光伏并网逆变器设计毕业设计

I 摘要近年来由于人们对能源短缺、环境污染问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛 , 这也使得光伏产业在近些年发展较为迅猛。 本设计针对光伏电站的现状 , 应用计算机技术、 网络通信技术等相关技术 , 研究开发了一套以现场总线为骨干的太阳能光伏电站监控系统。 该系统能够同时实现本地监控和远程监控功能 , 具有实时性好、功能全面等特点 , 具有很强的工程实用价值。本设计首先介绍了光伏发电技术及其监控系统的研究现状 , 阐述了光伏电站监控系统的组成和功能。根据实际应用的需求 , 选取了 AVR ATmega系列单片机作为该系统的控制器 , 进行了系统的软硬件的设计 , 实现了对光伏电站运行状态的实时监控 , 具有参数显示和设置等功能。其次 , 通过比较目前常用的远程通信方式 , 选用了 GPRS 无线通信方式来实现监控系统远程通信功能。并结合 GPRS无线通信方式的优点 , 详细阐述了系统是如何利用GPRS无线通信技术构建数据通信链路与实现数据远程传输的。最后 , 分别给出了基于 MCGS的本地监控和基于 WEB的远程监控人机界面设计 , 并详细给出了单片机与本地上位机的通信协议—— Modbus-RTU。 本监控系统是通过多重窗体程序来实现人机界面的 , 通过不同的窗体可以实现电站的运行状态的实时显示和参数设定等功能。在实验室搭建了系统测试平台 , 进行了模拟调试 , 达到了设计的预期效果。此系统已经在实际的工程中得到应用。关键词 : 光伏电站 ; 远程监控 ; 单片机 ;GPRS;现场总线II Abstract Energy is the basis for human survival. Nowadays, energy crisis is increasingly serious. Solar energy, as an inexhaustible supply, is clean and renewable. It has been paid more and more attention. Therefore, using photovoltaic effect to convert solar power to electricity is one of the important methods to solve the current crisis. In this thesis, the PV power plant monitoring system is researched and designed based on fieldbus by using computer technology, network communication technology and related technologies. The system is able to achieve local and remote monitoring, and is very practical for its multiple functions and performance of real-time. Firstly, the research status of photovoltaic technology and its monitoring system was introduced in the thesis, and then the composition and function of the PV power plant monitoring system was described. According to the needs of practical application, AVR ATmega series microcontrollers were selected as the system controller in the thesis. The hardware design and software design for the controller were mainly studied, they could achieve real-time data acquisition, data and state display, parameter setting etc al. Secondly, by comparing with the current commonly used