陳 娟，鐘永彥，邱愛兵

(南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 引言

太陽能儲(chǔ)量巨大、清潔、不受地域限制，光伏電池是直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，無論是從環(huán)境保護(hù)還是從能源戰(zhàn)略上，光伏發(fā)電都具有重大意義，世界各國投入大量人力、物力和財(cái)力發(fā)展光伏技術(shù)[1]。盡管受到能量轉(zhuǎn)換效率的瓶頸以及世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，發(fā)展勢(shì)頭有所緩慢，但太陽能仍是國際公認(rèn)的化石能源的理想替代能源。

太陽能光伏朝著并網(wǎng)化方向發(fā)展，但獨(dú)立光伏系統(tǒng)現(xiàn)在仍有一定的市場(chǎng)，特別是在一些特殊領(lǐng)域供電有著不可替代的作用。光伏電池、蓄電池、逆變器性能影響?yīng)毩⒐夥到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)最大功率跟蹤(MPPT)很大程度上決定了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的效率，文中介紹一種獨(dú)立光伏系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池、蓄電池和逆變器性能測(cè)試并評(píng)估系統(tǒng)MPPT算法的效果。

1 總體方案

光伏系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要功能有：測(cè)試不同規(guī)格的光伏電池的輸出特性、蓄電池充放電特性以及環(huán)境參數(shù)；要求能將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并上傳至上位機(jī)，利用上位機(jī)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)；系統(tǒng)具有自保護(hù)功能，對(duì)光伏電池反接、過流以及過載等異常情況能夠瞬間斷電。

根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)總體框圖，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)主要包括光伏電池、測(cè)控MCU、人機(jī)MCU、DC/DC模塊、DC/AC模塊以及上位機(jī)通信接口、交直流負(fù)載接口、蓄電池接口、環(huán)境參數(shù)傳感器接口等。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)有光伏電池的輸出電壓、電流(U1、I1)，蓄電池充電電壓、電流(U2、I2)，蓄電池接直流負(fù)載和交流負(fù)載時(shí)輸出電壓、電流(U3、I3和U4、I4)，以及溫度和光強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)。

圖1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)總體方案

測(cè)試平臺(tái)采用雙CPU系統(tǒng)，其中測(cè)控MCU用于檢測(cè)各類模擬量信號(hào)以及與上位機(jī)通信，人機(jī)MCU用于LCD顯示以及參數(shù)設(shè)置。測(cè)控MCU選用FREESCALE HCS08系列中EMC電磁兼容抗干擾型單片機(jī)MC9S08AW60，該芯片基于高性能HCS08核，具有16通道A/D、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙串口[2]；人機(jī)MCU選用AT89S52，其與測(cè)控MCU之間通過串口傳輸數(shù)據(jù)。

上位監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6．53設(shè)計(jì)，選用其作為開發(fā)工具主要原因是開發(fā)周期短、運(yùn)行可靠、支持設(shè)備豐富且性價(jià)比高。組態(tài)王通過上位機(jī)的串口與測(cè)試平臺(tái)相連，組態(tài)王接收測(cè)控MCU發(fā)送到測(cè)量信息數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析、顯示相關(guān)測(cè)量信息、存儲(chǔ)部分測(cè)量參數(shù)并計(jì)算分析系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1電壓、電流檢測(cè)

為了保證測(cè)量精度和可靠性，系統(tǒng)選用宇波模塊檢測(cè)電壓和電流，宇波模塊根據(jù)霍爾原理制成，采用磁平衡工作方式。霍爾電流電壓傳感器模塊具有體積小、外圍電路簡單、精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)特性好和電磁隔離等優(yōu)點(diǎn)。表1列出了系統(tǒng)中被測(cè)電壓、電流的測(cè)量范圍以及對(duì)應(yīng)的傳感器選型和輸出特性。

表1 測(cè)試平臺(tái)傳感器主要特性

由表1可知，除了CHB-25NP的輸出信號(hào)為電流信號(hào)，其余模塊的輸出均為0～5 V，可直接與MCU的ADC管腳相連。對(duì)CHB-25NP輸出端與地之間串聯(lián)200 Ω的精密電阻，則0～24 mA的電流輸出轉(zhuǎn)化為0～4．8 V電壓輸出，可以與測(cè)控MCU的ADC管腳相連，如圖2所示。

