基于VC++光伏逆变器监控系统的设计和实现

摘要：根据目前光伏逆变器在市场上的应用状况，提出了相应的监控系统软件的结构、功能和实现方法，使监控系统更加完善。
关键词：光伏逆变器；监控软件；VC++；数据库系统

0 引言
    全球经济飞速发展，能源问题也越来越备受关注。解决能源短缺问题除了一方面节约能源消耗外，另一方面就是开发使用新能源，太阳能作为一种绿色环保的清洁能源，越来越得到各国的重视，对于光伏系统的研究和应用也越显重视。光伏系统中最为关键的技术就是逆变。光伏逆变器主要实现逆变功能，并且决定了整个系统的稳定性与使用的可靠性。为了更好地对光伏逆变器集中控制与维护，实现数据的检测、分析与管理，进一步提高系统的使用性能，开发一套具有数据采集、实时显示运行状态、数据存储、历时查询及报表打印等功能的监控软件是系统管理员所期望的，也是完善光伏并网系统所必不可少的。为此，本文开发了基于VC++的光伏逆变器的数据采集与监控系统。

1 光伏并网逆变系统工作原理
    太阳能电池阵列将接收到的太阳能直接转换后在三相逆变器的输出端输出高频SPWM波，基波是正弦波，经过电感滤波后，向电网馈入与电网电压同频同相的正弦波电流，实现并网电流的正弦化和单位功率因数。这里，三相逆变器为电流控制型电压源逆变器。如果要使光伏阵列在并网发电时，使其工作稳定，能够输出最大功率，则必须首先稳定其工作电压，并找出其最大功率点的工作电压。本课题设计的是非隔离的10kW三相并网逆变器系统，采用两级拓扑结构。前级采用带MPPT的DC-DCBOOST压电升路，后级采用DC-AC的逆变电路，兄图1。本系统中并网光伏逆变器直流最高输入电压为450V，额定功率为10kW，交流输出并入380V交流电网。逆变器的硬件系统有三个主要部分：功率电路、控制电路和驱动电路。
    逆变器的主拓扑结构采用三相全桥逆变电路，如图1所示，功率器件使用IGBT，开关频率为15kHz，为了防止电能从电网流入太阳能光伏阵列，在直流侧加了防反二极管；逆变器的输出端使用了LC滤波电路滤除高频分量，在逆变器的输入端和输出端都安装了接触器，当逆变器检测到外部故障时，都立即关断接触器，实现逆变器的可靠隔离和保护。逆变器采用大电容解耦，在解耦电容的两端增加了放电通道，以保证维护人员的人身安全，逆变器还提供了较好的人机界面，当出现故障时，通过发光二极管的组合编码，给出故障的具体类型。逆变器冷却
方式采用自然空气冷却和强制风冷相结合的方式，当系统检测到的温度高于设定值时启动风扇，进行强制风冷，当温度较低时，采用自然空气冷却。

    逆变器的控制电路的主控制器使用的是TI公司的TMS320F28335芯片，该芯片具有处理性能更快、外设集成度高、A／D转换速度更快等特点。该芯片的采用可以很好满足对三相全桥逆变器进行实时控制的要求。
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2 监控系统的硬件基础
2．1 TMS320F2812DSP控制芯片提供串行通信接口SCI
    F2812控制芯片除了负责对光伏你变系统电路的控制、数据的采集之外，还负责与上位机之间实现数据的传输。SCI是Serial Communica tion Interface的简称，即串行通信接口。SCI是一个双线的异步串口，具有接收和发送两根信号线的异步串口，一般可以看作是UART(通用异步接收／发送装置)，X281x的SCI模块支持CPU与采用NRZ(非归零)标准格式的异步外围设备之间的数据通信。RS-485采用的是差分传输方式，使得在通信速率、抗干扰和传输距离方面都有较大的改善和优点。本文中就是采用SN65LBC184芯片将SCI设计成串口RS485，控制芯片F28 12就能够和使用RS232／USB／RS85等接口的设备实现通信。具体的转换电路如图2所示。

2．2 RS485到RS-232的转换
    目前大部分的工控PC机都只是提供RS232接口和USB接口，所以为了实现RS-485与监控系统的通信，需要将RS485转换成RS232电平，这里选用HIN232和MAX485芯片设计了RS232和RS485的电平转换电路，具体如图3所示。

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3 监控系统的软件设计
3．1 软件通信协议
    监控软件显示的数据是由下位机按照一定的数据格式发送到PC上位机，为了保证数据的正确性和安全性，我们这里采用的是Modbus协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用的语言。控制器之间、控制器与网络以及和其他的设备之间都可以通过它进行相互通信，Modbus协议已经成为一种工业标准。在Modbus通信网络中设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。
    本系统采用RTU模式：
   