remote means of communication, GPRS wireless communication was chosen to achieve the remote communication, and how to use GPRS to build a data communication link and achieve remote data transmission was described in detail by combining the advantages of GPRS. Finally, the thesis gave the human-machine interface design based on MCGS and WEB respectively, and communication principle Modbus-RTU between the single-chip microcomputer and host computer. The human-machine interface was achieved through multiple forms program. The monitoring system achieved real-time displaying and parameter settings and other functions in different forms. In the laboratory, the hardware test platform was built. And by testing and debugging the system, it achieved the expected effect. In addition, this system has been applied in practical engineering. KEYWORDS: PV power plant; Remote monitoring; Microcontroller; GPRS; Fieldbus III 目录摘要 错误！未定义书签。Abstract 错误！未定义书签。1 绪论 . 错误！未定义书签。1.1 课题研究的背景 . 错误！未定义书签。1.1.1 全球能源与环境问题 错误！未定义书签。1.1.2 太阳能光伏发电产业的发展背景 . 错误！未定义书签。1.2 选题依据 . 错误！未定义书签。1.2.1 光伏电站监控系统的发展现状及趋势 错误！未定义书签。1.2.2 光伏电站实现远程监控的重要意义 错误！未定义书签。2 光伏电站监控系统设计的内容与要求 . 错误！未定义书签。2.1 光伏电站监控系统设计的主要内容 . 错误！未定义书签。2.2 光伏电站监控系统设计的主要功能 . 错误！未定义书签。2.3 光伏电站监控系统的主要技术指标 . 错误！未定义书签。2.4 课题的主要研究内容 . 错误！未定义书签。3 光伏电站监控系统方案设计 . 错误！未定义书签。3.1 光伏电站监控系统设计方案选择 . 错误！未定义书签。3.2 系统的原理与组成 . 错误！未定义书签。3.2.1 太阳能光伏发电系统的工作原理 错误！未定义书签。3.2.2 系统原理框图 错误！未定义书签。3.2.3 详细说明 错误！未定义书签。4 光伏电站监控系统的硬件设计 . 错误！未定义书签。4.1 核心芯片的选择 . 错误！未定义书签。4.2 电源电路设计 . 错误！未定义书签。4.3 实时时钟电路设计 . 错误！未定义书签。4.4 串行接口与数据通信设计 . 错误！未定义书签。4.4.1 I/O 扩展 . 错误！未定义书签。4.4.2 RS-485 接口电路设计 错误！未定义书签。4.4.3 RS-232 接口电路设计 错误！未定义书签。4.5 数据采集电路的设计 . 错误！未定义书签。4.5.1 温度采集电路的设计 错误！未定义书签。4.5.2 风速风向采集电路的设计 错误！未定义书签。4.5.3 辐照采集电路的设计 错误！未定义书签。4.6 数据存储 . 错误！未定义书签。IV 4.7 LCD 接口电路设计 . 错误！未定义书签。4.8 JTAG 调试接口设计 错误！未定义书签。5 光伏电站控制系统的软件设计 . 错误！未定义书签。5.1 系统软件需求分析 . 错误！未定义书签。5.2 软件流程图 . 错误！未定义书签。5.3 流程图分析与说明 . 错误！未定义书签。5.3.1 数据采集程序设计 错误！未定义书签。5.3.2 显示子程序 . 