圖2 CHB-25NP模塊輸出轉(zhuǎn)換電路

2．2環(huán)境參數(shù)檢測(cè)

光伏電池的變換效率與環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度有很大關(guān)系，測(cè)試平臺(tái)對(duì)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)光照強(qiáng)度選用光強(qiáng)傳感器芯片TSL2561；溫度傳感器選用單總線溫度傳感器DS18B20。

TSL2561為低功耗、高速、可編程光強(qiáng)傳感器，對(duì)其訪問要求遵循SMBus或IIC協(xié)議，因此要求MCU具有SMBus或IIC協(xié)議功能即可[3]。系統(tǒng)中MCU通過IIC總線訪問TSL2561，通過時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線直接與TSL2561的4腳和6腳連接，當(dāng)光強(qiáng)度超過用戶編程設(shè)置的上限或下限值，TSL2561的5腳(INT)輸出一中斷信號(hào)，硬件連線圖如圖3所示。

圖3 TSL2561與MCU連接圖

DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一根線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊[4]。一般分外部電源和寄生電源兩種供電方式，圖4為外部電源供電方式的DS18B20典型電路圖。和寄生電源供電方式相比，外部電源供電方式電路工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，且電路比較簡單。在外接電源方式下，即使電源電壓VCC降到3 V時(shí)，依然能夠保證溫度量精度，因此外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式。

圖4 DS18B20外部電源供電

2．3自保護(hù)電路

測(cè)試平臺(tái)自保護(hù)功能主要指系統(tǒng)過流、過載的保護(hù)和光伏電池極性接反的保護(hù)。其中，系統(tǒng)過流保護(hù)措施，是在系統(tǒng)的主電路串聯(lián)合適規(guī)格的熔斷絲，當(dāng)電流超過額定值，熔斷絲對(duì)主電路進(jìn)行保護(hù)。另外，可利用繼電器來切斷電路防止負(fù)載過載，由于電路中負(fù)載電流較大，選用切斷電流為30 A的大功率繼電器，因此，需選擇達(dá)林頓管MC1413對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。利用繼電器常閉觸點(diǎn)接通主回路，MCU實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載輸出端電壓和電流，從而計(jì)算出功率值，若該功率大于設(shè)定功率，則管腳輸出高電平。此時(shí)，繼電器線圈得電，切斷主回路，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，系統(tǒng)中利用兩個(gè)繼電器分別切斷直流負(fù)載和交流負(fù)載。

圖5 系統(tǒng)過載保護(hù)電路

2．4通信電路

測(cè)控MCU除了與人機(jī)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信外，還要和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳送測(cè)試數(shù)據(jù)給上位計(jì)算機(jī)，以便上位計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、計(jì)算以及顯示。因此，系統(tǒng)選用雙串口微處理器MC9S08AW60。

MC9S08AW60與AT89S52進(jìn)行通信，兩者都是TTL電平，無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。而MC9S08AW60與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，由于計(jì)算機(jī)串口為RS232電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，如圖6所示。圖6為典型的232-TTL電平轉(zhuǎn)換電路，MAX232芯片T1IN腳和RIOUT腳分別連測(cè)控MCU的TX和RX，RIAN腳和TIOUT腳通過DB9與計(jì)算機(jī)串口相連。

圖6 MAX232電平轉(zhuǎn)換通訊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：測(cè)控MCU軟件設(shè)計(jì)、人機(jī)MCU軟件設(shè)計(jì)以及上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。測(cè)控MCU軟件是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的主體和橋梁，其實(shí)現(xiàn)與人機(jī)MCU、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。

3．1測(cè)控MCU軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控MCU軟件設(shè)計(jì)包括以下子程序：初始化子程序、環(huán)境參數(shù)測(cè)量子程序、電壓/電流測(cè)量子程序、系統(tǒng)故障處理子程序、人機(jī)接口通信子程序以及上位機(jī)通信子程序等。

初始化是系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)執(zhí)行，主要對(duì)定時(shí)器、串口波特率等進(jìn)行配置，對(duì)輸出口進(jìn)行初始化等操作。

