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 時間：2017-03-27

2016年12月，湖北國菱計算機科技有限公司，承接了聚友科技的單片機系統(tǒng)開發(fā)。公司物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)組歷時數(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集中管理服務器和客戶端使用APP四個部分組成。

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

MCU（微型控制單元）能夠通過網(wǎng)絡與遠程云端服務器進行通訊。

MCU管理服務器能夠統(tǒng)計多終端的數(shù)據(jù)并記錄，同時負責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)絡模塊的MCU，通過串口與發(fā)電系統(tǒng)控制單元進行數(shù)據(jù)的交互，實現(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)服務器運行，負責各控制系統(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訪問其對應的控制單元和記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并進行相應操作功能代碼的轉(zhuǎn)發(fā)和回顯?？蛻舳薃PP分為IOS（如需對公下載，需要額外添加蘋果商店的支持）和安卓兩個平臺版本，主要功能為：注冊登錄、綁定設備、加載數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表及可擴展應用的接口。

2.2 功能描述

2.2.1 WiFi網(wǎng)絡自動配置

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用。實現(xiàn)超便捷的首次配置信息配置導入。解決了需要手動輸入各校驗參數(shù)、設備碼、驗證碼、網(wǎng)絡配置參數(shù)等的復雜步驟。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

當控制系統(tǒng)正常工作時，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器，服務器收到有效數(shù)據(jù)進行處理，并記錄到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，方便客戶端統(tǒng)計和操作。

2.2.3 設置參數(shù)

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

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，掃二維碼即可下載管理軟件，然后進行設備的綁定操作。節(jié)約了大量打印設備碼、更新APP下載地址、設備粘貼設備碼等的物料、工序和時間。

三、手機終端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行登錄，未注冊用戶需先點擊注冊按鈕進行注冊，然后繼續(xù)進行登錄操作。    

3.1.2 注冊界面

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

3.1.3 設備列表

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備，并添加需要新增的設備。同時可以進行設備的初始化設置操作。

3.1.4 設備實時數(shù)據(jù)

實時數(shù)據(jù)功能可以查詢當前設備的工況數(shù)據(jù)。

3.1.5 設備控制

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)設施組成。而MPPT最大功率點跟蹤系統(tǒng)管理以上設備，通過調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)，實現(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具有可適應性，能夠有效的保護電池、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，進行不同電池模組的選擇，詳細功能見3.1.4頁。同時太陽能發(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。本管理模塊已實現(xiàn)實時電壓、電流跟蹤，同時可以自定義初級逆變后的電壓。實現(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，計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤。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，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，當擾動方向正確時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，反復進行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。

本控制系統(tǒng)可視化的實現(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、實例解析

以典型光伏系統(tǒng)為例：.

日照強度為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，則可能整個系統(tǒng)停止工作。

故MPPT通過穩(wěn)定電壓在30V，達到最大的效率。

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，導致部分電池單元充電達到滿狀態(tài)時，另外部分電池單元仍然沒有達到滿狀態(tài)，而充電系統(tǒng)為保護所有電池不被過沖（主要針對鋰電池單元），將會終止整個電池組的充電。從而導致在電池組放點性能中，產(chǎn)生木桶效應，只釋放以最低狀態(tài)的電池為標準的電量。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不到標準后，均由人工進行拆裝，然后手工利用設備和儀器對每一個電池單元進行校準，浪費巨大人力物力的同時，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)境中的每個電池單元一對一監(jiān)控、監(jiān)測，控制每個電池單元均達到自身的滿狀態(tài)。從而達到整個電池組儲蓄電量的最大化，同時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，實時監(jiān)控每個電池單元的放電狀態(tài)，當部分電池單元達到放電下限，則自動停止其放電，所產(chǎn)生的電壓降由系統(tǒng)自動進行平衡，直到大量電池單元均已停止放電，整個系統(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)，則當電池三在電量釋放完畢之后，將導致整個電池組停止供電。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 降低人工維護成本。

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