 20 03 20 03 20 08 98 01 F4 00 FA 75 30 4E 20 86 9D，控制系統(tǒng)啟動/停止按鈕的十六進制數(shù)據(jù)為01 01 01 01 90 48。這些數(shù)據(jù)為我們根據(jù)實際情況估算

101、出來的實驗數(shù)據(jù)，以此來對這個系統(tǒng)的通信部分進行測試。在系統(tǒng)真正應用到實際之后，反映到觸摸屏上的將是光伏發(fā)電所產(chǎn)生的實際數(shù)據(jù)。因此此處的輸入數(shù)據(jù)為我們假設的數(shù)據(jù)而并非系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)本身（數(shù)值）不具參考價值。</p><p>　　圖4.7 設備編輯窗口</p><p>　　圖4.8 存盤數(shù)據(jù)瀏覽歷史</p><p>　　圖4.9 功率實時曲線</p>

102、;<p>　　圖4.10 串口收發(fā)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　第5章 總結與展望</b></p><p>　　研究前期，通過對太陽能新能源的發(fā)展背景、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀以及相關研究成果的調(diào)查了解，我們將設計重點放在基于MCGS平臺的家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建和基于Modbus協(xié)議與DSP的通信兩方面上。</p><p>　　過

103、程中，我們首先利用MCGS組態(tài)軟件將整個系統(tǒng)模擬搭建起來。其中，對MPPT太陽能控制器（DC/DC）部分、直流-交流變換器（DC/AC）部分進行單獨構圖，以便用戶能夠查詢電流、電壓、占空比等具體信息。其次，為了最終實現(xiàn)能量流最優(yōu)化，我們還構建了光伏電池板的輸出功率與并網(wǎng)功率兩個量的曲線。在分析數(shù)據(jù)時，可以通過功率曲線看出每天在不同的時間段，由于光照強度的不同而產(chǎn)生的系統(tǒng)功率大小的變化。最后，在系統(tǒng)中我們也設置了歷史存盤數(shù)據(jù)瀏覽。一旦系統(tǒng)