基于LabVIEW的太陽能跟蹤器監控系統設計

張思文

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

基于LabVIEW的太陽能跟蹤器監控系統設計

張思文

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

摘要：針對光伏發電效率低、成本高等特點，設計了太陽能光伏跟蹤系統。采用LabVIEW開發平臺設計了系統監控軟件，通過與DSP控制器、逆變器進行串口通信，實時采集光伏電壓和電流參數、逆變器運行參數、DSP控制參數等，實現了系統的數據監測與控制功能。

關鍵詞：光伏跟蹤； LabVIEW； 監控系統

Abstract：Due to the weakness of photovoltaic power generation i.e.low efficiency and high cost, solar photovoltaic tracking system is developed. This system adopts LabVIEW development platform to design its system monitoring software. By serial communication with DSP controllers, and inverters, PV voltage and current, the operating parameters of the inverter and DSP control parameters can be collected in real-time for implementation of system data monitoring and control functions.

Key Words：PV Tracking; LabVIEW； Monitoring System

能源是整個世界發展和經濟增長最基本的驅動力量，是人類賴以生存的基礎。光伏發電系統越來越受到各國的關注，世界光伏發電的年裝機容量也在大幅增長。然而，光伏發電效率低、成本高的缺點制約了它的發展。因此，提高光伏發電的效率、降低成本成為光伏發電亟需解決的問題之一[1-2]。太陽能跟蹤系統的目的是使光伏電池板跟蹤太陽的運動，設法增加光伏電池板所受到的光照強度、光照面積以及光照時間，最大限度地利用太陽能，增大光伏電池板的輸出功率，從而提高光伏發電效率。

1系統總體結構

太陽能光伏跟蹤系統總體結構如圖1所示。該系統主要由光伏板、太陽能跟蹤控制器、并網逆變器、上位機監控軟件、蓄電池及負載構成。工作原理為： 太陽能跟蹤控制器控制光伏板運動，光伏陣列發出的直流電一部分經逆變器供給負載，多余的電則給蓄電池充電以備用，上位機監控軟件同時與控制器和逆變器通信，采集并存儲數據。

圖1　系統總體結構

太陽能跟蹤控制器的作用是使光伏電池板跟蹤某個設定軌跡，具體來說就是要掌握太陽的運行規律，利用自動跟蹤的方式，使太陽電池板的朝向跟隨太陽位置的變化，盡可能地保持太陽能電池板表面與太陽光垂直。跟蹤軌跡實質上就是要得到太陽位置和電池板的板面位置何時處于最佳的對應狀態，根據太陽運行軌跡位置算法計算太陽的高度角和方位角，驅動和控制電機，讓光伏電池板達到指定的位置。軌跡設定與控制效果決定跟蹤系統的性能，也決定了光伏系統的轉換效率?？刂葡到y框圖如圖2所示。

圖2　跟蹤控制系統框圖

由于跟蹤系統要求具有較高的控制精度及信號處理能力，故選用DSP2812作為核心控制芯片，完成對信號的處理和追日算法的實現，對水平和垂直方向的兩個方位電機進行位置閉環控制，控制信號經由功率驅動電路驅動電機運轉，實現對太陽的跟蹤控制?？刂破魍ㄟ^RS232與上位機進行異步串口通信，實時監測系統參數，以便在出現故障時可及時發現并維修。

2上位機監控軟件設計與實現

上位機監控軟件是太陽能跟蹤系統的重要組成部分，筆者設計的監控軟件采用模塊化結構，形成具有獨立功能的模塊，采用自頂向下的編程方法，使軟件結構靈活，功能可靠。該監控軟件主要由串口處理模塊、曲線顯示模塊、DSP通信模塊以及數據處理模塊組成。軟件的功能是對光伏電池、蓄電池、市電、逆變器以及負載的數據進行采集與分析，能夠與DSP控制器、逆變器進行串口通信，從而完成對整個光伏發電系統的監控，軟件的主界面如圖3所示。

圖3　監控軟件主界面

2.1　串口通信模塊設計

串口通信是整個軟件的基礎，上位機監控軟件通過串口通信實現對逆變器、DSP控制器的數據采集。對串口的設置主要包括： 串口初始化、串口檢測、打開串口、讀寫串口和關閉串口。

