徐貞華,曾丁初

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦,江西德興 334224)

一種新型太陽能控制器的介紹

徐貞華,曾丁初

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦,江西德興 334224)

本文介紹了一種使用P89LPC935單片微機(jī)控制的新型太陽能控制器。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制,防止充電蓄電池的極性接反,以及太陽能剩余能量的處理方法。

太陽能;最大功率點(diǎn)跟蹤;單片微機(jī);控制器

1 引言

隨著石油、煤碳、天然氣等不可再生的能源的衰竭,太陽能、風(fēng)能等可再生能源的利用受到了越來越廣泛的關(guān)注。太陽能利用的重要設(shè)備就是太陽能控制器。我們介紹的這款太陽能控制器,是以單片微機(jī)為控制核心,采用一種新的控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能系統(tǒng)的最大功率輸出及負(fù)載功能進(jìn)行控制。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的控制原理

太陽能電池在輸出功率的過程中,隨著環(huán)境的改變(如:光照強(qiáng)度,環(huán)境溫度,負(fù)載變化等)也將發(fā)生改變。如,當(dāng)太陽能系統(tǒng)應(yīng)用于不同的負(fù)載時(shí),由于太陽能電池輸出阻抗與負(fù)載阻抗不匹配,使得太陽能系統(tǒng)輸出功率降低。解決這一問題的有效辦法是在太陽能電池輸出端與負(fù)載之間加入開關(guān)變換電路,使負(fù)載的等效阻抗跟隨太陽能電池的輸出阻抗,從而使太陽能電池輸出功率最大,即可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制[1]。

目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有:a擾動(dòng)觀察法、b導(dǎo)納微增法等。但這些方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。如a是一個(gè)迭代過程,優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便可行;缺點(diǎn)是由于擾動(dòng)的引入,系統(tǒng)的工作點(diǎn)無法穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。b優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算準(zhǔn)確;缺點(diǎn)是較為復(fù)雜,成本較高?？煞裼幸环N計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確又簡(jiǎn)便可行,成本低的方法?本系統(tǒng)采用一種新的跟蹤方法—電壓跟蹤法。

圖1 太陽能電池電壓/電流曲線(A-V)和電壓/功率曲線(P-V)

如圖1所示。當(dāng)太陽能電池輸出電壓較低時(shí),輸出電流變化很小。相當(dāng)于恒流區(qū),圖中的a-b段。當(dāng)電壓超過一定的值繼續(xù)上升時(shí),電流急劇下降。相當(dāng)于恒壓區(qū),圖中b-c段。所以,太陽能電池的輸出功率隨著輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。

我們從圖1分析發(fā)現(xiàn):改變相同步長(zhǎng)的工作電壓對(duì)太陽能電池在恒流源區(qū)和恒壓源區(qū)的影響是不一樣的。在恒流源區(qū)內(nèi),輸出電流對(duì)工作電壓的改變敏感度很低,而在恒壓源區(qū)對(duì)電流的影響卻是非常明顯。因此,本裝置采用間歇掃描法和PWM (脈寬調(diào)制,下同)相結(jié)合的方法,我們稱之為電壓跟蹤法,具體描述如下:太陽能電池的最大功率點(diǎn)的電壓一般為其開路電壓的(0.75～0.85)倍,所以在恒流源區(qū)與恒壓源區(qū)電壓范圍的比例關(guān)系大概是4∶1,如果判斷當(dāng)前太陽能電池工作于恒壓源區(qū)時(shí),其工作電壓肯定大于最大功率點(diǎn)電壓,要朝著減少工作電壓的方向變化,取其電壓變化步長(zhǎng)為△V,體現(xiàn)在PWM波上的占空比變化為△T;反之,如果判斷當(dāng)前太陽能電池工作于恒流源區(qū)時(shí),其工作電壓肯定小于最大功率點(diǎn)電壓,要朝著增大工作電壓的方向變化,為了提高跟蹤速度,取其電壓變化步長(zhǎng)為4△V,體現(xiàn)在PWM波上的占空比變化為4△T。

