【自动化】家用光伏发电系统能量流控制研究

武汉理工大学毕业设计（论文）家用光伏发电系统能量流控制研究学院（系）自动化学院专业班级电气工程及其自动化专业电气1103班学生姓名孙忆萌指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日摘要随着时代的发展和社会现代化的一步步前进，人类对能源的需求越来越多。如今，新能源开发成为解决能源问题的根本途径。在人们对新能源的不断探索中，电能始终处于举足轻重的地位。而太阳能光伏发电也正是新能源和可再生能源的重要组成部分。由此，在光伏发电这一问题中，本文探究了家用光伏发电系统的能量流控制方法。我们采用MCGS小型工业平板电脑对MPPT太阳能控制器及48VDC/220VAC双向转换逆变器进行控制，以控制算法控制太阳能光伏发电并网、太阳能光伏发电充电、电网对蓄电池充电等能量流的流动，利用工业平板进行软件编程。最终实现对于家用光伏发电系统中电压、电流输入输出量等的反映，并简单分析能量流优化的方法，呈现出一个便于操作的触摸屏界面，并通过MODBUS通讯协议实现与硬件的连接。关键词太阳能、发电、控制、工业平板、通讯ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEAGEANDSOCIALMODERNIZATION,AGROWINGNUMBEROFENERGYISDEMANDEDBYPEOPLESNOWADAYS,THEDEVELOPMENTOFNEWENERGYHASBECOMEAFUNDAMENTALWAYTOSOLVETHEENERGYPROBLEMINTHECOURSEOFTHECONTINUOUSEXPLORATIONOFNEWENERGY,ELECTRICENERGYALWAYSPLAYSADECISIVEROLEATTHESAMETIME,THESOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONISANIMPORTANTPARTOFNEWENERGYANDRENEWABLEENERGYTHUS,THISPAPEREXPLORESTHEDOMESTICPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONSYSTEMSENERGYFLOWINGCONTROLMETHODFORTHEISSUEOFTHEPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONWEADOPTMCGSSMALLINDUSTRIALPANELPCTOCONTROLMPPTSOLARCONTROLLERAND48VDC/220VACBIDIRECTIONALCONVERSIONINVERTERTHECONTROLALGORITHMCONTROLSGRIDSOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATION,SOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATINGANDPOWERONCHARGINGFORTHEBATTERYENERGYFLOWINGWITHTHEMETHODOFINDUSTRYTABLETSOFTWAREPROGRAMMINGULTIMATELY,MCGSWILLREFLECTTHEHOMEPHOTOVOLTAICPOWERSYSTEMSVOLTAGEANDCURRENTQUANTITYOFINPUTANDOUTPUTANDANALYZESIMPLYABOUTENERGYFLOWOPTIMIZATIONMETHODITALSOWILLREFLECTATOUCHSCREENINTERFACEWHICHISEASYFORHANDINGANDCONNECTPROTOCOLANDHARDWAREACCORDINGTOTHEMODBUSCOMMUNICATIONKEYWORDSSOLARENERGY,POWERGENERATION,CONTROL,INDUSTRIALPANELPC,COMMUNICATION目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论111研究背景、目的和意义112国内外研究现状213光伏发电系统的原理3131光伏电池的工作原理基础3132MPPT太阳能控制器514设计基本内容5第2章家用光伏发电系统的组成721光伏发电系统的基本组成722带有MPPT的光伏发电系统7第3章通信协议831通信接口方案8311RS232通信8312RS485通信8313通信方案选择1132MODBUS协议11321协议介绍11322MODBUS上的数据传输12323MODBUS信息帧14324错误校验方法1633基于RS485物理层的MODBUS通信协议17331主机/从机通信原理17332信息传输17333设备地址19334通信时序19第4章MCGS工业平板控制2041MCGS组态软件的整体结构2042MCGS工程构建2143控制结果24第5章MPPT能量流优化2751最大功率点跟踪控制（MPPT）法2752控制总体流程2753控制效果29第6章总结与展望30参考文献31附录A33附录B36致谢38第1章绪论长期以来，人们就一直在努力研究和利用太阳能。