基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)景立，劉赫，于培諾

(天津藍(lán)天太陽科技有限公司，天津300384)

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)景立，劉赫，于培諾

(天津藍(lán)天太陽科技有限公司，天津300384)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，兼顧某學(xué)校新能源專業(yè)教學(xué)演示需求，設(shè)計(jì)了一套基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。介紹了發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、實(shí)現(xiàn)原理、軟件硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸方法，將控制器輸出的工作參數(shù)上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，大大降低了系統(tǒng)成本。

風(fēng)光互補(bǔ)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；控制器；PWM；MPPT

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，重點(diǎn)應(yīng)用于無電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、島嶼、牧區(qū)等等，為人們解決照明、電器等生活用電需求，還能為邊防哨所、移動通信中繼站和天氣預(yù)報(bào)氣象站臺等特殊場所提供能源。風(fēng)力發(fā)電在風(fēng)力資源較好的地區(qū)優(yōu)勢顯著，可以有效彌補(bǔ)光伏發(fā)電的不足。

采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。由于光伏系統(tǒng)大多建立在無人值守的偏遠(yuǎn)地區(qū)，很難做到經(jīng)常維護(hù)和監(jiān)控。采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可獲得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原始運(yùn)行數(shù)據(jù)，對光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，為電站的運(yùn)維提供參考依據(jù)，同時(shí)為系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化及科學(xué)研究提供有用數(shù)據(jù)，還能有效節(jié)省人力，降低維護(hù)成本。遠(yuǎn)程監(jiān)控由于沒有人為干預(yù)因素，所獲得的數(shù)據(jù)資料是最原始、最準(zhǔn)確的，也是最方便快捷的方式[1]。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控按照通訊方式的物理實(shí)現(xiàn)來分類，可以分為有線遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線遠(yuǎn)程監(jiān)控兩類。有線遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn)是通過通訊總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控性能好，缺點(diǎn)是距離有限，即使通過線路中繼器傳輸，其距離也不能太遠(yuǎn)。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控最大優(yōu)點(diǎn)是不受地域條件限制，這克服了如何在偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)施光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。本設(shè)計(jì)利用Internet互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場控制設(shè)備相結(jié)合進(jìn)行監(jiān)控，再通過Internet來實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控，其適用范圍廣，數(shù)據(jù)存儲、顯示方便，不受距離限制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及組成

帶有遠(yuǎn)程監(jiān)控的風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽電池陣、充放電控制器、蓄電池組、監(jiān)控單元等幾部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 帶有遠(yuǎn)程監(jiān)控的風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 部件功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要滿足教學(xué)和直流負(fù)載使用，系統(tǒng)提供直流電源作為其它教學(xué)設(shè)備的附助電源，用電需求為平均每天5 kWh。為滿足此要求，系統(tǒng)采用500 W風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1 000 W太陽電池組件作為發(fā)電部件，以太陽能發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電為輔，平均每天發(fā)電量約為6 kWh；蓄電池組采用8只200 Ah/12 V蓄電池2串4并組成，蓄電池充滿后，可存儲電量約為11.5 kWh。蓄電池組的能量按以下公式進(jìn)行設(shè)計(jì)：式中：為蓄電池能量，kWh；為蓄電池供電支持的天數(shù)，2天；為平均每天負(fù)載用電量，5 kWh；為蓄電池放電深度，0.65；為配電線路效率，0.95；為蓄電池放電容量修正系數(shù)，取1.2。計(jì)算得=2×5×1.2/0.65/0.95=19.4(kWh)。

蓄電池理論能量為19.4 kWh，上述蓄電池的實(shí)際能量為19.2 kWh，滿足使用要求。

1.2.1 太陽電池陣

根據(jù)負(fù)載需求及離網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)，太陽電池陣按冬季發(fā)電量最大進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過軟件模擬計(jì)算，太陽電池陣采取固定安裝方式，傾角為44.1°，方向正南時(shí)，冬季發(fā)電損失最小。圖2為太陽電池陣傾角軟件模擬。1.2.2充放電控制器

