物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)—太陽能發(fā)電集中管理與控制系統(tǒng)

來源：荊州網(wǎng)站建設(shè) 時(shí)間：2017-03-27

2016年12月，湖北國菱計(jì)算機(jī)科技有限公司，承接了聚友科技的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)。公司物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)組歷時(shí)數(shù)十天，成功為客戶定制開發(fā)了一套太陽能發(fā)電集中管理與控制系統(tǒng)。

一、控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)主要由發(fā)電系統(tǒng)控制單元、MCU（微型控制單元）、MCU集中管理服務(wù)器和客戶端使用APP四個(gè)部分組成。

發(fā)電系統(tǒng)控制單元負(fù)責(zé)太陽能模組輸入輸出狀態(tài)的監(jiān)控和設(shè)置。且能夠?qū)⒆陨聿杉臄?shù)據(jù)發(fā)送給MCU單片機(jī)控制芯片，并能接收控制芯片的遠(yuǎn)程指令。

MCU（微型控制單元）能夠通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程云端服務(wù)器進(jìn)行通訊。

MCU管理服務(wù)器能夠統(tǒng)計(jì)多終端的數(shù)據(jù)并記錄，同時(shí)負(fù)責(zé)與控制芯片和客戶端APP的通訊和數(shù)據(jù)傳遞。

客戶端APP主要為方便用戶能夠便捷的、具有邏輯權(quán)限的遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)。

以下為發(fā)電系統(tǒng)控制單元基本狀態(tài)說明：

二、主要功能

2.1 概述

本管理與控制系統(tǒng)主要利用帶網(wǎng)絡(luò)模塊的MCU，通過串口與發(fā)電系統(tǒng)控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)發(fā)送到云端、云端傳送控制指令的功能。云端由一臺或若干臺公網(wǎng)服務(wù)器運(yùn)行，負(fù)責(zé)各控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，并寫入數(shù)據(jù)庫，并鑒定客戶端APP的權(quán)限，允許通過權(quán)限的APP訪問其對應(yīng)的控制單元和記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)操作功能代碼的轉(zhuǎn)發(fā)和回顯。客戶端APP分為IOS（如需對公下載，需要額外添加蘋果商店的支持）和安卓兩個(gè)平臺版本，主要功能為：注冊登錄、綁定設(shè)備、加載數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表及可擴(kuò)展應(yīng)用的接口。

2.2 功能描述

2.2.1 WiFi網(wǎng)絡(luò)自動配置

本功能為本控制系統(tǒng)核心功能。采取廣播包含有效配置信息的WIFI信號，使終端模塊自動拾取該信息并應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)超便捷的首次配置信息配置導(dǎo)入。解決了需要手動輸入各校驗(yàn)參數(shù)、設(shè)備碼、驗(yàn)證碼、網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)等的復(fù)雜步驟。充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)便捷易用的懶人思維。

2.2.2數(shù)據(jù)采集

當(dāng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，會以一定頻率（如3次/秒）的速度，采集工況數(shù)據(jù)，并發(fā)送給指定的云端服務(wù)器，服務(wù)器收到有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并記錄到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，方便客戶端統(tǒng)計(jì)和操作。

2.2.3 設(shè)置參數(shù)

客戶端可以自定義發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如各電壓的設(shè)置（精確到毫伏）、電流的設(shè)置（精確到毫安）、工作模式的選擇及發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程重啟等。方便使用者直接利用互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

2.2.4 二維碼

為方便新增使用者的使用，并考慮到新型、科技、便捷、節(jié)約、快速的目的。本系統(tǒng)在終端發(fā)電系統(tǒng)控制單元加入掃一掃二維碼功能，使用者僅需打開手機(jī)，掃二維碼即可下載管理軟件，然后進(jìn)行設(shè)備的綁定操作。節(jié)約了大量打印設(shè)備碼、更新APP下載地址、設(shè)備粘貼設(shè)備碼等的物料、工序和時(shí)間。

三、手機(jī)終端APP使用說明

3.1.1 登錄界面

已注冊用戶可以直接輸入賬號密碼進(jìn)行登錄，未注冊用戶需先點(diǎn)擊注冊按鈕進(jìn)行注冊，然后繼續(xù)進(jìn)行登錄操作。    

3.1.2 注冊界面

已注冊用戶可以直接輸入賬號密碼進(jìn)行登錄，未注冊用戶需先點(diǎn)擊注冊按鈕進(jìn)行注冊，然后繼續(xù)進(jìn)行登錄操作。

3.1.3 設(shè)備列表

此界面為主窗口界面。在此功能狀態(tài)下，可以查詢已綁定的設(shè)備，并添加需要新增的設(shè)備。同時(shí)可以進(jìn)行設(shè)備的初始化設(shè)置操作。

3.1.4 設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能可以查詢當(dāng)前設(shè)備的工況數(shù)據(jù)。

3.1.5 設(shè)備控制

修改工作模式、各電壓電流參數(shù)自定義等。

附1： MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)說明書

一、主要部件

1.1 主要部件構(gòu)成

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池模組、傳輸線路、智能工頻逆變器、蓄電池組和電網(wǎng)并網(wǎng)設(shè)施組成。而MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)管理以上設(shè)備，通過調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大化功率的需求。