我们地球所接收到的太阳能，虽然只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的34万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料以扩大太阳能的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在一些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位。太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件，由它组成的系统通常我们称之为光伏电池光伏系统。11研究背景、目的和意义电能是当今最重要的能源形式，使用方便，适用范围广。无论是国有大规模发电还是家用小规模发电，它都已在我们的生活中扮演着不可或缺的角色。然而，作为二次能源的电能，它并不能从自然界直接获得，需要一次能的消耗才能得到。无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的105。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源，世界上多数发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。在新能源发展中，光伏发电是发展最快的产业之一,世界各国都把太阳能的开发和利用作为重要的研究内容。根据欧洲JRC的预测，到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用，达到10以上，可再生能源在总能源结构中占到30；2050年太阳能发电将占总能耗的20，可再生能源占到50以上，到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用。利用小型工业平板电脑的控制算法监测系统从太阳能电池板和国家电网两向的电量信息，并显示在工业平板电脑显示屏上，便于用户操作。进而，通过对系统的能量流数据进行分析，确定优化方案，最终实现对太阳能光伏发电并网、太阳能光伏发电充电以及电网对蓄电池充电过程中能量流流动的控制。我国的光伏产业虽然起步晚，但其发展迅速。如今，太阳能已经是我国重点开发、利用和发展的新能源之一。近年来，政府出台了部分政策来鼓励发展家用光伏发电。尽管在发展过程中仍存在不足之处，但对于太阳能这一新能源能够走入寻常百姓家的进程来说，研究家用光伏发电系统对我们日常生活用电的提供来说是非常值得的。而能量流控制则是整个系统的关键部分，重中之重。我们希望可以根据控制算法所呈现出来的用电数据信息，对家用光伏发电系统作进一步改进，从而优化或提高光伏发电系统的能效。12国内外研究现状随着世界各国陆续进行的工业化进程和现代化发展，能源消耗得越来越多，应运而生的世界光伏产业正迅猛发展。自20世纪90年代后半期开始，世界太阳能电池产量逐年增长，光伏产业也迅速蹿升为继IT行业之后发展最快的产业。美国是最早实现太阳能转换为电能的国家。1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。1954年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶太阳能电池。在2008年新增装机容量已经列全球第2位16，20L1年2月4日，美国能源部发起“SUNSHOT”计划，拟在2020年前将太阳能光伏系统总成本降低75，达到每千瓦时6美分，随后美国能源部宣布了一系列有条件贷款担保太阳能光伏项目，整个2011年美国阳能光伏发电装机容量为1855万千瓦，为2010年的两倍以上。美国光伏产业的迅猛发展主要得益于与光伏发电相关的组件价格大幅下降以及联邦政府的大力补贴。德国可以说是世界上对光伏产业支持力度最大的国家。其太阳能光伏电池的用量接近整个世界的一半，其光伏产业近几年来发展迅猛。德国2009年的太阳能总装机容量为4GW，2010年则迅速增长到10GW，2011年更是创下世界纪录，年装机容量达到75GW。但由于其光伏产业发展的过于迅速，导致了光伏产业产能过剩，一系列老牌光伏产业申请破产，包括SOLON、GECKOG姒LP和SYSTAIC等著名厂商，其中SOLON是德国光伏企业中最早上市的公司，为德国的明星企业。日本是最早推广光伏发电产业的国家之一，2004年以前日本一直雄踞光伏产业的霸主地位，但自从2005年开始，日本取消了“阳光屋顶计划”，装机容量呈下降趋势，2009年后，日本重新开始太阳能屋顶补贴计划，光伏产业呈现发展新面貌，但由于20052008年之间政府的消极政策，导致日本光伏技术比之欧洲国家相对落后，其太阳能电池价格偏贵。中国光伏产业发展相对滞后，国内光伏市场狭小，2006年以来中国光伏产品的出口比例一直在95以上，而国内太阳能总装机容量仅为全球总容量的2。中国政府今年来连续颁布了一系列政策支持光伏产业，在，“十二五”期间，国家已明确了从两方面推动光伏发电应用一是通过国际通行的招标方式，启动建设一批规模较大的并网光伏电站；二是继续大力推进和实施“金太阳示范工程”，通过多种政策补贴的组合带动应用项目发展。13光伏发电系统的原理131光伏电池的工作原理基础太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。