圖2 太陽電池陣傾角軟件模擬

充放電控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽電池陣對蓄電池組的充電調(diào)節(jié)控制和負(fù)載放電控制。對太陽能控制采用PWM控制方式，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制采用MPPT控制方式?？刂破髟O(shè)計(jì)有工作參數(shù)采集功能和RS485數(shù)據(jù)接口，工作參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)接口輸出，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

太陽電池陣的輸出特性為準(zhǔn)恒流源特性，可以進(jìn)行PWM控制方式，調(diào)節(jié)蓄電池的充電電流。所采用的充電電路如圖3所示，功率管設(shè)計(jì)在回路的低電位點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)NMOS功率晶體管驅(qū)動。Q5為充電控制管，起到開關(guān)作用，Q10為防反充控制管，與防反充二極管作用相同。

圖3 PWM控制原理

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT控制采用BACK型DC-DC電源變換電路，通過最大功率點(diǎn)控制算法實(shí)現(xiàn)，其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)整流濾波后進(jìn)入DC-DC電源變換電路，在控制算法作用下實(shí)現(xiàn)電源變換，對蓄電池充電。

工作參數(shù)采集由充放電控制器實(shí)現(xiàn)，所采集的工作參數(shù)包括蓄電池工作狀態(tài)、風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)、控制器輸出狀態(tài)、蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、太陽電池陣電壓、風(fēng)機(jī)功率、太陽電池陣功率、風(fēng)機(jī)電流、太陽電池陣電流。參數(shù)輸出通過RS485接口實(shí)現(xiàn)，該接口只需兩根線，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可以組成485總線等優(yōu)點(diǎn)?？刂破鲗ν饨涌陔娐啡鐖D5所示，由控制器內(nèi)部單片機(jī)輸出或輸入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過接口芯片SP485R實(shí)現(xiàn)，外圍電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和抗干擾功能。

圖4 BACK型DC-DC電源變換電路拓?fù)?/p>

圖5 控制器內(nèi)RS485接口

1.2.3 通訊

遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊由通訊接口、計(jì)算機(jī)及公共網(wǎng)絡(luò)組成。通訊接口用于控制器接口與計(jì)算機(jī)USB接口的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。由RS485轉(zhuǎn)RS232接口轉(zhuǎn)換器、RS232接口轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，接口連接如圖6所示。

圖6 控制器與計(jì)算機(jī)接口

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制

MPPT優(yōu)化器控制算法采用擾動比較法，其工作原理是每隔一定時(shí)間增加或減少電壓，觀測其后的功率變化方向。如果輸出功率增加，表示擾動方向正確，可向同一方向繼續(xù)擾動；若擾動后的功率值減小，則向相反方向擾動。這樣，太陽電池陣實(shí)際工作點(diǎn)能逐漸接近最大功率點(diǎn)，最終在其附近一個(gè)較小范圍內(nèi)往復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。擾動觀察法程序流程如圖7所示。此法具有原理簡單、被測參數(shù)少、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。軟件通過Code Warrior IDE6.2集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，由單片機(jī)MC9S08-DZ60實(shí)現(xiàn)。

