基于遠程監控的風光互補發電系統設計

時景立，劉赫，于培諾

(天津藍天太陽科技有限公司，天津300384)

基于遠程監控的風光互補發電系統設計

時景立，劉赫，于培諾

(天津藍天太陽科技有限公司，天津300384)

為實現風光互補發電系統數據采集及系統狀態監控，兼顧某學校新能源專業教學演示需求，設計了一套基于遠程監控的風光互補發電系統。介紹了發電系統的結構組成、實現原理、軟件硬件設計和數據傳輸方法，將控制器輸出的工作參數上傳至網絡平臺，大大降低了系統成本。

風光互補；遠程監控；控制器；PWM；MPPT

離網光伏發電系統應用非常廣泛，重點應用于無電網的偏遠山區、島嶼、牧區等等，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報氣象站臺等特殊場所提供能源。風力發電在風力資源較好的地區優勢顯著，可以有效彌補光伏發電的不足。

采用遠程監控技術可對風光互補發電系統的運行狀況進行實時監測與控制。由于光伏系統大多建立在無人值守的偏遠地區，很難做到經常維護和監控。采用遠程監控技術可獲得風光互補發電系統原始運行數據，對光伏系統的運行狀況進行實時監測與控制，為電站的運維提供參考依據，同時為系統改進優化及科學研究提供有用數據，還能有效節省人力，降低維護成本。遠程監控由于沒有人為干預因素，所獲得的數據資料是最原始、最準確的，也是最方便快捷的方式[1]。

風光互補發電系統遠程監控按照通訊方式的物理實現來分類，可以分為有線遠程監控和無線遠程監控兩類。有線遠程監控的特點是通過通訊總線實現遠距離信號傳輸，實時監控性能好，缺點是距離有限，即使通過線路中繼器傳輸，其距離也不能太遠。無線遠程監控最大優點是不受地域條件限制，這克服了如何在偏遠地區實施光伏發電遠程監控的問題。本設計利用Internet互聯網與現場控制設備相結合進行監控，再通過Internet來實現異地遠程監控，其適用范圍廣，數據存儲、顯示方便，不受距離限制。

1 系統硬件設計

1.1 結構及組成

帶有遠程監控的風光互補電源系統由風力發電機、太陽電池陣、充放電控制器、蓄電池組、監控單元等幾部分組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 帶有遠程監控的風光互補電源系統結構

1.2 部件功能設計

該系統主要滿足教學和直流負載使用，系統提供直流電源作為其它教學設備的附助電源，用電需求為平均每天5 kWh。為滿足此要求，系統采用500 W風力發電機和1 000 W太陽電池組件作為發電部件，以太陽能發電為主，風力發電為輔，平均每天發電量約為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行設計：式中：為蓄電池能量，kWh；為蓄電池供電支持的天數，2天；為平均每天負載用電量，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，取1.2。計算得=2×5×1.2/0.65/0.95=19.4(kWh)。

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

1.2.1 太陽電池陣

根據負載需求及離網系統特點，太陽電池陣按冬季發電量最大進行設計。通過軟件模擬計算，太陽電池陣采取固定安裝方式，傾角為44.1°，方向正南時，冬季發電損失最小。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

充放電控制器實現風力發電機和太陽電池陣對蓄電池組的充電調節控制和負載放電控制。對太陽能控制采用PWM控制方式，對風力發電機控制采用MPPT控制方式。控制器設計有工作參數采集功能和RS485數據接口，工作參數可以通過數據接口輸出，便于實現數據監控。

太陽電池陣的輸出特性為準恒流源特性，可以進行PWM控制方式，調節蓄電池的充電電流。所采用的充電電路如圖3所示，功率管設計在回路的低電位點，便于實現NMOS功率晶體管驅動。Q5為充電控制管，起到開關作用，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

對風力發電機的MPPT控制采用BACK型DC-DC電源變換電路，通過最大功率點控制算法實現，其硬件拓撲結構如圖4所示。風力發電機輸出的三相交流電經整流濾波后進入DC-DC電源變換電路，在控制算法作用下實現電源變換，對蓄電池充電。

工作參數采集由充放電控制器實現，所采集的工作參數包括蓄電池工作狀態、風機工作狀態、控制器輸出狀態、蓄電池電壓、風機電壓、太陽電池陣電壓、風機功率、太陽電池陣功率、風機電流、太陽電池陣電流。參數輸出通過RS485接口實現，該接口只需兩根線，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、可以組成485總線等優點。控制器對外接口電路如圖5所示，由控制器內部單片機輸出或輸入到單片機的數據通過接口芯片SP485R實現，外圍電路實現阻抗匹配和抗干擾功能。