光伏电池，也叫太阳能电池，它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。其中，光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。光伏电池是以光生伏打效应为基础的能量转换装置。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。单晶硅的原子是按照一定规律排列的。每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的/空穴0。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那么它就成为空穴型半导体，简称P型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结17，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电，N型区带负电；于是，就使得在N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。接通电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并连起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的电能。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。其工作原理图如下图11光伏电池工作原理（1）图12光伏电池工作原理（2）132MPPT太阳能控制器在光伏发电系统的能量流控制中，最大功率点跟踪（MPPT）方法是提高系统能效的重要手段6。如果负载与太阳能电池直接相连接，当光照强度或者温度变化时，负载的工作点偏离最大功率点，系统输出功率下降，负载就不能获得最大功率。为了使光伏电池在各种温度以及光照强度条件下都能将发出的功率最大限度地输出给蓄电池，可以在光伏电池和蓄电池之间设置一个控制器以实现光伏电池功率的最大输出，这相当于在太阳电池与负载之间接人一个阻抗变换器，使得负载的输人阻抗与太阳能电池的输出阻抗总是处于最佳的匹配状态，从而得到最大输出功率。它通过调节电气模块的工作状态，使光伏电池板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，且不产生环境污染5。同时，我们选择采用DC/DC变换电路实现MPPT的原理。DC/DC变换器主要有两个作用一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率处；二是限制蓄电池充电电压范围，起到调节作用。14设计基本内容光伏发电系统主要由光伏电池板、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环境因素影响很大，且不能储存能量，因此，我们需要为其配备蓄电池来储存和调节电能。为了充放电电流能得到有效控制，防止负载变化所引起的电流大幅增减，我们避免了蓄电池直接与直流母线连接，而是选择在蓄电池和直流母线之间增加DC/DC变换器。系统可以通过DC/AC逆变器接交流负载，也可以通过DC/DC变换器接直流负载。通过小型平板电脑对MPPT太阳能控制器及双向转换逆变器进行控制，使输出功率始终为最大。双向转换逆变器是既可以将直流电变换成交流电，也可以将交流电变换成直流电的逆变器。在家用光伏发电系统中，主要控制蓄电池组的充电和放电，是系统的重要控制设备。在家用光伏发电系统的搭建过程中，我们需要有软件的支持，来完成模拟系统搭建和数据采集等任务。MCGS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，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。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，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。通过家用光伏发电系统配合MCGS的工业平板电脑的控制，加上MODBUS通讯协议作为连接标准，我们可以实现系统的能量流控制，从而寻求对于家庭用户的能量流优化方法。第2章家用光伏发电系统的组成21光伏发电系统的基本组成家用光伏发电系统主要由光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四部分构成。其中，光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。DC/DC变换器将光伏电池板的宽范围直流输出电压（本设计中为100V）转换为稳定的直流母线电压（48V）。此外，该系统还需要蓄电池作为储能环节。根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，则还需要逆变器将直流电转化为交流电。该系统通过DC/AC交流逆变器接交流负载。22带有MPPT的光伏发电系统经过设计之前对于光伏发电系统基本构成的分析1，我们发现，如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，会出现输出电流不稳定可能性。