1、 I 武汉理工大学毕业设计（论文） 家用光伏发电系统能量流 控制研究 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气工程 学生姓名： XXXXXXXXXX 指导教师： XXXXX II 摘要 随着 时代的发展和社会现代化的一步步前进，人类对能源的需求越来越多。如今，新能源开发 成为解决能源问题的根本途径。在人们对新能源的不断探索中，电能始终处于举足轻重的地位。而 太阳能光伏发电 也 正是新能源和可再生能源的重要组成部分。 由此，在光伏发电这一问题中，本文探究了家用光伏发电系统的能量流控制方法。 我们采用 MCGS 小型工业平板电脑对 MPPT 太阳能控制器及 48VDC/220VAC 双向转换逆
2、变器进行控制，以控制算法控制太阳能光伏发电并网、太阳能光伏发电充电、电网对蓄电池充电等能量流的流动 ，利用工业平板进行软件编程。最终实现对于家用光伏发电系统中电压、电流输入输出量等的反映，并简单分析能量流优化的方法，呈现出一个便于操作的触摸屏界面，并通过 Modbus 通讯协议实现与硬件的连接。 关键 词 ： 太阳能、发电、控制、工业平板、通讯 III Abstract With the development of the age and social modernization, a growing number of energy is demanded by peoples. Nowa
3、days, the development of new energy has become a fundamental way to solve the energy problem. In the course of the continuous exploration of new energy, electric energy always plays a decisive role. At the same time, the solar photovoltaic power generation is an important part of new energy and rene
4、wable energy. Thus, this paper explores the domestic photovoltaic power generation systems energy flowing control method for the issue of the photovoltaic power generation. We adopt MCGS small industrial panel PC to control MPPT solar controller and 48VDC/220VAC bidirectional conversion inverter. Th
5、e control algorithm controls grid solar photovoltaic power generation, solar photovoltaic power generating and power on charging for the battery energy flowing with the method of industry tablet software programming. Ultimately, MCGS will reflect the home photovoltaic power systems voltage and curre
6、nt quantity of input and output and analyze simply about energy flow optimization method. It also will reflect a touch screen interface which is easy for handing and connect protocol and hardware according to the Modbus communication. Key Words ： Solar energy, Power generation, Control, Industrial p
7、anel PC, Communication IV 目录 摘要 .II Abstract . III 目录 . IV 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景、目的和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 光伏发电系统的原理 . 3 1.3.1 光伏电池的工作原理基础 . 3 1.3.2 MPPT 太阳能控制器 . 5 1.4 设计基本内容 . 5 第 2 章 家用光伏发电系统的组成 . 7 2.1 光伏发电系统的基本组成 . 7 2.2 带有 MPPT 的光伏发电系统 . 7 第 3 章 通信协议 . 8 3.1 通信接口方案 . 8 3.1.1 RS-232 通信 . 8
8、3.1.2 RS485 通信 . 8 3.1.3 通信方案选择 . 11 3.2 Modbus 协议 . 11 3.2.1 协议介绍 . 11 3.2.2 Modbus 上的数据传输 . 12 3.2.3 Modbus 信息帧 . 14 3.2.4 错误校验方法 . 16 V 3.3 基于 RS-485 物理层的 Modbus 通信协议 . 17 3.3.1 主机 /从机通信原理 . 17 3.3.2 信息传输 . 17 3.3.3 设备地址 . 19 3.3.4 通信时序 . 19 第 4 章 MCGS 工业平板控制 . 20 4.1 MCGS 组态软件的整体结构 . 20 4.2 MCGS
9、 工程构建 . 21 4.3 控制结果 . 24 第 5 章 MPPT 能量流优化 . 27 5.1 最大功率点跟踪控制（ MPPT）法 . 27 5.2 控制总体流程 . 27 5.3 控制效果 . 29 第 6 章 总结与展望 . 30 参考文献 . 31 附录 A . 33 附录 B . 36 致谢 . 38 武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 1 第 1 章 绪论 长期以来，人们就一直在努力研究 和利用太阳能。我们地球所接收 到的太阳能，虽然 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的 34 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料
