stm32的光伏逆变器运行状态监控节点硬件设计(附件)
太阳能是最理想的可再生能源，推动着光伏发电产业持续发展。逆变器是光伏发电系统中的核心器件，针对光伏逆变器远程监控的需要，本文基于STM32/ZigBee完成了光伏逆变器运行状态监控节点硬件电路的设计。在分析光伏逆变器结构及工作原理的基础上，选定逆变器的交直流侧电压电流温度作为监控参数，完成了对应传感器的选型，并针对传感器的特点设计了相应的调理电路；选择STM32作为核心处理器，完成被采集数据的处理，为了便于调试观察，设计了液晶显示电路及超限报警电路；最后选择CC2530作为数据无线发送的硬件支持，通过串口与STM32连接，从而实现光伏逆变器终端节点数据采集处理及无线传输的功能。本文在Protel DXP中完成了节点原理图的绘制及 PCB 板的制作，对所设计的硬件电路进行了调试，实验结果表明，该系统能够很好地实现数据监控功能。关键词 光伏逆变器，远程监控，数据采集，ZigBee 目 录
1绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 光伏发电系统的监控技术在国内外的发展现状 1
1.3 光伏逆变器监控的关键技术 2
1.4 课题研究的主要内容 3
2 光伏逆变器监控节点的总体设计 4
2.1 逆变器的运行状态参数及传感器选型 5
2.2 核心处理器的选择 7
2.3 无线通信方式选择 7
2.4 电源及外围电路 7
3 数据采集与处理模块设计 8
3.1 数据采集 8
3.2 数据处理设计 14
3.3 外围电路设计 14
3.4 电源设计 15
4 基于ZigBee无线传感的模块设计 16
4.1 CC2530开发板硬件资源概述 16
4.2 CC2530与STM32的通信实现 17
5 实验调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软硬联调 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录1 27
附录2 28
附录3 29
1绪论
1.1 课题背景与
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
6
4.2 CC2530与STM32的通信实现 17
5 实验调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软硬联调 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录1 27
附录2 28
附录3 29
1绪论
1.1 课题背景与意义
当前全球经济与社会发展快速，能源问题受到了人们的广泛关注。进入21世纪以来，人类对能源的需求与日俱增，加上有限的一次能源储量的背景，推动着人们对新能源不断地探索。在众多新能源中，太阳能以其具有高效，清洁，可靠性高等优点备受关注[1]。我国是人口大国，同时正处于经济发展的高速期，对资源的需求十分巨大，为了避免过度开采不可再生资源，所以有必要加大对太阳能资源的利用。我国地域辽阔，太阳能资源丰富，具备对太阳能资源开发利用的良好条件[2]。近年来光伏发电快速发展，充分发挥了太阳能的优势。
逆变器是整个光伏发电系统的核心，保证逆变器的稳定运行有着重要的意义[3]。此外在现实应用中，逆变器的工作状态是非常复杂的，温度过高、电压或电流过大等因素都会对逆变器造成不良影响，进而威胁到整个光伏系统，而且现有的光伏逆变器大多分散安装在偏远地区，这样就对逆变器的监控带来很大的不便。
因此，设计一个远程监控系统，实时监测逆变器的运行状态，代替人工巡检，有着非常重要的意义[4]。本文将重点对光伏逆变器监控终端节点的硬件部分进行分析设计，并通过实验平台验证设计的正确性。
1.2 光伏发电系统的监控技术在国内外的发展现状
国外在光伏发电系统中的监控技术这方面的研究比国内起步要早。在上世纪末针对监控技术进行了集中研究，形成了系统的研究方法，特点如下：针对性的研究，独立的数据采集和分析，系统化智能化的管理，合理的安排生产和调度[6-7]。相比之下，国内的光伏发电站很多都是独立存在，相互之间缺少通讯，至于并网光伏发电站也只有很少的实验性质电站存在[8]。在利用监控系统对光伏电站进行远程监控的方面，相关的研究实例还很少，尤其在逆变器监控方面，国内采取的方法较为滞后，智能化程度低，相对投入成本较高。可以看出，国内与国外在监控技术的研究和相关产品的开发上，都存在一定的差距[9-10]。