由于光伏阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此，我们需要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。家用光伏发电系统的基本组成（典型结构框图）如下图所示图21光伏发电系统的基本组成第3章通信协议31通信接口方案311RS232通信RS232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIARS232（简称232，RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。RS232C标准，其中EIA（ELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION）代表美国电子工业联盟,RS（RECOMMENDEDSTANDARD）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的第三次修改（1969年），在这之前，还有RS232B、RS232A。目前的最新版本是由美国电信工业协会（TIA,TELECOMMUNICATIONSINDUSTRYASSOCIATION，由EIA所分出的一个组织）所发布的TIA232F，它同时也是美国国家标准ANSI/TIA232F1997R2002，此标准于2002年受到再确认。在1997年由TIA/EIA发布当时的编号则是TIA/EIA232F与ANSI/TIA/EIA232F1997。在此之前的版本是TIA/EIA232E。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及发送过程。其他常用电气标准还有EIARS422A、EIARS423A、EIARS485。312RS485通信通常的微处理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地实现串行通讯。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA485A，习惯地称之为RS485标准，也称为RS485协议。RS485协议的数据信号采用差分传输方式（DIFFERENTIALDRIVERMODE），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图所示。图31发送器示意图通常情况下，发送发送器A、B之间的正电平在26V，是一个逻辑状态；负电平在26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS485器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连。当在接收端AB之间有大于200MV的电平时，输出为正逻辑电平；小于200MV时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200MV至6V之间。参见下所示。图32接收器示意图定义逻辑1（正逻辑电平）为BA的状态，逻辑0（负逻辑电平）为AB的状态，A、B之间的压差不小于200MV。TIA/EIA485串行通讯标准的性能如表格所示表31TIA/EIA485串行通讯标准的性能规格TIA/EIA485传输模式平衡电缆长度90KBPS4000FT（1200M）电缆长度10MBPS50FT（15M）数据传输速度10MBPS最大差动输出6V最小差动输出15V接收器敏感度02V发送器负载（欧姆）60最大发送器数量32单位负载最大接收器数量32单位负载RS485标准的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10MBPS。通常，RS485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20KBPS速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15米长双绞线最大传输速率仅为1MBPS。注意并不是所有的RS485收发器都能够支持高达10MBPS的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。RS485网络采用直线拓朴结构，需要安装2个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在300米以下、19200BPS不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在RS485传输网络的两个端点，并联连接在AB引脚之间。RS485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS485电路具有控制方便、成本低廉等优点。在过去的20年时间里，建议性标准RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网络中，RS485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在RS485总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。