物聯網開發—太陽能發電集中管理與控制系統

來源：荊州網站建設 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開發。公司物聯網開發組歷時數十天，成功為客戶定制開發了一套太陽能發電集中管理與控制系統。

一、控制系統的組成

本控制系統主要由發電系統控制單元、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。

發電系統控制單元負責太陽能模組輸入輸出狀態的監控和設置。且能夠將自身采集的數據發送給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）能夠通過網絡與遠程云端服務器進行通訊。

MCU管理服務器能夠統計多終端的數據并記錄，同時負責與控制芯片和客戶端APP的通訊和數據傳遞。

客戶端APP主要為方便用戶能夠便捷的、具有邏輯權限的遠程操作控制系統。

以下為發電系統控制單元基本狀態說明：

二、主要功能

2.1 概述

本管理與控制系統主要利用帶網絡模塊的MCU，通過串口與發電系統控制單元進行數據的交互，實現數據采集、數據同步、數據發送到云端、云端傳送控制指令的功能。云端由一臺或若干臺公網服務器運行，負責各控制系統的數據傳輸，并寫入數據庫，并鑒定客戶端APP的權限，允許通過權限的APP訪問其對應的控制單元和記錄數據統計，并進行相應操作功能代碼的轉發和回顯。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）和安卓兩個平臺版本，主要功能為：注冊登錄、綁定設備、加載數據、統計報表及可擴展應用的接口。

2.2 功能描述

2.2.1 WiFi網絡自動配置

本功能為本控制系統核心功能。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、設備碼、驗證碼、網絡配置參數等的復雜步驟。充分體現了互聯網便捷易用的懶人思維。

2.2.2數據采集

當控制系統正常工作時，會以一定頻率（如3次/秒）的速度，采集工況數據，并發送給指定的云端服務器，服務器收到有效數據進行處理，并記錄到數據庫內，方便客戶端統計和操作。

2.2.3 設置參數

客戶端可以自定義發電系統的各項參數，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電系統的遠程重啟等。方便使用者直接利用互聯網連接，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、節約、快速的目的。本系統在終端發電系統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 設備實時數據

實時數據功能可以查詢當前設備的工況數據。

3.1.5 設備控制

修改工作模式、各電壓電流參數自定義等。

附1： MPPT最大功率點跟蹤系統說明書

一、主要部件

1.1 主要部件構成

太陽能發電系統主要由太陽能電池模組、傳輸線路、智能工頻逆變器、蓄電池組和電網并網設施組成。而MPPT最大功率點跟蹤系統管理以上設備，通過調節逆變器參數，實現最大化功率的需求。

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。同時太陽能發電不穩定，為能保證電量輸出最大功率，需要可調初級逆變后的電壓和輸出。本管理模塊已實現實時電壓、電流跟蹤，同時可以自定義初級逆變后的電壓。實現動態功率跟蹤的功能。

二、主要功能

MPPT系統通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統能夠將太陽能電池板發出的直流電有效地貯存在蓄電池中。實現效率的最大化。

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。

本控制系統可視化的實現了該功能的調節和監控。跟隨版本的更新，會逐步添加動態跟蹤折線圖、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，則可能整個系統停止工作。

故MPPT通過穩定電壓在30V，達到最大的效率。

附2：電池組均衡充放電系統說明書

一、本系統的產生背景

由于電池組內單個電池單元（CELL）本身體質區別，且在循環使用消耗，或者是電路阻抗等因素造成影響，長此以往，彼此單元之間會產生差異，導致部分電池單元充電達到滿狀態時，另外部分電池單元仍然沒有達到滿狀態，而充電系統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，產生木桶效應，只釋放以最低狀態的電池為標準的電量。反過來放電系統工作狀態也是如此。

以現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，系統對充電環境中的每個電池單元一對一監控、監測，控制每個電池單元均達到自身的滿狀態。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，實時監控每個電池單元的放電狀態，當部分電池單元達到放電下限，則自動停止其放電，所產生的電壓降由系統自動進行平衡，直到大量電池單元均已停止放電，整個系統放電暫停。

以下為圖形具體表現：

（圖一）

圖一未采用均衡充放電系統，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，充電結果類似。

（圖二）

圖二為采用均衡充放電系統，如果電池三電量少于其他電池，則系統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)，實現可對公下載。