国内大部分光伏电站集中分布在偏远地区，很多都是分散的独立电站，并且传统的人工巡检方法滞后，无法满足光伏电站发展的需要[11]，而采用远程监控则可以将某一地区的光伏电站组成网络，收集光伏电站的运行数据，然后通过无线方式监测各个电站的运行情况，可以更方便地对系统做出对应的处理。有线方式需要投入大量的资金，建设基础设施，增加了监测成本[12]。无线传感器网络的自组织能力以及灵活的部署等优势可以降低监测系统开发成本[13]，尤其适合在恶劣、危险、偏远等无人值守的地方工作。
当前，无线传感器网络技术在光伏监控领域主要应用于光伏电池板的监控[14-15]，而用于逆变器运行状态的监控的研究还很少。有关逆变器监控方面的研究，基本都是采用DSP/GPRS的方法，即在数据传输时是使用的GPRS，GPRS作为一种通信手段，其数据率高，传输数据远，但是也存在不足，功耗高，成本高，而且是收费的。所以本系统采用另一种无线传感器网络通信方法，即ZigBee技术。无线传感器网络可以根据协议自由收发信息，在设备之间实现无线通信。ZigBee技术可以在相邻较近的设备之间实现，并且损耗低，还可以降低成本。虽然传输速率不及GPRS，但亦可满足系统要求了。因此基于无线传感器网络的光伏逆变器远程监控系统就有一定的创新性和重要意义。
1.3 光伏逆变器监控的关键技术
本课题基于光伏逆变器的工作原理及运行状态参数，设计了一种基于STM32/ZigBee 的光伏逆变器运行状态的监控节点。主要包括两大部分，分别是数据采集与处理以及无线传感器网络部分。
1.3.1 光伏逆变器工作原理
光伏逆变器是一种由电力电子器件组成的电力调整装置，是电力电子技术在光伏发电系统中的应用。逆变器主要由晶闸管等半导体开关元件构成，通过控制半导体元件的通和断，将太阳能电池板输入的直流电能转变成交流电能输出[15]，在本课题中，研究对象为200W小功率单相有源逆变器。实现方法如下：采用推挽电路实现，通过开关管将输入的直流斩成两路方向交替变化的直流，然后通过推挽变压器输出，推挽变压器的次级线圈就可以得到交流电。单相并网逆变器原理图如图1-1所示：
图1-1 逆变器原理图
逆变器的种类有很多，主要的分类如下：依据逆变器输出电能的用途，可以分为有源逆变和无源逆变，无源逆变即将输出的电能直接供给负载供电，而有源逆变即将电能输送给电网供电。
1.3.2 数据采集与处理
考虑逆变器运行状态的主要参数，选择适当的传感器采集信号，以及设计相应调理电路使输出稳定，最终实现各节点实时采集逆变器输入侧的直流电压，输出侧的交流电压及其频率、交流电流以及温度等状态信息的功能。
选用STM32F103RBT6微控制器作为控制核心，该控制器与其
1绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 光伏发电系统的监控技术在国内外的发展现状 1
1.3 光伏逆变器监控的关键技术 2
1.4 课题研究的主要内容 3
2 光伏逆变器监控节点的总体设计 4
2.1 逆变器的运行状态参数及传感器选型 5
2.2 核心处理器的选择 7
2.3 无线通信方式选择 7
2.4 电源及外围电路 7
3 数据采集与处理模块设计 8
3.1 数据采集 8
3.2 数据处理设计 14
3.3 外围电路设计 14
3.4 电源设计 15
4 基于ZigBee无线传感的模块设计 16
4.1 CC2530开发板硬件资源概述 16
4.2 CC2530与STM32的通信实现 17
5 实验调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软硬联调 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录1 27
附录2 28
附录3 29
1绪论
1.1 课题背景与
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
6
4.2 CC2530与STM32的通信实现 17
5 实验调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软硬联调 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录1 27
附录2 28
附录3 29
1绪论
1.1 课题背景与意义