313通信方案选择在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。除此之外，RS232接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离也只能达到十几米，不能满足远距离通信要求。而RS485则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题，最大距离可达1200米，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。随着工业应用通信越来越多，1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议MODBUS协议，现在工业中使用RS485通信场合很多都采用MODBUS协议。在本设计中，首先我们最终要实现MCGS工业平板和MPPT太阳能控制器（DC/DC）、直流交流变换器（DC/AC）两者进行通信，需要多机通信的协议标准。其次，考虑到RS232标准的传输距离短，而RS485标准的传输距离较前者更长。故最终，我们选择使用RS485通信标准。32MODBUS协议321协议介绍MODBUS可编程控制器之间可相互通讯，也可与不同网络上的其他设备进行通讯，支撑网络有MODICON的MODBUS和MODBUS工业网络。网络信息存取可由控制器内置的端口，网络适配器以及MODICON提供的模块选件和网关等设备实现，对OEM机械设备制造商来说，MODICON可为合作伙伴提供现有的程序，可使MODBUS网络紧密地集成到他们的产品设计中去。MODICON的各种控制器使用的公共语言被称为MODBUS协议，该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。当在MODBUS网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型，取出包含在信息中的数据和资料等，控制器也可组织回答信息，并使用MODBUS协议将此信息传送出去。在其他网络上使用时，数据包和数据帧中也包含着MODBUS协议。如，MODBUS或MAP网络控制器中有相应的应用程序库和驱动程序，实现嵌入式MODBUS协议信息与此网络中用子节点设备间通讯的特殊信息帧的数据转换。该转换也可扩展，处理节点地址，路由，和每一个特殊网络的错误检查方法。如包含在MODBUS协议中的设备地址，在信息发送前就转换成节点地址，错误检查区也用于数据包，与每个网络的协议一致，最后一点是需用MODBUS协议，写入嵌入的信息，定义应处理的动作。图1说明了采用不同通讯技术的多层网络中设备的互连方法。在信息交换中，嵌入到每个网络数据包中的MODBUS协议，提供了设备间能够交换数据的公共的语言。图33MODBUS协议应用示意图注MB为MODBUS322MODBUS上的数据传输MODICON控制器上的标准MODBUS端口是使用一个RS232兼容的串行接口，定义了连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调器以后简称MODEMS接入总线网络。控制器通讯使用主从技术，即主机能起动数据传输，称查询。而其它设备从机应返回对查询作出的响应，或处理查询所要求的动作。典应的主机设备应包括主处理器和编程器。典应的从机包括可编程控制器。主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。从机对于主机的广播查询，无响应返回MODBUS协议报据设备地址，请求功能代码，发送数据，错误校验码，建立了主机查询格式，从机的响应信息也用MODBUS协议组织，它包括确认动作的代码，返回数据和错误校验码。若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求的动作时，从机会组织一个错误信息。并向主机发送作为响应。在这些总线上，控制器间采用对等的技术进行通讯，即任意一个控制器可向其它控制器启动数据传送。因此，一台控制器既可作为从机，也可作为主机，常提供多重的内部通道，允许并列处理主机和从机传输数据。在信息级，尽管网络通讯方法是对等的，但MODBUS协议仍采用主从方式，若一台控制器作为主机设备发送一个信息，则可从一台从机设备返回一个响应，类似，当一台控制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原发送信息的控制器。查询响应周期图34主从查询响应周期（1）查询查询中的功能代码为被寻址的从机设备应执行的动作类型。数据字节中包含从机须执行功能的各附加信息，如功能代码03将查询从机，并读保持寄存器。并用寄存器的内容作响应。该数据区必须含有告之从机读取寄存器的起始地址及数量，错误校验区的一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息内容的完整性。（2）响应从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据，如寄存器值或状态。如出现错误，则修改功能码，指明为错误响应。并在数据字节中含有一个代码，来说明错误，错误检查区允许主机确认有效的信息内容。