错误！未定义书签。5.3.3 中断程序设计 错误！未定义书签。6 上位组态监控界面设计 错误！未定义书签。6.1 MCGS组态软件概述 错误！未定义书签。6.2 组态过程和界面设计 . 错误！未定义书签。6.2.1 组态思想 . 错误！未定义书签。6.2.2 组态界面设计 . 错误！未定义书签。7 通讯方案设计 . 错误！未定义书签。7.1 远程通信方式的的选择 . 错误！未定义书签。7.2 GPRS网络在光伏监控系统中的实现 错误！未定义书签。7.2.1 监控系统通信数据链路的组成 错误！未定义书签。7.2.2 GPRS 模块的选择 . 错误！未定义书签。7.2.3 GPRS 模块功能的实现 错误！未定义书签。7.2.4 光伏监控系统通信链路的构建 错误！未定义书签。8 结论 . 错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。外文原文和译文 错误！未定义书签。致谢 错误！未定义书签。附录 1：元器件明细表 . 错误！未定义书签。附录 2：程序清单 . 错误！未定义书签。1 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 全球能源与环境问题随着人类社会的高速发展步入到 21 世纪， 全世界都面临着人口膨胀、 环境恶化、 资源枯竭三大社会压力。 人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空速度消耗着地球上有限的常规化石能源。 如何在不牺牲后代生存环境、 经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会， 这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。 地球上的常规化石能源主要是煤、石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的， 是自地球产生以来由太阳能转化而来并存储在地下的，它们都是存储量有限、 不可再生的化石能源。 人类发展开发煤、 石油、 天然气这些化石能源的历史不过二三百年， 却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。太阳能作为一种可再生能源， 每天能够到达地球表面的能量相当于几百万桶石油燃烧的能量，开发和利用这些丰富的太阳能，对环境产生很少的污染， 使得太阳能成为近期急需的能源补充和未来能源结构的基础。 此外， 由于世界人口居住地大多比较集中，每个国家的电力发展水平也不一样。就我国而言， 在中西部等偏远的山村和牧区等地方， 仍然居住着大量的人口， 而这些地方恰恰是电网还没有普及的区域， 因此该地区人们的日常生活用电受到了一定的制约， 然而这些地区的太阳能等自然资源却非常丰富。 为解决目前能源紧张的问题以及那些远离市区或居住偏远地区人们的生活用电的需求， 世界各国都在纷纷努力使用各种清洁能源。节约能源、发展清洁干净的新能源和可再生能源是势在必行的。在当今油、 碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国参议院在 2008 年 9 月 16 日通过了一系列减税计划，将光伏产业的减税政策延续 2~6 年。 美国进一步提出“太阳能先导计划” ，使太阳能发电以低成本的优势在 2015 年达到商业化竞争的水平； “太阳能发电普及行动计划”由日本政府在2008 年 11 月发布，此次计划确定了光伏电池的价格在 3~5 年后降至目前的50%左右，光伏发电量在 2030 年达到 2005 年的 40 倍。欧洲光伏协会提出了“ setfor2020 ” 规划，规划在 2020 年让光伏发电做到商业化竞争。 在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。 我国的太阳能资源十分丰富，全国有 2/3 以上的地区，年日照时数在 2000h 以上。太阳能作为一种取之不尽、 用之不竭的能源， 合理利用太阳能资源对解决无电或缺电的偏远地区的用电问题具有非常重大的意义。 无论是从经济的可持续发展之路， 还是从环境保护以及解决能源供应的问题出发， 开发和利用太阳能均具有重大而长远的战略意义。据预测，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。1.1.2 太阳能光伏发电产业的发展背景随着人类社会的高速发展步入到 21 世纪， 全世界都面临着人口膨胀、 环境恶化、 资源枯竭三大社会压力。 