系統(tǒng)主程序采用定時(shí)中斷方式，系統(tǒng)定時(shí)器配置為500 ms，定時(shí)器中斷子程序框圖如圖7所示。

圖7 測(cè)控MCU定時(shí)器1中斷流程圖

3．2人機(jī)MCU軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)MCU實(shí)現(xiàn)兩大功能：系統(tǒng)參數(shù)的顯示與系統(tǒng)設(shè)置值的修改。即人機(jī)MCU接收測(cè)控MCU測(cè)量信息幀，解析后將數(shù)據(jù)在LCD上顯示；通過鍵盤對(duì)設(shè)置值進(jìn)行修改，并將設(shè)置值傳送給測(cè)控MCU處理。

人機(jī)MCU與測(cè)控MCU的串口1進(jìn)行通信，兩者之間采用主從式通信方式，測(cè)控MCU為主機(jī)，人機(jī)MCU為從機(jī)。每次通信都是由測(cè)控MCU發(fā)起，人機(jī)MCU根據(jù)接收數(shù)據(jù)幀類型回復(fù)。兩者通信協(xié)議歸納為：人機(jī)MCU接收到測(cè)量信息幀，如果沒有修改系統(tǒng)設(shè)置值，則回復(fù)“數(shù)據(jù)接收確認(rèn)幀”，告知測(cè)控MCU已經(jīng)收到測(cè)量信息幀；人機(jī)MCU接收到測(cè)量信息幀，如果修改了系統(tǒng)設(shè)置值，則回復(fù)“接收確認(rèn)/上傳請(qǐng)求幀”，告知測(cè)控

MCU已經(jīng)收到測(cè)量信息幀，并請(qǐng)求允許發(fā)送系統(tǒng)設(shè)置值；人機(jī)MCU接收到設(shè)置值允許發(fā)送幀，則回復(fù)“系統(tǒng)設(shè)置值幀”，將系統(tǒng)設(shè)置值發(fā)送給測(cè)控MCU處理。

人機(jī)MCU接收到測(cè)量信息幀，首先通過每幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼確認(rèn)數(shù)據(jù)幀有效性，并將測(cè)量數(shù)據(jù)在LCD屏幕對(duì)應(yīng)位置顯示；當(dāng)人機(jī)MCU檢測(cè)到按鍵有動(dòng)作時(shí)，打開LCD的背光，便于使用者操作，1 min內(nèi)沒有按鍵操作，關(guān)閉背光。

3．3上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)王與單片機(jī)串口進(jìn)行通信，通信設(shè)置為“9600，8，1，N”，即波特率為9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)。組態(tài)王無需編寫通信協(xié)議，選擇單片機(jī)通信的“HEX串口通信協(xié)議”，測(cè)控MCU則根據(jù)該協(xié)議格式編寫程序。HEX串口通信也是主從式通信方式，組態(tài)王為主動(dòng)方，發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，測(cè)控MCU根據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，回復(fù)相應(yīng)的應(yīng)答格式。HEX串口通信協(xié)議規(guī)定了讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)兩種模式，本系統(tǒng)只涉及組態(tài)王讀數(shù)據(jù)，即組態(tài)王讀取測(cè)控MCU對(duì)應(yīng)地址相應(yīng)長度的數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而可以獲得系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等[5]。

組態(tài)王1 s向測(cè)控MCU讀1次數(shù)據(jù)，組態(tài)王收到測(cè)控MCU回復(fù)數(shù)據(jù)幀，解析后將各點(diǎn)電壓、電流、溫度、光照強(qiáng)度以及報(bào)警信息顯示在實(shí)時(shí)顯示界面。同時(shí)，通過定義的記錄體與數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的表關(guān)聯(lián)，可以將數(shù)據(jù)信息保存到數(shù)據(jù)庫中，以備查詢。

另外，上位監(jiān)控軟件還設(shè)計(jì)了性能評(píng)估功能，能將一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出，計(jì)算分析出系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)最大功率跟蹤(MPPT)算法的評(píng)估。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的測(cè)試，測(cè)控MCU能檢測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流以及溫度、光強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自保護(hù)；上位監(jiān)控軟件能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)各種MPPT算法進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試平臺(tái)已成功應(yīng)用于某實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：陳娟(1981-)，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)分析與控制。E-mail：chen．ju@ntu．edu．cn