当前全球经济与社会发展快速，能源问题受到了人们的广泛关注。进入21世纪以来，人类对能源的需求与日俱增，加上有限的一次能源储量的背景，推动着人们对新能源不断地探索。在众多新能源中，太阳能以其具有高效，清洁，可靠性高等优点备受关注[1]。我国是人口大国，同时正处于经济发展的高速期，对资源的需求十分巨大，为了避免过度开采不可再生资源，所以有必要加大对太阳能资源的利用。我国地域辽阔，太阳能资源丰富，具备对太阳能资源开发利用的良好条件[2]。近年来光伏发电快速发展，充分发挥了太阳能的优势。
逆变器是整个光伏发电系统的核心，保证逆变器的稳定运行有着重要的意义[3]。此外在现实应用中，逆变器的工作状态是非常复杂的，温度过高、电压或电流过大等因素都会对逆变器造成不良影响，进而威胁到整个光伏系统，而且现有的光伏逆变器大多分散安装在偏远地区，这样就对逆变器的监控带来很大的不便。
因此，设计一个远程监控系统，实时监测逆变器的运行状态，代替人工巡检，有着非常重要的意义[4]。本文将重点对光伏逆变器监控终端节点的硬件部分进行分析设计，并通过实验平台验证设计的正确性。
1.2 光伏发电系统的监控技术在国内外的发展现状
国外在光伏发电系统中的监控技术这方面的研究比国内起步要早。在上世纪末针对监控技术进行了集中研究，形成了系统的研究方法，特点如下：针对性的研究，独立的数据采集和分析，系统化智能化的管理，合理的安排生产和调度[6-7]。相比之下，国内的光伏发电站很多都是独立存在，相互之间缺少通讯，至于并网光伏发电站也只有很少的实验性质电站存在[8]。在利用监控系统对光伏电站进行远程监控的方面，相关的研究实例还很少，尤其在逆变器监控方面，国内采取的方法较为滞后，智能化程度低，相对投入成本较高。可以看出，国内与国外在监控技术的研究和相关产品的开发上，都存在一定的差距[9-10]。
国内大部分光伏电站集中分布在偏远地区，很多都是分散的独立电站，并且传统的人工巡检方法滞后，无法满足光伏电站发展的需要[11]，而采用远程监控则可以将某一地区的光伏电站组成网络，收集光伏电站的运行数据，然后通过无线方式监测各个电站的运行情况，可以更方便地对系统做出对应的处理。有线方式需要投入大量的资金，建设基础设施，增加了监测成本[12]。无线传感器网络的自组织能力以及灵活的部署等优势可以降低监测系统开发成本[13]，尤其适合在恶劣、危险、偏远等无人值守的地方工作。
当前，无线传感器网络技术在光伏监控领域主要应用于光伏电池板的监控[14-15]，而用于逆变器运行状态的监控的研究还很少。有关逆变器监控方面的研究，基本都是采用DSP/GPRS的方法，即在数据传输时是使用的GPRS，GPRS作为一种通信手段，其数据率高，传输数据远，但是也存在不足，功耗高，成本高，而且是收费的。所以本系统采用另一种无线传感器网络通信方法，即ZigBee技术。无线传感器网络可以根据协议自由收发信息，在设备之间实现无线通信。ZigBee技术可以在相邻较近的设备之间实现，并且损耗低，还可以降低成本。虽然传输速率不及GPRS，但亦可满足系统要求了。因此基于无线传感器网络的光伏逆变器远程监控系统就有一定的创新性和重要意义。
1.3 光伏逆变器监控的关键技术
本课题基于光伏逆变器的工作原理及运行状态参数，设计了一种基于STM32/ZigBee 的光伏逆变器运行状态的监控节点。主要包括两大部分，分别是数据采集与处理以及无线传感器网络部分。
1.3.1 光伏逆变器工作原理
光伏逆变器是一种由电力电子器件组成的电力调整装置，是电力电子技术在光伏发电系统中的应用。逆变器主要由晶闸管等半导体开关元件构成，通过控制半导体元件的通和断，将太阳能电池板输入的直流电能转变成交流电能输出[15]，在本课题中，研究对象为200W小功率单相有源逆变器。实现方法如下：采用推挽电路实现，通过开关管将输入的直流斩成两路方向交替变化的直流，然后通过推挽变压器输出，推挽变压器的次级线圈就可以得到交流电。单相并网逆变器原理图如图1-1所示：
图1-1 逆变器原理图
逆变器的种类有很多，主要的分类如下：依据逆变器输出电能的用途，可以分为有源逆变和无源逆变，无源逆变即将输出的电能直接供给负载供电，而有源逆变即将电能输送给电网供电。
1.3.2 数据采集与处理
考虑逆变器运行状态的主要参数，选择适当的传感器采集信号，以及设计相应调理电路使输出稳定，最终实现各节点实时采集逆变器输入侧的直流电压，输出侧的交流电压及其频率、交流电流以及温度等状态信息的功能。
选用STM32F103RBT6微控制器作为控制核心，该控制器与其
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