10、不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近 10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受 到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料 以扩大太阳能的应用领域 。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛， 在 一 些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用 最 广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位。 太阳能电 池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件，由它组成的系统通常我们 称之为光伏电池光伏系统。 1.1 研究背景、目的
11、和意义 电能 是当今最重要的能源形式，使用方便，适用范围广 。无论是国有大规模发电还是家用小规模发电，它都已在我们的生活中扮演着不可或缺的角色 。 然而，作为二次能源的电能，它并不能 从自然界直接获得，需要一次能的消耗才能得到 。 无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的 10 5。 从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源，世界上多数发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。在新 能源发展中 ， 光伏发电 是发展最快的 产业之一 ,世界各国都把太阳能 的开发和利用作为重要的研究内容 。根
12、据欧洲 JRC 的预测，到 2030 年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用，达到 10%以上，可再生能源在总能源结构中占到 30； 2050 年太阳能 发电将占总能耗的20%，可再生能源占到 50以上，到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用。 利用小型工业平板电脑的控制算法监测系统从太阳能电池板和国家电网两向的电量信息，并显示在工业平板电脑显示屏上，便于用户操作。进而，通过对系统的能量流数据进行分析，确定优化方案，最终实现对太阳能光伏发电并网、太阳能光伏发电充电以及电网对蓄电池充电过程中能量流流动的控制。 我国的光伏产业虽然起步晚，但其发展迅速。如今，太阳能已经是我国重点开发
13、、武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 2 利用和发展的新能源之一。近年来，政府出台了部分政策来鼓励发展家用光伏发电 。尽管在发展过程中仍存在不足之处，但对于太阳能这一新能源能够走入寻常百姓家的进程来说，研究家用光伏发电系统对我们日常生活用电的提供来说是非常值得的。而能量流控制则是整个系统的关键部分，重中之重。我们希望可以根据控制算法所呈现出来的用电数据信息，对家用光伏发电系统作进一步改进，从而优化或提高光伏发电系统的能效。 1.2 国内外研究现状 随着世界各国陆续进行的工业化进程和现代化发展，能源消耗得越来越多，应运而生的世界光伏产业正迅猛发展。自 20 世纪 90 年代后半期开始，世界太阳能电
14、池产量逐年增长，光伏产业也迅速蹿升为继 IT 行业之后发展最快的产业。 美国是最早实现太阳能转换为电能的国家。 1930 年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。 1954 年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶太阳能电池。在 2008 年新增装机容量已经列全球第 2 位 16， 20l1年 2 月 4 日，美国能源部发起“ Sunshot”计划，拟在 2020 年前将太阳能光伏系统总成本降低 75，达到每千瓦时 6 美分，随后美国能源部宣布了一系列有条件贷款担保太阳能光伏项目，整个 2011 年美国阳能光伏发电装机容量为 185 5 万千瓦，为 20
15、10 年的两倍以上。美国光伏产业的迅猛发展主要得益于与光伏发电相关的组件价格大幅下降以及联邦政府的大力补贴。 德国可以说是世界上对光伏产业支持力度最大的国家。其太阳能光伏电池的用量接近整个世界的一半，其光伏产业近几年来发展迅猛。德国 2009 年的太阳能总装机容量为4Gw， 2010 年则迅速增长到 10Gw， 2011 年更是创下世界纪录，年装机容量达到 7 5Gw。但由于其光伏产业发展的过于迅速，导致了光伏产业产能过剩，一系列老牌光伏产业申请破产，包括 solon、 Gecko G 姒 lp 和 systaic 等著名厂商，其中 Solon 是德国光伏企业中最早上市的公司，为德国的明星企业
16、。 日本是最早推广光伏发电产业的国家之一， 2004 年以前日本一直雄踞光伏产业的霸主地位，但自从 2005 年开始，日本取消了“阳光屋顶计划”，装机容量呈下降趋势， 2009年后，日本重新开始太阳能屋顶补贴计划，光伏产业呈现发展新面貌，但由于 2005 2008年之间政府的消极政策，导致日本光伏技术比之欧洲国家相对落后，其太阳能电池价格偏贵。 中国光伏产业发展相对滞后，国内光伏市场狭小， 2006 年以来中国光伏产品的出口比例一直在 95以上，而国内太阳能总装机 容量 仅为全球总容量的 2。中国政府今年来连续颁布了一系列政策支持光伏产业，在，“十二五”期间，国家已明确了从两方面推武汉理工大学