1.2 電源管理模塊

眾所周知，不同的電池、電池模組提供的電壓、電量以及充放電的電流均不一樣。故需要電源管理模塊應(yīng)具有可適應(yīng)性，能夠有效的保護(hù)電池、能承受不穩(wěn)定因素沖擊等。

本電源管理部分，采取云端可選項(xiàng)，進(jìn)行不同電池模組的選擇，詳細(xì)功能見3.1.4頁。同時(shí)太陽能發(fā)電不穩(wěn)定，為能保證電量輸出最大功率，需要可調(diào)初級逆變后的電壓和輸出。本管理模塊已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電壓、電流跟蹤，同時(shí)可以自定義初級逆變后的電壓。實(shí)現(xiàn)動態(tài)功率跟蹤的功能。

二、主要功能

MPPT系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲茈姵匕灏l(fā)出的直流電有效地貯存在蓄電池中。實(shí)現(xiàn)效率的最大化。

MPPT控制器主要功能：檢測主回路直流電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽能陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的追蹤。擾動電阻R和MOSFET串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動。同時(shí)，光伏電池的輸出電流電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當(dāng)擾動方向正確時(shí)太陽能光能板輸出功率增加，下周期繼續(xù)朝同一方向擾動，反之，朝反方向擾動，如此，反復(fù)進(jìn)行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)。

本控制系統(tǒng)可視化的實(shí)現(xiàn)了該功能的調(diào)節(jié)和監(jiān)控。跟隨版本的更新，會逐步添加動態(tài)跟蹤折線圖、電壓曲線圖、效率曲線圖等可視化功能。

三、實(shí)例解析

以典型光伏系統(tǒng)為例：.

日照強(qiáng)度為1000W/㎡，U=24V,I=1A；U=30V,I=0.9A；U=36V,I=0.7A；

可見30V的電壓下輸出功率最大。若電壓升高，則功率下降；若電壓下降至臨界點(diǎn)，則可能整個(gè)系統(tǒng)停止工作。

故MPPT通過穩(wěn)定電壓在30V，達(dá)到最大的效率。

附2：電池組均衡充放電系統(tǒng)說明書

一、本系統(tǒng)的產(chǎn)生背景

由于電池組內(nèi)單個(gè)電池單元（CELL）本身體質(zhì)區(qū)別，且在循環(huán)使用消耗，或者是電路阻抗等因素造成影響，長此以往，彼此單元之間會產(chǎn)生差異，導(dǎo)致部分電池單元充電達(dá)到滿狀態(tài)時(shí)，另外部分電池單元仍然沒有達(dá)到滿狀態(tài)，而充電系統(tǒng)為保護(hù)所有電池不被過沖（主要針對鋰電池單元），將會終止整個(gè)電池組的充電。從而導(dǎo)致在電池組放點(diǎn)性能中，產(chǎn)生木桶效應(yīng)，只釋放以最低狀態(tài)的電池為標(biāo)準(zhǔn)的電量。反過來放電系統(tǒng)工作狀態(tài)也是如此。

以現(xiàn)在的主流電動汽車電池組為例，其在儲蓄和釋放電量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)后，均由人工進(jìn)行拆裝，然后手工利用設(shè)備和儀器對每一個(gè)電池單元進(jìn)行校準(zhǔn)，浪費(fèi)巨大人力物力的同時(shí)，也存在比較大的人為誤差和拆裝折損。

二、主要功能

①  制充電過程中的平衡，系統(tǒng)對充電環(huán)境中的每個(gè)電池單元一對一監(jiān)控、監(jiān)測，控制每個(gè)電池單元均達(dá)到自身的滿狀態(tài)。從而達(dá)到整個(gè)電池組儲蓄電量的最大化，同時(shí)降低所有電池單元的損耗，延長其使用壽命。

②  控制放電過程中的平衡，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電池單元的放電狀態(tài)，當(dāng)部分電池單元達(dá)到放電下限，則自動停止其放電，所產(chǎn)生的電壓降由系統(tǒng)自動進(jìn)行平衡，直到大量電池單元均已停止放電，整個(gè)系統(tǒng)放電暫停。

以下為圖形具體表現(xiàn)：

（圖一）

圖一未采用均衡充放電系統(tǒng)，則當(dāng)電池三在電量釋放完畢之后，將導(dǎo)致整個(gè)電池組停止供電。反之，充電結(jié)果類似。

（圖二）

圖二為采用均衡充放電系統(tǒng)，如果電池三電量少于其他電池，則系統(tǒng)在電池三的電量釋放完畢之后，仍然進(jìn)行供電，直至所有電池均釋放完畢。反之，充電也會直至全部充滿為止。

三、優(yōu)勢

① 長電池使用壽命。

② 提高電池效率。

③ 降低人工維護(hù)成本。

2017年6月，太陽能控制器APP正式上線蘋果商店（Apple Store)，實(shí)現(xiàn)可對公下載。