两种串行传输模式控制器可使用ASCII或RTU通讯模式，在标准MODBUS上通讯。在配置每台控制器时，用户须选择通讯模式以及串行口的通讯参数。波特率，奇偶校验等，在MODBUS总线上的所有设备应具有相同的通讯模式和串行通讯参数。两种模式的区别就在于传输每个字节的格式不同。选择ASCII或RTU模式用于标准的MODBUS总线。它定义了总线上串行传输信息区的“位”的含义，决定信息打包及解码方法。如在MAP和MODBUS总线上时，MODBUS信息以帧的方式出现，并与串行传输无关，如请求读保持寄存器可以在MODBUS上的两个控制器之间处理，而与使用的控制器的MODBUS端口无关。323MODBUS信息帧何论是ASCII模式还是RTU模式，MODBUS信息以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点，使接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备广播时对全部设备，以及信息传输的结束时间。可检测部分信息，错误可作为一种结果设定。对MAP或MODBUS协议可对信息帧的起始和结束点标记进行处理，也可管理发送至目的地的信息，此时，信息传输中MODBUS数据帧内的目的地址已无关紧要，因为MODBUS地址已由发送者或它的网络适配器把它转换成网络节点地址和路由。（3）地址设置信息地址包括2个字符ASCII或8位RTU，有效的从机设备地址范围0247,十进制，各从机设备的寻址范围为1247。地址0为于广播地址。主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。（4）功能码设置信息帧功能代码包括字符ASCII或8位RTU。有效码范围1225十进制，其中有些代码适用全部型号的MODICON控制器，而有些代码仅适用于某些型号的控制器。当主机向从机发送信息时，功能代码向从机说明应执行的动作。如读一组离散式线圈或输入信号的ON/OFF状态，读一组寄存器的数据，读从机的诊断状态，写线圈（或寄存器），允许下截、记录、确认从机内的程序等。当从机响应主机时，功能代码可说明从机正常响应或出现错误即不正常响应，正常响应时，从句简单返回原始功能代码；不正常响应时，从机返回与原始代码相等效的一个码，并把最高有效位设定为“1”。从机对功能代码作为了修改，此外，还把一个特殊码放入响应信息的数据区中，告诉主机出现的错误类型和不正常响应的原因。主机设备的应用程序负责处理不正常响应，典型处理过程是主机把对信息的测试和诊断送给从机，并通知操作者。（5）数据区的内容数据区有2个16进制的数据位，数据范围为00FF16进制，根据网络串行传输的方式，数据区可由一对ASCII字符组成或由一个RTU字符组成。主机向从机设备发送的信息数据中包含了从机执行主机功能代码中规定的请求动作，如离散量寄存器地址，处理对象的数目，以及实际的数据字节数等。若无错误出现，从机向主机的响应信息中包含了请求数据，若有错误出现，则数据中有一个不正常代码，使主机能判断并作出下一步的动作。数据区的长度可为“零”以表示某类信息，如，主机要求从机响应它的通讯事件记录（功能代码OBH）。此时，从机不需要其他附加的信息，功能代码只规定了该动作。（6）错误校验标准MODBUS总线，有两类错误检查方法，错误检查区的内容按使用的错误检查方法填写。AASCII使用ASCII方式时，错误校验码为2个ASCII字符，错误校验字符是LRC校验结果。校验时，起始符为（）冒号结束符为CRLF字符。BRTU使用RTU方式时，错误校验码为一个16位的值，2个8位字节。错误校验值是对信息内容执行CRC校验结果。CRC码的高位字节是最后被传送的信息。（7）串行传送信息在标准的MODBUS上传送的信息中，每个字符或字节，按由左向右的次序传送最低有效位（LSB）最高有效位（MSB）图35ASCII数据帧位序图36RTU数据帧位序324错误校验方法标准的MODBUS串行通讯网络采用两种错误校验方法，奇偶校验奇或偶可用于校验每一个字符，信息帧校验LRC或CRC适用整个信息的校验，字符校验和信息帧校验均由主机设备产生，并在传送前加到信息中去。从机设备在接收信息过程中校验每个字符和整个信息。主机可由用户设置的一个预定时间间隔，确定是否放弃传送信息。该间隔应有足够的时间来满足从机的正常响应。若主机检测到传输错误时，则传输的信息无效。从机不再向主机返回响应信息。此时，主机会产生一个超时信息，并允许主机程序处理该错误信号。注意主机向实际并未存在的从机发送信息时也会引起超时出错信号。在MAP或MODBUS等其它网骆上使用时，采用比MODBUS更高一级的数据帧校验方法。在这些网络中，不再运用MODBUS中的LRC或CRC校验方法。当出现发送错误时，网络中的通讯协议通知发送设备有错误出现，并允许根据设置的情况，重试或放弃信息发送。若信息已发送，但从机设备未作响应，则主机通过程序检查后发出一个超时错误。33基于RS485物理层的MODBUS通信协议为了保证系统顺利运行，针对本设计，我们对触摸屏与DSP之间的通信做了规划。根据本系统所需的变量和数据要求，以及RS485通信协议的规定，我们撰写了“光伏发电系统触摸屏RS485通信协议”，具体细节见附录A。在下面几个小节中，将重点详述主从通信、信息传输格式、设备地址安排以及通信时序四部分。331主机/从机通信原理在主机和设备之间的通信采用MODBUS主机/从机的通信原理，数据采用查询/响应的方式。