因此,當(dāng)控制器使蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí),用分壓法獲取太陽能電池和蓄電池的端電壓信號(hào),檢測(cè)充電電流,變換后產(chǎn)生正比于電流的電壓信號(hào),再經(jīng)放大,送入單片微機(jī)p89lpc935的端口,單片微機(jī)間歇掃描,讀取這些電壓信號(hào),作為判定太陽能電池工作區(qū)間的依據(jù)。進(jìn)而為調(diào)整PWM波的占空比提供依據(jù)。這樣,就將太陽能電池的直流輸出信號(hào)變換成一個(gè)有可變占空比的方波信號(hào)來改變太陽能電池的等效負(fù)載,也就是通過改變PWM波的占空比來控制充電電壓,實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的追蹤。

3 硬件結(jié)構(gòu)

太陽能控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由如下的幾部分組成:帶有MCS-51內(nèi)核[2]的P89LPC935單片微機(jī)為核心的控制模塊,蓄電池充電控制,負(fù)載控制,能耗控制,參數(shù)檢測(cè)部分,電源,模式切換,狀態(tài)顯示等。P89lpc935主要端口配置如下:

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 太陽能電池的能耗及負(fù)載控制

太陽能電池的能耗是在蓄電池已充滿,負(fù)載又不運(yùn)行的情況下。此時(shí),太陽能電池因光照而存積過量的能量,有些類型的太陽能控制器往往采取直接釋放多余能量,易對(duì)太陽能電池板造成損傷,本控制器通過微單片機(jī)控制的MOSFET管自動(dòng)接通能耗電路而消耗多余的能量,。負(fù)載控制設(shè)二級(jí)保護(hù):一級(jí)是過流熔斷器;二級(jí)是因蓄電池開路而過壓,則切斷負(fù)載。從而保護(hù)了負(fù)載設(shè)備。能耗控制部分只設(shè)電壓檢測(cè),不設(shè)電流檢測(cè)。負(fù)載設(shè)電流檢測(cè),實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。單片微機(jī)根據(jù)需要控制各自的電路通斷。如圖3。

圖3 能耗控制原理圖

3.2 極性反接保護(hù)

系統(tǒng)工作電源取自于系統(tǒng)本身的蓄電池。由于特殊的電路設(shè)計(jì),當(dāng)蓄電池極性接反,或太陽能極板接反時(shí),對(duì)系統(tǒng)沒有任何影響,避免了采用熔斷器熔斷帶來對(duì)蓄電池等設(shè)備的沖擊。如圖4。

圖4 極性反接保護(hù)原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件采用keil c51編譯器在windows集成開發(fā)環(huán)境[3]下開發(fā)。整個(gè)軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)與本系統(tǒng)硬件電路相對(duì)應(yīng),軟件中包含了如下幾個(gè)程序:主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序,外部中斷子程序,定時(shí)器中斷子程序、充電管理子程序。負(fù)載管理及能耗子程序。

具體程序框圖,如圖5所示。

單片微機(jī)P89LPC955根據(jù)太陽能電池端電壓的取樣數(shù)據(jù)以及感光管的開關(guān)信號(hào),確定白天和晚上。軟件按設(shè)定的值確定控制器的工作狀態(tài)。由于是雙重信號(hào)再加上軟件一定的延時(shí),使控制器不會(huì)誤判。從而保證工作模式的可靠。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)已用于太陽能路燈的實(shí)際應(yīng)用中,效果較好。由于采用了獨(dú)特的最大功率跟蹤控制和功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),與逆變器結(jié)合,可以用于更為復(fù)雜的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中。

REFERENCES

[1] 崔容強(qiáng)趙春江吳達(dá).并網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2007.

[2] 陳粵初等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社.1992.

[3] 徐愛鈞彭秀華.C51 windows環(huán)境編程與應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社,2001.7.

Introduction of a New Solar Controller

XU Zhen-hua,ZENGDing-chu
(Dexing CopperMine of JCC,Dexing,Jiangxi,334224,China)

A new solar controllerwhich is controlled with P89LPC935 single microcomputer is introduced in this article.The system can realize the maximum power point tracking(MPPT)control,to prevent polarity recharging,and the rest of the solar energy approach.

solar;MPPT;single microcomputer;controller

TK51

:B

:1009-3842(2010)03-0059-03

2010-07-12

徐貞華(1963-),男,江西廣豐人,高級(jí)工程師,主要從事電力自動(dòng)化與控制系統(tǒng)工作,E-mail:xzhua403@sina.com