圖4 BACK型DC-DC電源變換電路拓撲

圖5 控制器內RS485接口

1.2.3 通訊

遠程監控通訊由通訊接口、計算機及公共網絡組成。通訊接口用于控制器接口與計算機USB接口的連接，實現數據通訊功能。由RS485轉RS232接口轉換器、RS232接口轉USB轉換器實現，接口連接如圖6所示。

圖6 控制器與計算機接口

2 系統軟件設計

2.1 風力發電機MPPT控制

MPPT優化器控制算法采用擾動比較法，其工作原理是每隔一定時間增加或減少電壓，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，太陽電池陣實際工作點能逐漸接近最大功率點，最終在其附近一個較小范圍內往復達到穩態。擾動觀察法程序流程如圖7所示。此法具有原理簡單、被測參數少、易于實現等優點。軟件通過Code Warrior IDE6.2集成開發環境開發，由單片機MC9S08-DZ60實現。

2.2 通訊及數據解析

圖7 擾動觀察法MPPT算法流程

軟件功能是實現計算機與控制器數據通訊，并將接收到的數據幀進行解碼。由圖6可知，控制器與計算機通訊通過USB接口實現，USB接口在計算機設備管理器中會虛擬出一個串口，通訊軟件需對與上述串口號對應的串口進行配置和操作。軟件工作時，控制器等待請求指令，計算機發送“讀數據”命令到控制器，控制器接受后會在1 s內返回相應數據。計算機在接受到數據后，檢查數據類型與和校驗是否正確，如數據正確則使用，否則丟棄后重讀。如果1 s內無數據返回，則需重讀。控制器完成回饋數據后再轉為接受狀態，等待計算機指令。控制器與計算機通訊采用數據幀，請求幀和數據幀格式相同，均為42個字節，其相應格式如表1所示。數據解析是計算機收到有效數據幀后，按一定方式將相應參數存儲到對應變量，以備上傳使用。數據解析方式以蓄電池電壓進行說明，如DATA3、DATA4是蓄電池電壓，11字節作為前8位，12字節的第7位作為第9位，12字節的其它位無效，兩個字節共9個有效位。對于24 V系統，每位表示0.1 V，9位表示范圍是0～51.0 V。

表1 數據通訊格式

2.3 數據上傳

將從控制器接收的數據上傳至網絡平臺，數據上傳之前需要先配置網絡地址和API地址、網關、用戶的userkey號。配置完成后，執行與服務器的建立鏈接命令，然后就可以定時向網絡上傳數據，每次上傳數據前首先發送客戶端登錄信息“{"method":"send","gatewayNo":"網關","userkey":"usekeyk號"}&^!”；然后發送具體的數據，數據格式如下：“{"method": "upload","data":[{"Name":"標識1","Value":"數據1"}, {"Name":"標識2","Value":"數據2"}]}&^!”。

控制器與計算機通訊控制，數據解析及向網絡平臺上傳數據所需軟件由Python2.7軟件開發并在此環境下運行。Python是一種面向對象、直譯式計算機程序設計語言，成熟并且穩定。這種語言具有非常簡捷而清晰的語法特點，適合完成各種高層任務，幾乎可以在所有操作系統中運行。

2.4 遠程監控實現

在第一次使用遠程監控平臺之前，需進行相應設置，以便獲得USEKEY號，并進行網關、數據標識等參數配置，并可進行相應的圖文說明。

通過計算機或其它終端登錄監控平臺，便可以讀取發電系統上傳的監控數據。監控數據以曲線、表格等方式顯示，并可保持最后15天存儲數據。圖8和圖9分別為通過監控平臺獲得的各項參數列表和遠程監控數據曲線。通過監控平臺，可以設置參數超限報警、監控數據定時自動發送等功能。

圖8 監控平臺獲得的工作參數

圖9 遠程監控數據曲線

3 結論

本文設計了一種帶有遠程監控功能的風光互補發電系統，通過充放電控制器采集數據和網絡平臺應用實現了風光互補發電系統的遠程監控。可以通過多種方式獲得電站運行參數，方便電站運行數據的采集、存儲及運行狀況分析，對系統維護和教學應用能起到積極的促進作用，具有應用和推廣價值。

[1]楊浩.太陽能發電并網系統研究綜述[J].中國新技術新產品，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

時景立(1975—)，男，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向為太陽能發電、電源控制器。