主机控制数据的交换，从机具有响应功能。用设备地址对若干从机进行标识，共有255个地址可供选用。在本设计中，主机为触摸屏（MCGS工业平板），从机为MPPT太阳能控制器（从机1）和直流交流变换器（从机2）两个。RS485总线主机从机1从机2图37主从设备连接框图332信息传输本设计采用RTU模式，控制器以RTU模式在MODBUS总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCII模式，每个信息必须连续传输。最先传输最低位（LSB）。（1）RTU模式中每个字节的格式编码系统8位二进制，十六进制09，AF数据位1起始位8位数据，低位先送奇/偶校验时1位；无奇偶校验时0位停止位1位带校验停止位2位无校验带校验时1位停止位；无校验时2位停止位错误校验区循环冗余校验CRC（2）RTU帧RTU模式中，信息开始至少需要有35个字符的静止时间，依据本设计使用的波特率9600BPS，计算得静止的时间约为15MS如下图中的T1T2T3T4。接着，第一个区的数据为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的09,AF。网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。当接收第一个地址数据时，每台设备立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也有一个35个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间，出现大于15个字符的静止时间时，则接收设备刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。同样一个信息后，立即发送的一个新信息，（若无35个字符的静止时间）这将会产生一个错误，是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。表32RTU信帧开始地址功能数据校验终止T1T2T3T48B位S8B位SN8B位S16B位ST1T2T3T4（3）校验RTU方式时，采用CRC方法计算错误校验码，CRC校验传送的全部数据。它忽略信息中单个字符数据的奇偶校验方法。CRC码为2个字节，16位的二进制值。由发送设备计算CRC值，并把它附到信息中去。接收设备在接收信息过程中再次计算CRC值并与CRC的实际值进行比较，若二者不一致，亦产生一个错误，校验开始时，把16位寄存器的各位都置为“1”，然后把信息中的相邻2个8位字节数据放到当前寄存器中处理，只有每个字符的8位数据用于CRC处理。起始位，停止位和校验位不参与CRC计算。CRC校验时，每个8位数据与该寄存器的内容进行异或运算，然后向最低有效位LSB方向移位，用零填入最高有效位MSB后，再对LSB检查，若LSB1，则寄存器与预置的固定值异或，若LSB0，不作异或运算。重复上述处理过程，直至移位8次，最后一次第8次移位后，下一个8位字节数据与寄存器的当前值异或，再重复上述过程。全部处理完信息中的数据字节后，最终得到的寄存器值为CRC值。CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。在梯形图中，CKSM函数计算信息中的CRC值。CRC校验信息帧是最后的一个数据，得到的校验码先送低位字节，后送高位字节。333设备地址根据RS485标准，一台总线上最多可以接31台从机，有效的从机设备地址范围0247十进制，各从机设备的寻址范围为1247。在本设计中，从机1（DC/DC）的地址为01H，从机2（DC/AC）的地址为10H。地址00H为广播地址9，两个从机均能识别，是主机控制整个系统启动与停止的信息地址。在主机对从机1或从机2进行信息查询时，即可通过两者不同的地址做指令上的区分。如系统欲读取DC/DC的数据，则在其查询指令中输入起始地址“01”，读线圈状态指令（控制器支持的全部功能代码见附录B）“01”，加上数据个数、校验码等，即可查询。334通信时序数据包的结束是用传输停顿来标识的。两个连续字符之间所允许的最大时间间隔为一个字符传输时间的3倍14。已知本设计的波特率为9600BPS，那么可以计算出，最大时间间隔约为042MS。图38主从设备通信时序其中，T0为结束标志；T1为从机对数据查询指令的处理时间；T2为设备由传输状态转变为接收状态的时间，在此期间，主机等待。在此须特别注意，在从机进行内部处理和应答期间，禁止主机进行任何数据查询。否则，数据查询将被从机忽略，或者将导致在总线上发生数据冲突。第4章MCGS工业平板控制独立运行的光伏电站一般由太阳电池阵列、充电控制器、蓄电池组、逆变器以及交流控制器组成。其中充电控制器、逆变器、交流控制器通常具备运行数据显示功能，能够通过其本身的数字仪表显示实时的太阳电池阵列电压、太阳电池充电电流、蓄电池电压等重要的电站运行数据。但是，由于设备本身功能的局限，此类设备不能对电站的运行数据进行统计、处理以及长时间存储。而电站的日常运行数据对于电站系统的管理，设备的维护，以及今后的科研分析具有重要的参考价值。鉴于此，我们采用一种工业领域已成熟的组态软件技术，来实现能量流的控制设计。41MCGS组态软件的整体结构MCGS77软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。