    当控制器设为在Modbus网络上以RTU(远程终端单元)模式通信，在消息中的每8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要特点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
    代码系统
    ·8位二进制，十六进制数0、、、、9，A、、、、F
    ·消息中的每个8位域都是一个两个十六进制的字符组成每个字节的位
    ·一个起始位
    ·8个数据位，最小的有效位先发送
    ·1个奇偶校验位，无校验则无
    ·1个停止位(有校验时)，2个Bit(无校验时)错误检测域
    ·CRC(循环冗长检测)
    CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器内容相或(OR)，结果向最低有效位方向移动，最高有效位以0填充。LSB被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置的值或一下，如果LSB为0，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(第8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值相或。最终寄存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的CRC的值。CRC添加到一帧数据中时，低字节先加入，然后高字节。
3．2 上位机的界面
3．2．1 主界面
    监控系统启动后，显示主界面。利用VC环境下的菜单控件在主界面添加监控系统的功能菜单，有主运行界面、串口设置、逆变器数据、历史数据、参数设置等菜单项。主运行界面在下面详细介绍。串口设置主要是负责设置PC上位机串口参数设置，串口的参数设置一定要和下位机的串口参数设置一致，才能保证通信成功。逆变器数据界面主要显示的是当前逆变器运行的状态数据，包括直流电压、直流电流、分别三相电压、三相电流、功率因数、并网频率等实时参数。历史数据是下来菜单，主要有日志查询、历史工作状态数据、故障报表等。可以完成历史数据、故障报表、日志和曲线的保存和打印。参数设置时有一个用户登录窗口，只有输入正确的用户名和密码，才可以成功登录设置窗口。选择不同的子菜单能很方便地在不同的功能窗口进行切换。

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3．2．2 状态运行界面
    监控系统的主运行界面如图5所示，在主运行界面中显示了历史总发电量、累计发电时间、日发电量、烟尘等减排量、瞬时功率实时曲线等数据。这些数据是通过RS-485从F2812获得的。F2812从RS-485接收到上位机发来的启动发送数据命令后，终端定时将所需的一帧数据按照规定的协议发给上位机。上位机将接收到的数据处理之后，进行显示和存储。系统运行条件下指示灯为绿色。采用TeeChart控件来实现瞬时功率的实时曲线显示。TeeChart控件适用于VB、VC++、ASP等系统平台，提供了上百种2D和3D图形风格、40余种数学和统计功能、加上无限制的轴和多种调色板组件可以选择，以及20多种用于图表操作的工具，将图表制作与操作功能发挥得淋漓尽致，为程序设计人员提供了一个高效、直观、节省时间的编程接口。这里使用了TeeChart控件中的实时曲线显示功能，定时读取相应瞬时功率数据库的数据，然后将数据以实时曲线的形式显示。

3．2．3 监控软件的数据库的设计
    在监控系统中，往往需要对历史数据进行查询，生成报表并打印，以便后期对数据的整理、分析和处理。VC6．0具有良好的数据库接口能力，能很方便地对多种类型的数据库进行操作。本监控系统采用ADO编程方式建立了四个ACCESS数据库，分别是历史运行数据数据库、日志数据库、故障数据库和用户登录信息数据库。每个数据库中的表都是以日期命名，每天建立一个新表，这样既不会造成文件的重复也利于文件表的查询，每个表都以运行日期和运行的时间作为索引，可以方便地进行记录的浏览和查询。在开发工程中引入ADO动态链接库文件，初始化COM环境，连接数据库和操作数据表，利用griddata控件负责对数据进行显示和编辑。
3．3 监控软件通信过程
    本监控软件通过使用MSComm控件进行串口编程，采用其中的查询方式的通信方法，用户通过检查CommEvent属性的值来检测时间和通信错误。在通信过程中分别利用void SetCommEvent(shotnNewValue)方法和short GetCommEvevt()方法设置和获取CommEvent的属性值。串口处于接收状态时，清空串口接收缓冲区，读入数据。数据校验正确无误后，判断功能码，对数据区数据切分，运行数据直观地通过曲线或编辑控件显示，将需要保存的数据存入数据库。对于存入数据库的时间，在软件实现过程中可自行设定。判定如果为故障数据则需立即存储，此时下位机F2812控制芯片立即断开各个开关，进入待机状态。在通信频繁的情况下，采用MSComm控件的查询方式更为方便。

4 结束语
    本系统是采用VC++6．0和面向控制对象的思想开发的可视化人机交互监控软件，充分利用TeeChart控件、ADO控件、Inmagelist控件等控件，使得系统具有良好的用户界面和数据库接口能力，能够更加方便地对逆变器的工作数据、故障及日志进行存储管理，方便对逆变器历史数据的查询与维护。系统己在PC机和逆变器之间进行了调试，实现了PC机对逆变器工作状态的监视、控制和数据存储等功能。