在進行串口通信時，要對串口進行初始化和配置，這可以通過LabVIEW中的VISA配置串口節點來完成，使用該節點可以設置串口的VISA資源名稱、波特率、數據位、校驗位、超時時間、終止符以及流控制等參數。

串口初始化后，在打開串口時，需要對串口進行檢測，即通過串口配置函數錯誤輸出信號的返回值來檢查串口是否被其它設備占用，是否存在其它故障，如果錯誤輸出信號的返回值為“真”，則串口無法打開，對應程序如圖4所示。如果錯誤輸出信號的返回值為“假”，則串口可以打開，如圖5所示。在使用完串口通信后，需要將通信端口關閉，釋放串口資源，可以使用LabVIEW提供的關閉串口函數將串口關閉。

圖4　串口檢測程序

圖5　打開串口程序

2.2　控制器通信模塊程序設計

太陽能跟蹤器監控軟件與DSP控制器的串口通信程序界面如圖6所示，在監控界面中，可以直觀地看到DSP控制器的運行模式、當前太陽位置的高度角和方位角、光伏電池板當前的高度角和方位角，以及電機的運行狀態等參數。通過對這些參數的監測，能夠保證系統穩定運行。

為了實現同時對逆變器和DSP控制器參數的監控，需要在程序中實現多線程通信機制[6-8]，即在不同的線程中完成上位機監控軟件與逆變器、DSP控制器同步實時通信。DSP通信數據幀處理程序如圖7所示，根據規定的通信數據協議，該部分程序實現了對串口通信得到的數據幀進行分析，對數據幀按字節進行分離，通過計算處理得到各個監控參數。

圖6　DSP控制器監控界面

圖7　DSP控制器通信模塊處理程序

2.3　逆變器通信模塊程序設計

太陽能跟蹤器監控軟件與逆變器的串口通信程序可以采集光伏電池產生的電流和電壓、蓄電池的電流和電壓、市電的電壓、逆變器輸出的電流和電壓，以及逆變器的其它相關參數。通過對采集的數據分析處理，可以得到日發電量、累計發電量、二氧化碳減排量和節約標煤量等各項參數指標，并且能夠將參數以曲線的形式畫出，并以文件的形式存儲。

監控軟件與逆變器的通信協議見表1。

表1　逆變器通信協議

上位機監控軟件根據通信協議與逆變器進行串口通信，并將返回的通信包按照約定好的協議進行拆包，將數據幀中的數據進行分離，通過計算得到需要監控的各參數值。數據處理程序如圖8所示。

3結論

筆者基于LabVIEW開發平臺設計了太陽能跟蹤系統監控軟件，實現了與下位機DSP控制器、逆變器的串口通信，能夠實時準確地采集系統運行的相關參數，并將相關數據進行分析和存儲。通過現場實驗驗證， 筆者設計的監控軟件能夠完成系統監控功能，便于實時觀察系統運行狀態。

表2　逆變器返回參數的數據幀格式

圖8　逆變器通信的數據拆包程序

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通信地址一個通信包由通信ID、數據長度、校驗字、命令字、數據幀構成。通信ID代表，占據一個字節，數據長度為一個通信包的總字節數。校驗字的目的是保證通信數據的可靠性，只有通信雙方的校驗字相同時認為此次通信有效。命令字用來控制逆變器執行相關的操作，占據一個字節。數據幀是所要傳輸的參數數據，其長度不固定，最大數據長度為46個字節，一個通信包的最大長度為50個字節。在建立數據傳輸之前，上位機需要與逆變器進行握手通信，監控軟件發出請求，逆變器返回運行參數通信包。命令字為0x17，當逆變器返回OK字符時，代表可以進行數據傳輸，逆變器返回運行參數的數據幀格式見表2。

文章編號：1674-540X(2015)04-041-06

中圖分類號：TK51

文獻標識碼：A

作者簡介：張思文(1988-)，男，碩士，助理工程師，主要從事太陽能發電系統、微電網系統研究與軟件開發工作，E-mail： hitzsw@126.com

收稿日期：2015年7月