人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空前速度消耗着地球上有限的常规化石能源。 如何在不牺牲后代生存环境、 经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会， 这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。地球上的常规化石能源主要是煤、 石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的， 是自地球产生以来由太阳能转化而来并储在地下的，它们都是存储量有限、 不可再生的化石能源。 人类发展开发煤、石油、天然气这些化石能源的历史不过二三百年， 却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。 据联合国 2001 年的统计数据， 目前地球上已探明的煤炭储量可以使用 230 年，天然气仅够使用 62 年左右，而石油只能够使用 44 年。目前全球石油储量大约 130GT，年消耗约 3.5GT ， 预计今后 25 中平均年消耗约 5GT，加上新探发的油田 , 专家估计总量也不会超过 200GT，石油资源在四五十年后即将枯竭。人类社会面临着严重的资源枯竭的危机。常规化石能源的燃烧会排放 CO2气体，大量的 CO2气体会产生温室效应，导致全球气温上升， 引发一系列严重的环境问题。 联合国气候变化问题小组公布的最新报告表明：目前全球的平均气温比 1750 年以来的标准温度升高了将近0.8 ℃ 。同时研究数据表明全球气温升高 2 ℃ 后，空气中的 CO2 质量分数是4008× 10-6 ，当 CO2 质量分数达到 400 × 10-6 水平仅需要 10 年时间左右。究报告同时指出我们的地球生态环境恶化相当严重， 全球性的生态灾难已进入倒计时。假如我们人类再不采取有力、正确的方法措施来阻止和缓解温室气体排放，将会导致地球生命的基本生存条件继续恶化， 会给人类社会的可持续发展带来不可估量的危害， 如冰山溶解使海平面持续上升； 异常的洋流和大气环流将会导致干旱、洪涝等自热灾害的频繁发生； 耕地荒漠化现象不断加剧等。 世界各国均已意识到必须采取有效措施来缓解或避免这种影响。1.2 选题依据1.2.1 光伏电站监控系统的发展现状及趋势近年来在国家鼓励政策的大力推动下， 我国光伏产业发展迅速， 各地都兴建了一大批光伏发电站。 建设运行太阳能光伏发电系统， 用户不仅需要选择先进的设备和技术， 同时更重要的是要确保光伏电站系统的无故障运行。 为确保光伏电站的无故障运行， 这需要对光伏电站内的相关组件进行实施监控。 而光伏电站通常都是建立在荒漠、高山等偏远地区，远离人烟，同时周围环境也异常恶劣，根本不适合工作人员工作值守。 伴随着计算机网络通信技术及自动化技术的快速发展， 光伏电站监控系统已从最初的由工作人员定期进行电站巡检发展到光伏局域网监控。 2007 年，国内外开始推广光伏电站网络监控系统，这使得光伏电站监控系统往智能、 远程及网络方向发展。 光伏电站远程网络监控系统的发展经历了三个阶段：第一阶段的光伏网络监控系统是采用现场设立服务器的形式， 是点对点的实现互联网监控，用户需要记住每个电站服务器的网络地址并设立用户名和密码。该方式的缺点在于监控成本高并且管理较为麻烦。第二阶段的光伏网络监控系统是采用网络服务器转发的 C/S 访问模式，该方式避免现场设立电站服务器， 同时也可对多个电站进行管理。 但是缺点也很明显， 需要等待一定时间才能查看数据， 并且要求客户端不断升级来进行功能提升。同时客户端设置也较为繁琐，数据传输方式也存在一定局限性。第三阶段的光伏网络监控系统发展成为了真正意义上的监控管理平台形式，用户完全通过 B/S 结构进行访问， 提供给习惯于进行 web 访问的用户更多的便利性， 也不再有电站监控数量和采集形式的限制。 完全实现了互联网的互联互通精神。1.2.2 光伏电站实现远程监控的重要意义光伏电站大都建在无人职守的偏远地区，也比较分散，通过远程监控技术方便技术人员分析远程采集并传输过来的电站运行参数，了解光伏电站的运行状态， 保证电站平稳运行， 实现了对分散站点的集中远程监控， 节省了大量的人力、物力和财力； 因此建立光伏电站智控监控系统， 实现对太阳能光伏电站的远程监控，确保光伏电站的安全可靠运行，具有十分重要的意义。