2.2 通訊及數(shù)據(jù)解析

圖7 擾動觀察法MPPT算法流程

軟件功能是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制器數(shù)據(jù)通訊，并將接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼。由圖6可知，控制器與計(jì)算機(jī)通訊通過USB接口實(shí)現(xiàn)，USB接口在計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器中會虛擬出一個(gè)串口，通訊軟件需對與上述串口號對應(yīng)的串口進(jìn)行配置和操作。軟件工作時(shí)，控制器等待請求指令，計(jì)算機(jī)發(fā)送“讀數(shù)據(jù)”命令到控制器，控制器接受后會在1 s內(nèi)返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)在接受到數(shù)據(jù)后，檢查數(shù)據(jù)類型與和校驗(yàn)是否正確，如數(shù)據(jù)正確則使用，否則丟棄后重讀。如果1 s內(nèi)無數(shù)據(jù)返回，則需重讀?？刂破魍瓿苫仞仈?shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)為接受狀態(tài)，等待計(jì)算機(jī)指令。控制器與計(jì)算機(jī)通訊采用數(shù)據(jù)幀，請求幀和數(shù)據(jù)幀格式相同，均為42個(gè)字節(jié)，其相應(yīng)格式如表1所示。數(shù)據(jù)解析是計(jì)算機(jī)收到有效數(shù)據(jù)幀后，按一定方式將相應(yīng)參數(shù)存儲到對應(yīng)變量，以備上傳使用。數(shù)據(jù)解析方式以蓄電池電壓進(jìn)行說明，如DATA3、DATA4是蓄電池電壓，11字節(jié)作為前8位，12字節(jié)的第7位作為第9位，12字節(jié)的其它位無效，兩個(gè)字節(jié)共9個(gè)有效位。對于24 V系統(tǒng)，每位表示0.1 V，9位表示范圍是0～51.0 V。

表1 數(shù)據(jù)通訊格式

2.3 數(shù)據(jù)上傳

將從控制器接收的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，數(shù)據(jù)上傳之前需要先配置網(wǎng)絡(luò)地址和API地址、網(wǎng)關(guān)、用戶的userkey號。配置完成后，執(zhí)行與服務(wù)器的建立鏈接命令，然后就可以定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，每次上傳數(shù)據(jù)前首先發(fā)送客戶端登錄信息“{"method":"send","gatewayNo":"網(wǎng)關(guān)","userkey":"usekeyk號"}&^!”；然后發(fā)送具體的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如下：“{"method": "upload","data":[{"Name":"標(biāo)識1","Value":"數(shù)據(jù)1"}, {"Name":"標(biāo)識2","Value":"數(shù)據(jù)2"}]}&^!”。

控制器與計(jì)算機(jī)通訊控制，數(shù)據(jù)解析及向網(wǎng)絡(luò)平臺上傳數(shù)據(jù)所需軟件由Python2.7軟件開發(fā)并在此環(huán)境下運(yùn)行。Python是一種面向?qū)ο蟆⒅弊g式計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，成熟并且穩(wěn)定。這種語言具有非常簡捷而清晰的語法特點(diǎn)，適合完成各種高層任務(wù)，幾乎可以在所有操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

在第一次使用遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之前，需進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，以便獲得USEKEY號，并進(jìn)行網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)標(biāo)識等參數(shù)配置，并可進(jìn)行相應(yīng)的圖文說明。

通過計(jì)算機(jī)或其它終端登錄監(jiān)控平臺，便可以讀取發(fā)電系統(tǒng)上傳的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以曲線、表格等方式顯示，并可保持最后15天存儲數(shù)據(jù)。圖8和圖9分別為通過監(jiān)控平臺獲得的各項(xiàng)參數(shù)列表和遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線。通過監(jiān)控平臺，可以設(shè)置參數(shù)超限報(bào)警、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)定時(shí)自動發(fā)送等功能。

圖8 監(jiān)控平臺獲得的工作參數(shù)

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種帶有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過充放電控制器采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)平臺應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控?？梢酝ㄟ^多種方式獲得電站運(yùn)行參數(shù)，方便電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲及運(yùn)行狀況分析，對系統(tǒng)維護(hù)和教學(xué)應(yīng)用能起到積極的促進(jìn)作用，具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1]楊浩.太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究綜述[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009 (6)：121.

Design and implementation of wind-solar complementary power system based on remote control

SHI Jing-li,LIU He,YU Pei-nuo

A wind-solar complementary power system based on the remote control was designed.Data collection and monitoring of the power generation system was acquired.The school teaching demonstration of renewable energy requirement was met at the same time.System structure,principle,software and hardware,and data transmission of the power system were introduced.The cost of the system based on the work parameter output of controller and Internet was reduced.

wind-solar complementary;remote control;controller;PWM;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0553-03

2014-10-08

時(shí)景立(1975—)，男，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘柲馨l(fā)電、電源控制器。