物联网开发—太阳能发电集中管理与控制系统

来源：荆州网站建设 时间：2017-03-27

2016年12月，湖北国菱计算机科技有限公司，承接了聚友科技的单片机系统开发。公司物联网开发组历时数十天，成功为客户定制开发了一套太阳能发电集中管理与控制系统。

一、控制系统的组成

本控制系统主要由发电系统控制单元、MCU（微型控制单元）、MCU集中管理服务器和客户端使用APP四个部分组成。

发电系统控制单元负责太阳能模组输入输出状态的监控和设置。且能够将自身采集的数据发送给MCU单片机控制芯片，并能接收控制芯片的远程指令。

MCU（微型控制单元）能够通过网络与远程云端服务器进行通讯。

MCU管理服务器能够统计多终端的数据并记录，同时负责与控制芯片和客户端APP的通讯和数据传递。

客户端APP主要为方便用户能够便捷的、具有逻辑权限的远程操作控制系统。

以下为发电系统控制单元基本状态说明：

二、主要功能

2.1 概述

本管理与控制系统主要利用带网络模块的MCU，通过串口与发电系统控制单元进行数据的交互，实现数据采集、数据同步、数据发送到云端、云端传送控制指令的功能。云端由一台或若干台公网服务器运行，负责各控制系统的数据传输，并写入数据库，并鉴定客户端APP的权限，允许通过权限的APP访问其对应的控制单元和记录数据统计，并进行相应操作功能代码的转发和回显。客户端APP分为IOS（如需对公下载，需要额外添加苹果商店的支持）和安卓两个平台版本，主要功能为：注册登录、绑定设备、加载数据、统计报表及可扩展应用的接口。

2.2 功能描述

2.2.1 WiFi网络自动配置

本功能为本控制系统核心功能。采取广播包含有效配置信息的WIFI信号，使终端模块自动拾取该信息并应用。实现超便捷的首次配置信息配置导入。解决了需要手动输入各校验参数、设备码、验证码、网络配置参数等的复杂步骤。充分体现了互联网便捷易用的懒人思维。

2.2.2数据采集

当控制系统正常工作时，会以一定频率（如3次/秒）的速度，采集工况数据，并发送给指定的云端服务器，服务器收到有效数据进行处理，并记录到数据库内，方便客户端统计和操作。

2.2.3 设置参数

客户端可以自定义发电系统的各项参数，如各电压的设置（精确到毫伏）、电流的设置（精确到毫安）、工作模式的选择及发电系统的远程重启等。方便使用者直接利用互联网连接，进行远程设置。

2.2.4 二维码

为方便新增使用者的使用，并考虑到新型、科技、便捷、节约、快速的目的。本系统在终端发电系统控制单元加入扫一扫二维码功能，使用者仅需打开手机，扫二维码即可下载管理软件，然后进行设备的绑定操作。节约了大量打印设备码、更新APP下载地址、设备粘贴设备码等的物料、工序和时间。

三、手机终端APP使用说明

3.1.1 登录界面

已注册用户可以直接输入账号密码进行登录，未注册用户需先点击注册按钮进行注册，然后继续进行登录操作。    

3.1.2 注册界面

已注册用户可以直接输入账号密码进行登录，未注册用户需先点击注册按钮进行注册，然后继续进行登录操作。

3.1.3 设备列表

此界面为主窗口界面。在此功能状态下，可以查询已绑定的设备，并添加需要新增的设备。同时可以进行设备的初始化设置操作。

3.1.4 设备实时数据

实时数据功能可以查询当前设备的工况数据。

3.1.5 设备控制

修改工作模式、各电压电流参数自定义等。

附1： MPPT最大功率点跟踪系统说明书

一、主要部件

1.1 主要部件构成

太阳能发电系统主要由太阳能电池模组、传输线路、智能工频逆变器、蓄电池组和电网并网设施组成。而MPPT最大功率点跟踪系统管理以上设备，通过调节逆变器参数，实现最大化功率的需求。

1.2 电源管理模块

众所周知，不同的电池、电池模组提供的电压、电量以及充放电的电流均不一样。故需要电源管理模块应具有可适应性，能够有效的保护电池、能承受不稳定因素冲击等。

本电源管理部分，采取云端可选项，进行不同电池模组的选择，详细功能见3.1.4页。同时太阳能发电不稳定，为能保证电量输出最大功率，需要可调初级逆变后的电压和输出。本管理模块已实现实时电压、电流跟踪，同时可以自定义初级逆变后的电压。实现动态功率跟踪的功能。

二、主要功能

MPPT系统通过调节电气模块的工作状态，使光伏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有效地贮存在蓄电池中。实现效率的最大化。

MPPT控制器主要功能：检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰动，如此，反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。

本控制系统可视化的实现了该功能的调节和监控。跟随版本的更新，会逐步添加动态跟踪折线图、电压曲线图、效率曲线图等可视化功能。

三、实例解析

以典型光伏系统为例：.

日照强度为1000W/㎡，U=24V,I=1A；U=30V,I=0.9A；U=36V,I=0.7A；

可见30V的电压下输出功率最大。若电压升高，则功率下降；若电压下降至临界点，则可能整个系统停止工作。

故MPPT通过稳定电压在30V，达到最大的效率。

附2：电池组均衡充放电系统说明书

一、本系统的产生背景

由于电池组内单个电池单元（CELL）本身体质区别，且在循环使用消耗，或者是电路阻抗等因素造成影响，长此以往，彼此单元之间会产生差异，导致部分电池单元充电达到满状态时，另外部分电池单元仍然没有达到满状态，而充电系统为保护所有电池不被过冲（主要针对锂电池单元），将会终止整个电池组的充电。从而导致在电池组放点性能中，产生木桶效应，只释放以最低状态的电池为标准的电量。反过来放电系统工作状态也是如此。

以现在的主流电动汽车电池组为例，其在储蓄和释放电量达不到标准后，均由人工进行拆装，然后手工利用设备和仪器对每一个电池单元进行校准，浪费巨大人力物力的同时，也存在比较大的人为误差和拆装折损。

二、主要功能

①  制充电过程中的平衡，系统对充电环境中的每个电池单元一对一监控、监测，控制每个电池单元均达到自身的满状态。从而达到整个电池组储蓄电量的最大化，同时降低所有电池单元的损耗，延长其使用寿命。

②  控制放电过程中的平衡，实时监控每个电池单元的放电状态，当部分电池单元达到放电下限，则自动停止其放电，所产生的电压降由系统自动进行平衡，直到大量电池单元均已停止放电，整个系统放电暂停。

以下为图形具体表现：

（图一）

图一未采用均衡充放电系统，则当电池三在电量释放完毕之后，将导致整个电池组停止供电。反之，充电结果类似。

（图二）

图二为采用均衡充放电系统，如果电池三电量少于其他电池，则系统在电池三的电量释放完毕之后，仍然进行供电，直至所有电池均释放完毕。反之，充电也会直至全部充满为止。

三、优势

① 长电池使用寿命。

② 提高电池效率。

③ 降低人工维护成本。

2017年6月，太阳能控制器APP正式上线苹果商店（Apple Store)，实现可对公下载。