根据实际需要，光伏电站监控系统应该具备以下功能 : （ 1）运行数据采集采集光伏电池输出电压、电流，蓄电池电压、充放电电流、蓄电池温度，环境温度、光照强度，逆变器输出电压等参数；（ 2）故障诊断检测系统设备的运行状态， 有设备出现故障时，能够即时发出报警信号，以便维修人员及时处理；（ 3）蓄电池管理根据电池的工作特性选择合适的充电方式， 延长电池使用寿命； 电池放电到终止电压时，立即切断用电负载，保护电池避免电池过放电；（ 4）数据存储将电站的运行数据存储起来， 当系统发生故障时， 工作人员通过查看相关数据，实现对系统运行故障进行分析处理；（ 5）远程监控具有远程通讯接口，以保证异地监控中心对光伏电站工作状态的远程控制。2 光伏电站监控系统设计的内容与要求2.1 光伏电站监控系统设计的主要内容通过太阳能电池， 利用光伏效应将太阳能转换为电能的发电系统都是太阳能光伏发电系统。 光伏发电系统虽然有各种应用对象和使用方法， 而且各种发电系统规格大小各不相同，但是太阳能光伏发电系统工作原理和内部构造都基本相同。一般来说，一个太阳能光伏系统由太阳能电池组件（或太阳能电池阵列） 、光伏控制器、蓄电池（或蓄电池组） 、交流逆变器以及其它他附属设备构成，若需要交流电压输出，则逆变器不可缺少。本节结合太阳能光伏发电系统的构成，简要介绍应用本监控智能系统的光伏电站中的部分组件。1. 太阳能电池组件太阳能电池是太阳能发电系统的不可缺少的组件， 太阳能光伏电站的光电转化效率取决于它。 太阳能电池本质上是一个半导体光电二极管， 其吸收光能产生光致电流。 目前投入应用的硅太阳能电池种类有单晶硅、 多晶硅和非晶硅太阳能电池三大类， 而应用最多的是晶体硅太阳能电池。 太阳能电池组件是由一块块太阳能电池片组成的， 而为了达到电力系统要求的输入电压， 若干个太阳能电池以串联、 并联或者二者结合的方式形成较大功率的太阳能电池方阵， 从而符合电力系统要求。2．蓄电池蓄电池用于存储太阳能光伏系统产生的电能并在太阳能组件输出功率小于负载消耗功率时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求有：1) 具有特殊的设计和胶体电解质保证电池寿命长。2) 充电效率高，自放电率低。3) 具有较好的深循环能力，深放电能力强。4) 能够对不同环境具有较强的适应力，有较宽的工作温度、在高海拔地区能正常使用。5) 维护要求小或者不用维护以及价格低。在太阳能光伏发电系统中， 常用的储能电池及器件有铅酸蓄电池、 镍氢蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池及超级电容。在小型或微型发电系统中，储能设备常用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容。由于性能和成本原因，目前应用最多、 使用最广泛的为免维护铅酸电池。 在太阳能光伏发电系统中应用最多的是固定式阀控密封免维护铅酸蓄电池。 铅酸蓄电池每 2V 为一个单位， 可组装成2V、 6V、 12V 等形式。3. 光伏控制器太阳能发电系统的光伏控制器用于保证光伏电站正常工作， 延长蓄电池使用寿命的， 防止蓄电池过充电和过放电、 系统短路、 系统极性反接以及夜间电流反充。 由于蓄电池使用寿命主要由蓄电池的循环充放电以及放电深度决定， 因此通过光伏控制器控制蓄电池充电频率、 充点方法和放电深度以最大程度充点的同时延长蓄电池寿命。在温差较大的地方，控制器具有温度补偿的功能。4. 交流逆变器当电力系统需要交流电时， 太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电通过交流逆变器转换为交流电供给电力系统使用。 它使转换后的交流电的电压、 频率与电力系统的相一致， 从而满足交流电负载以及并网发电的需要。 按照光伏发电系统是否并网来分， 光伏逆变器可分为离网型逆变器和并网型逆变器。 离网型逆变器用于独立运行、离网的太阳能发电系统， 为独立的负载供电， 发电系统不接入电网，而并网型逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，给电网供电。逆变器作为光伏发电系统的电力转换的重要组成部分， 为保证太阳能光伏发电系统具有较高的可靠性和安全性，逆变器应该具有如下保护功能：欠压保护、过电流保护、短路保护、极性反接保护、雷电保护。5. 光伏发电系统附属设施光伏发电系统附属设施有配电系统， 监控和状态监测系统， 防雷击系统和避雷针等设备。 光伏发电系统附属设施更加完善了光伏电站功能， 同时保证了太阳能光伏电站的正常运行。