17、毕业设计 (论文 ) 3 动光伏发电应用：一是通过国际通行的招标方式，启动建设一批规模较大的并网光伏电站；二是继续大力推进和实施“金太阳示范工程”，通过多种政策补贴的组合带动应用项目发展。 1.3 光伏发电系统的原理 1.3.1 光伏电池的工作原理基础 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。 光伏电池，也叫太阳能电池，它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光 热 电转换方式，另一种是光 电直接转换方式。其中，光 电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光 电转换的基本装置就是太阳能电池。 光伏电池是以光生伏
18、打效应为基础的能量转换装置。 所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。 单晶硅的原子是按照一定规律排列的。每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子， 并同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的 /空穴 0。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素
19、，那么它就成为空穴型半导体，简称 p 型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称 n 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成 p-n 结 17，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。 由于此处电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射 p-n 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向 n 型区，空穴被驱向 p 型区，从而使 n 区有过剩的电子， p 区有过剩的空穴 ;于是，就在 p-n 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场 。光
20、生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使p 型区带正电， n 型区带负电；于是，就使得在 n 区与 p 区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。接通电路时便有电能输出。这就是 p-n 结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个 、数百个太阳能电池单体串联、并连起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的电能。 太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 4 太阳能电池寿命长 ，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用 ;与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以
21、大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。其工作原理图如下： 图 1.1 光伏电池工作原理（ 1） 图 1.2 光伏电池工作原理（ 2） 武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 5 1.3.2 MPPT 太阳能控制器 在光伏发电系统的能量流控制中，最大功率点跟踪（ MPPT）方法是提高系统能效的重要手段 6。 如果负载与太阳能电池直接相连接，当光照强度或者温度变化时，负载的工作点偏离最大功率点，系统输出功率下降，负载就不能获得最大功率。为了使光伏电池在各种温度以及光照强度条件下都能将发出的功率最大限度地输出给蓄电池，可以在光伏电池和蓄电池之间设置一个控
22、制器以实现光伏电池功率的最大输出，这相当于在太阳电池与负载之间接人一个阻抗变换器，使得负载的输人阻抗与太阳能电池的输出阻抗总是处于最佳的匹配 状态，从而得到最大输出功率。 它通过调节电气模块的工作状态，使光伏 电池 板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，且不产生环境污染 5。 同时， 我们选择采用 DC/DC 变换电路实现 MPPT 的原理。 DC/DC 变换器主要有两个作用：一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率处；二是限制蓄电池充电电压范围，起到调节作用。 1.4 设计基本 内容
23、光伏发电系统主要由光伏电池板、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环境因素影响很大，且不能储存能量，因此，我们需要为其配备蓄电池来储存和调节电能。为了充放电电流能得到有效控制，防止负载变化所引起的电流大幅增减，我们避免了蓄电池直接与直流母线连接，而是选择在蓄电池和直流母线之间增加 DC/DC 变换器。系统可以通过 DC/AC 逆变器接交流负载，也可以通过DC/DC 变换器接直流负载。通过小型平板电脑对 MPPT 太阳能控制器及双向转换逆变器进行控制，使输出功率始终为最大。双向转换 逆变器是 既可以将直流电变换成交流电，也可以将交流电变换成直流电的逆变器。 在家
24、用光伏发电系统中，主要控制蓄电池组的充电和放电，是系统的重要 控制设备。 在家用光伏发电系统的搭建过程中，我们需要有软件的支持，来完成模拟系统搭建和数据采集等任务。 MCGS 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows 平台的、 用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的 开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的