图41组态软件运行结构MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。图42组态软件运行系统MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序MCGSSETEXE支持，其存放于MCGS目录的PROGRAM子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为MCG的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。组态环境组态生成应用系统运行环境解释执行组态结果组态结果数据库MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序MCGSRUNEXE支持，其存放于MCGS目录的PROGRAM子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。42MCGS工程构建首先，在MCGS组态软件下建立一个新工程；其次，在MCGS的工作台用户窗口，建立五个窗口，分别对应界面所需显示的五个部分。具体内容见下图78图43建立用户窗口其中的五个窗口分别为图44光伏发电系统能量流控制图45存盘数据浏览图46实时曲线图47DC/AC电路图48DC/DC电路43控制结果前面章节，我们介绍了MODBUS通信协议以及RS485协议的数据格式。根据协议的相关规定，我们自己撰写了光伏发电系统触摸屏RS485通信协议（协议具体内容见附录A）。首先，我们利用串口调试助手SCOMASSISTANTV22软件模拟调试了触摸屏的通信。根据光伏发电系统触摸屏RS485通信协议，与串口调试软件对数据格式的具体要求，我们将预设的数据触摸屏（1）电流、电压等量的十六进制数据01032203E8010E01E0019A032000FA01E001900320032003200320089801F400FA75304E20869D（2）控制系统启动/停止按钮的十六进制数据010101019048注意，由于实际家用光伏发电系统构建复杂，因此此处的输入数据为我们假设的数据，而并非系统实际运行数据。故数据本本身（数值）不具参考价值。图49存盘数据浏览图图410实时曲线（功率）图411串口收发数据第5章MPPT能量流优化51最大功率点跟踪控制（MPPT）法最大功率点跟踪控制MPPT策略通过不断地检测光伏发电系统的输出功率，运用控制算法来估算当前情况下系统输出的最大功率，通过调整当前的负载阻抗匹配来实现最大功率输出。这样就可以在光伏发电系统因结温升高而使得阵列输出功率降低时，仍可以保证整个系统在当前工况下运行于最佳的匹配状态。图51MPPT算法分析示意图设A、B点分别为两种输出特性下的最大功率输出点。在某一时刻，系统运行在A点，当光照强度或是其他条件发生变化时，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线213。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A点，这样就偏离了相应条件下的最大功率点。为了追踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。常用的最大功率跟踪方法主要有恒定电压控制法、干扰观测法、电导增量法等。52控制总体流程MPPT控制器的主要任务是，通过A/D采样判断光伏电池的电压15，并且监视蓄电池的充电状态，防止蓄电池组过充。程序流程图如下图所示。“未充满”状态时，通过改变最大允许充电电流寄存器的数值，不断减小最大允许电流比较值，直到最大允许电流值降到过冲终止阀值电流值，直到结束本循环。NNNYNYYYNN图52MPPT充电控制策略图“充满”状态时，在下一次循环的时候，由于最大充电电流变为涓流，所以进入减小电流控制环，通过减小电流控制环进入浮冲阶段。此时如果没有放电，电压就维持在浮充电压阶段，由涓流维持自放电电流。53控制效果MPPT控制器的主要功能是检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪14。扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰动，如此，反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。由此，可以使光伏电池板的发出的能量最优化，整个家用光伏发电系统更加科学和完善。第6章总结与展望研究前期，通过对太阳能新能源的发展背景、光伏发电系统发展现状以及相关研究成果的调查了解，我们将设计重点放在基于MCGS平台的家用光伏发电系统的搭建和基于MODBUS协议与DSP的通信两方面上。过程中，我们首先利用MCGS组态软件将整个系统模拟搭建起来。其中，对MPPT太阳能控制器（DC/DC）部分、直流交流变换器（DC/AC）部分进行单独构图，以便用户能够查询电流、电压、占空比等具体信息。其次，为了最终实现能量流最优化，我们还构建了光伏电池板的输出功率与并网功率两个量的曲线。在分析数据时，可以通过功率曲线看出每天在不同的时间段，由于光照强度的不同而产生的系统功率大小的变化。最后，在系统中我们也设置了历史存盘数据浏览。一旦系统在试验运行过程中出现了故障报警，我们可