2.2 光伏电站监控系统设计的主要功能光伏并网发电系统需要监测的状态量有 : 电网电压幅值、电网频率、锁相、直流电压幅值、系统温度、驱动电流、直流电流、驱动电源、控制电源等。当这些状态量都正常时 , 才表明系统是处于正常工作状态。光伏并网发电系统需要采集的数据有 : 光伏电池瞬时输出电压、光伏电池瞬时输出电流、并网各相电压、并网各相电流、系统温度、系统的启停状态、电网频率、 光伏并网系统当日发电量、 光伏并网系统累计发电量、 风向、 风速、 辐照、环境温度 , 这些数据有的是采集的来的原始量 , 有的是经过原始量计算得来的。根据实际需要 , 光伏电站监控系统具备以下功能 : (1) 数据显示实时显示光伏电池阵列的输出电压电流、 并网电压电流、逆变电压电流、并网功率、总功率因数、电网频率、逆变效率、环境温度等。(2) 故障监测实时监测太阳能光伏并网发电站的运行状态 , 当电站有故障时 , 监控系统立即发出报警信号 , 及时通知电站管理人员及时处理。(3) 绘制曲线可以绘制每天的太阳辐射强度曲线、风速变化曲线、光电池发电参数曲线、逆变器的电压 - 电流曲线、功率 - 时间曲线。(4) 数据管理能够将太阳能光伏发电站的运行数据存储起来 , 当光伏电站发生故障时 , 可将存储的电站运行数据传送给远程监控中心 , 方便管理人员进行故障分析 , 做出相应的处理。此外还包括历史数据存储、数据导出等。(5) 本地监控为方便现场检修人员 , 需要在现场及时显示电站的运行状况。(6) 远程监控具有远程通信端口 , 能够让远程监控中心及时了解太阳能光伏电站的运行状态 , 并能够远程控制 , 即具有遥测、遥控、遥信、遥调功能。(7) 密码管理系统采用二级密码管理 , 系统管理员拥有最高管理权。2.3 光伏电站监控系统的主要技术指标(1)10MW 光伏电站(2) 数据采集、响应时间：≤ 20ms (3) 控制命令回答响应时间 : ≤ 10ms (4) 联合控制有功功率执行周期 3s ～ 3min （可调）(5) 全系统 MTBF ＞ 30000h (6) 全计算机 MTBF ＞ 30000h (7) 可利用率：计算机监控系统可利用率 ≥ 99 .99% (8) 可维护性：具备硬件的代换能力、软件可通过便携机维护。(9) 安全性：操作安全性、通信安全性、硬件软件的安全性。如用户对图形、打印报表等格式，内容均可在线修改、生成，这种修改要求有一定的用户级别及权限。(10) 可扩性：在功能、配置、通信接口等方面均有很强的扩展能力。(11) 开放性：系统采用国际标准的开放性规约。(12) 可变性：设备的参数和结构配置易于实现改变。2.4 课题的主要研究内容本系统的设计结构采用的是一种分层分布式的开放型结构。 该系统主要由太阳能光伏电站的监控单元和远程监控中心构成 , 其中太阳能光伏电站的监控单元主要是在本地完成光伏电站的监控 , 而远程监测控制中心主要是完成多个太阳能发电站的远程监控。该监控系统不需要较高的实时性 , 但是有很多的耗时较多的 I/O 操作 , 例如串行通信、数据的存储和査询等。而这些操作并不适合 DSP来完成 , 因此用来实现系统监控功能是另外一个单片机。由于光伏电池电压、光伏电池输出电流、 电网电压、 并网电流 ^数据在 DSP控制过程中也同样需要使用 , 所以这些数据的监测由 DSP完成 , 该监控系统所要采集的该类数据均由 DSP传送给它。不同的设备具有不同的组成结构和工作原理 , 与中央处理器的连接方式也是不一样的。 也就是说不同处理器之间交换数据的是一项复杂的工作。 对于多处理器系统之间的信息交换 , 系统的复杂程度有信息交换的方式决定。信息交换的方式有并行接口模式、串行接口模式、共享内存模式、共享总线模式。在这个系统中 , 双处理器只需要交换 DSP所采集到的一些数据和一些简单的命令。这两个处理器之间交换的数据量不大、信息交换的频率也不高 , 所以 DSP与 AVR单片机之间采用串行数据通信模式 , 这种模式占用资源最少、实现最为简单。监控系统的结构如图 2-1 所示。光伏阵列 AVR监控器DSP逆变器控制板监控计算机Internet网络 GPRS网络 GPRS模块图 2-1 监控系统结构框图控制器的外围需要扩展有 LCD显示器接口、 RS-232 接口、 RS-485 接口、以及非易失存储器等等。 LCD显示器采用占用的 I/O 口较多并接口连接 , 但是它的速度比较快 ; 单片机至少需要有 2 个串行通讯口才能使用 RS-232和 RS-485接口。在小型的嵌入式系统中访问频率不会很大 , 而只有断电后内容不会丢失的存储器才能保存历史数据 , 所以可以按照页面或者块访问方式来保存历史数据。串行总线非易失存储器只需占用单片机 2-3 个 I/O 口 ( 视采用 2 线还是 3 线器件 ) 。为了简化用软件实现的位流操作 , 节省 CPU开销 , 所选的单片机最好具有 I2C 或SPI 总线接口。3 光伏电站监控系统方案设计目前 , 远程监控设计越来越多的是以单片机为核心的监控装置。单片机自20 世纪 70 年代问世以来 , 以其价格低廉、集成度高 , 系统结构简单、可靠性高、处理能力强、开发较为容易、速度快、低功耗、抗干扰能力强、环境要求低、扩展灵活等优点广泛应用在航空航天、家用电器、仪器仪表等领域。单片机已经在我们的生活中无处不在。嵌入式系统的设计既涉及到硬件电路设计又涉及到底层的软件设计 , 硬件平台设计是系统设计的基础 , 因此 , 本章对硬件平台设计进行了详细的分析及阐述。该平台的设计包括整体结构设计 , 核心处理器的分析以及外围电路设计。本章在此基础上对系统的硬件部分进行设计， 包括控制芯片的选择及其外围电路、系统参数采集电路等的设计。3.1 光伏电站 监控系统设计方案选择(1) 光伏电站监控系统的结构分析考虑到光伏电站用途的差异性以及光伏电站所在地的周边环境恶劣等因素，通用型光伏电站监控系统采用了站内监测结构加远程监控结构相结合的分层分布开放式结构， 即单个电站内配备一个站内监测系统， 多个电站可共享一个远程监控中心系统，其中单个电站监测的总体结构框图如图 3-1 所示。从图中可看出最底层为分布式采集模块， 主要测量电站内的相关量， 底层与中间层之间利用 RS-485 总线进行通讯； 中间层为站内监控计算机， 主要进行模块的参数定义设置和所采集量的画面显示以实现人机交互， 中间层与上层之间通讯在正常情况下采用光纤网络， 当电站处于无光纤网络覆盖的地方时则在空缺地带利用无线传输方式进行中转通讯至有光纤地带； 最上层即远程监控中心， 方便工作人员实时在线观测所得的光伏电站的运行情况。（ 2）光伏电站监控系统硬件的整体结构控制器采用性价比高、使用方便的 AVR单片机 , 它对系统运行状态进行参数采集和监控 , 保证供电系统能在长期无人值守的情况下可靠的运行 , 配以输入输出、显示控制等外围电路 , 组成一个实用控制系统。控制系统使用的单片机都是ATmega系列的 , 这不仅使设计的硬件电路能够通用 , 而且缩短了整个控制系统的开发周期 , 体现了控制系统的统一性和通用性。远程监控中心站内监控 PC机采集模块通讯通讯图 3-1 通用型光伏电站监控系统构造框图在太阳能光伏发电系统中， 光伏电池和蓄电池是系统的电源部件， 控制器和逆变器是系统两个核心能量传递控制部件。 所以各部件的工作状态直接影响了整个光伏发电系统的工作状态。整个硬件系统可以分为三个部分 : 监控器、数据集中器、远程传输模块。监控器的的硬件电路可分为几个模块 : 模拟量输入、复位电路、输入输出控制、外部数据存储器、 LCD液晶显示器、时钟芯片、串行通讯接口芯片等 , 这几个模块组合起来实现了控制器的功能。控制器外接配置的 16M FLASH用来存储光伏电站的控制参数及故障信息、 16KB EEPROM作为光伏电站系统运行申数的动态内存。监控器和数据集中器都设计了 J1AG 接口 , 通过该接口可以进行审片机的在线仿真。 数据集中器主要作用是通过 RS-485 接口对各个子站自动轮询 , 记录在线设备 ,通过配备的液晶屏显示出轮询结果 , 把采集到的数据进行汇总后经远程传输给上位机。远程传输方式釆用的是 GPRS传输模式 , 使用的是 MD-109G无线传输模块 ,它通过 RS-232与数据集中器相连。控制系统硬件的组成结构如图 3-2 所示。数据集中器12864液晶屏GPRS模块RS-485 JTAG 电源监控板Flash/EEPROM12864液晶屏 触摸屏逆变器控制板温度 / 风速风向 / 辐照传感器JTAG 电源RS-232RS-458RS-232图 3-2 控制系统硬件结构图3.2 系统的原理与组成3.2.1 太阳能光伏发电系统的工作原理1 光伏电站监控系统的核心（ 1）控制器控制器是光伏发电系统的核心部件， 具备如下功能：信号检测，检测光伏发电各个装置的状况参数，对系统进行判断、控制、保护提供各项技术指标，应当包含输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温度等；对蓄电池进行最优充电控制，实现高效、快速的充电，并充分考虑电池寿命影响，同时对蓄电池放电进行管理，为自动开关机、软启动、防止负载接入扰动提供保护，也为其他设备提供过电压和过电流保护； 对光伏系统故障进行诊断， 并将其通过指示灯显示器等通知修理人员。在现代的中小型电站中，主要的控制器是采用 ComAp公司的 IGS-NT系列控制器，控制器具备 STPM与 MINT两种默认的工作模式，其中， STPM工作方式可以为一台发电机组进行模拟量以及数字量、开关量的实时测量和监控， 对整个光伏发现系统起到保护作用， 同时具备收集系统数据的能力，带有远程通信接口，具备重新编程的功能，运行稳定。最大功率点跟踪控制器通过各种控制算法， 改变光伏电池板的输出电压和电流，使光伏阵列输出功率最大化，提高光伏系统的发电效率。 最大功率点跟踪器在有效的降低光伏发电的成本， 提高光伏发电的效率方面， 起到了至关重要的作用。光伏电站现地控制单元层（ LCU）中，控制器对于每个电站的组成都有控制的作用， 在本文的行文中， 将在论述部件的过程中叙述不同控制器的对于相应电站部件的控制作用。电站现地控制层中， 控制器的主要功能是进行最大功率点跟踪以及逆变器控制；电站主控层中， 主要功能是进行功率分配以及电路中电压电流的监控； 同时在电网层中，进行数据的通信完成监控系统作用。控制器需要对光伏电站运行中所需监控数据进行采集， 并进行与上位机的通讯以及简单的诊断功能，光伏电站主要需要采集的数据是：1） . 太阳辐射值太阳辐射值是光伏电站发电的重要数据。 一般来说， 测得的是水平面上的太阳辐射总量 H，直接辐射量 Hb 和散射辐射量 Hd， H 为后两者之和，系统一般使用 H 和系统发电效率系数计算太阳能光伏电站理论发电量。2). 器件表面温度上文曾经提到过温度对光伏发电系统的影响， 事实上， 通过太阳能电池板上温度的不同，可以分析出电池板是哪一方向对着太阳。随着技术的发展， 太阳能电池板已经不是古典型的摆向南方， 新一代太阳能电池板都具有随着太阳变化而自动跟踪功能。一般来说，一台 50KW 的太阳能电池方阵大约需要 550W的电机推动，全天功率占总发电功率的 0.27%左右，但是，它却能提高大约 10%的发电效率。3). 光伏电池输出开路电压、短路电流以及输出功率由于光伏电池的输出功率并不是线性的随着开路电压的增高而变大， 每个光伏系统都需要进行最大功率点跟踪控制（ MPPT） ，开路电压是进行最大功率点跟踪的主要参考因数， 结合短路电流和输出功率参数对电路进行控制， 使光伏发电系统能时刻处于最大功率输出状态。 同时， 光伏电池输出电压电流也是逆变器的输入电压电流。4). 逆变器输出电流，电压光伏发电系统逆变器输出电流、 三相电压的相位和频率是光伏系统控制的最终目标， 由于光伏发电系统的不稳定性， 光伏发电系统产生的电流经常出现携带杂波，对市电电网产生污染。所以，保持时刻对输出电流的监测是非常必要的，在出现输出电流急降或者其他问题时，需要进行立刻切断电流动作。同时， 控制器也对逆变器输出过流过压进行保护， 如果出现短路或者接地情形，可以立刻切断电源。5). 电流电压谐波对电流电压谐波进行测量， 并进入控制器进行算法抑制是非常必要的， 否则谐波会混杂在波形中对电网形成污染。6). 风速由于太阳能电池板面积较大，经常出现强风破坏太阳能电池方阵支架的情况，在太阳能电池板铺设时，就必须要对风速进行测量。一般来说，太阳能电池板支架采取埋地、水泥固定、简单埋、水泥墩以及地扦固定方式。由于支架的材料应许抗风力度不同，如果风力过大， 就必须考虑支架断裂的问题， 如果风力较大时， 还要考虑太阳能电池板的灰尘问题， 这也是太阳能电池板效率变低的重要因素之一。（ 2） .光伏电池阵列太阳能光伏电池方阵是并网光伏系统的基础部件， 通过光伏电池阵列， 将吸收的太阳光能直接有效的转换为电能， 目前， 工程上应用的太阳能光伏电池阵列，多为一定数量的晶体硅按照要求串联、并联后，固定在支架上形成。太阳能电池单体是光电转换的最小单元， 尺寸一般为 2cm*2cm到 15cm*15cm不等，单体工作电压约为 0.45 到 0.5V，一般不作为单独电源使用，工作电流约为 20— 15mA/cm2，进行串并联并进行封装后，组成太阳能电池组件，是构成电源使用的最小单元，为满足负载所要求的输出功率，在工程上， 一般是将大量太阳能电池组件进行连接组成太阳能电池方阵。一般来说太阳能电池方阵的标准数量是 36 片（ 10cm*10cm） ，这意味着一个太阳能光伏电池组件大约产生 17V的电压， 正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电池充电。 将电池组件串联起来， 输出功率就可以达