一種新型太陽能控制器的介紹

徐貞華,曾丁初

(江西銅業集團公司德興銅礦,江西德興 334224)

一種新型太陽能控制器的介紹

徐貞華,曾丁初

(江西銅業集團公司德興銅礦,江西德興 334224)

本文介紹了一種使用P89LPC935單片微機控制的新型太陽能控制器。該系統能夠實現最大功率點的跟蹤控制,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;最大功率點跟蹤;單片微機;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、風能等可再生能源的利用受到了越來越廣泛的關注。太陽能利用的重要設備就是太陽能控制器。我們介紹的這款太陽能控制器,是以單片微機為控制核心,采用一種新的控制策略,實現對太陽能系統的最大功率輸出及負載功能進行控制。

2 最大功率點跟蹤的控制原理

太陽能電池在輸出功率的過程中,隨著環境的改變(如:光照強度,環境溫度,負載變化等)也將發生改變。如,當太陽能系統應用于不同的負載時,由于太陽能電池輸出阻抗與負載阻抗不匹配,使得太陽能系統輸出功率降低。解決這一問題的有效辦法是在太陽能電池輸出端與負載之間加入開關變換電路,使負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,即可實現最大功率跟蹤控制[1]。

目前常用的最大功率點跟蹤方法有:a擾動觀察法、b導納微增法等。但這些方法都各有優缺點。如a是一個迭代過程,優點是簡便可行;缺點是由于擾動的引入,系統的工作點無法穩定在最大功率點上。b優點是計算準確;缺點是較為復雜,成本較高。可否有一種計算相對準確又簡便可行,成本低的方法?本系統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。當太陽能電池輸出電壓較低時,輸出電流變化很小。相當于恒流區,圖中的a-b段。當電壓超過一定的值繼續上升時,電流急劇下降。相當于恒壓區,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輸出功率最大點。

我們從圖1分析發現:改變相同步長的工作電壓對太陽能電池在恒流源區和恒壓源區的影響是不一樣的。在恒流源區內,輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低,而在恒壓源區對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 (脈寬調制,下同)相結合的方法,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的電壓一般為其開路電壓的(0.75～0.85)倍,所以在恒流源區與恒壓源區電壓范圍的比例關系大概是4∶1,如果判斷當前太陽能電池工作于恒壓源區時,其工作電壓肯定大于最大功率點電壓,要朝著減少工作電壓的方向變化,取其電壓變化步長為△V,體現在PWM波上的占空比變化為△T;反之,如果判斷當前太陽能電池工作于恒流源區時,其工作電壓肯定小于最大功率點電壓,要朝著增大工作電壓的方向變化,為了提高跟蹤速度,取其電壓變化步長為4△V,體現在PWM波上的占空比變化為4△T。

因此,當控制器使蓄電池處于充電狀態時,用分壓法獲取太陽能電池和蓄電池的端電壓信號,檢測充電電流,變換后產生正比于電流的電壓信號,再經放大,送入單片微機p89lpc935的端口,單片微機間歇掃描,讀取這些電壓信號,作為判定太陽能電池工作區間的依據。進而為調整PWM波的占空比提供依據。這樣,就將太陽能電池的直流輸出信號變換成一個有可變占空比的方波信號來改變太陽能電池的等效負載,也就是通過改變PWM波的占空比來控制充電電壓,實現最大功率點的追蹤。

3 硬件結構

太陽能控制器的結構框圖如圖2所示。由如下的幾部分組成:帶有MCS-51內核[2]的P89LPC935單片微機為核心的控制模塊,蓄電池充電控制,負載控制,能耗控制,參數檢測部分,電源,模式切換,狀態顯示等。P89lpc935主要端口配置如下:

圖2 硬件結構框圖

3.1 太陽能電池的能耗及負載控制

太陽能電池的能耗是在蓄電池已充滿,負載又不運行的情況下。此時,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,易對太陽能電池板造成損傷,本控制器通過微單片機控制的MOSFET管自動接通能耗電路而消耗多余的能量,。負載控制設二級保護:一級是過流熔斷器;二級是因蓄電池開路而過壓,則切斷負載。從而保護了負載設備。能耗控制部分只設電壓檢測,不設電流檢測。負載設電流檢測,實現過電流保護。單片微機根據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

系統工作電源取自于系統本身的蓄電池。由于特殊的電路設計,當蓄電池極性接反,或太陽能極板接反時,對系統沒有任何影響,避免了采用熔斷器熔斷帶來對蓄電池等設備的沖擊。如圖4。

圖4 極性反接保護原理圖

4 軟件設計

本系統的軟件采用keil c51編譯器在windows集成開發環境[3]下開發。整個軟件采用模塊化程序結構與本系統硬件電路相對應,軟件中包含了如下幾個程序:主程序、A/D轉換子程序、D/A轉換子程序,外部中斷子程序,定時器中斷子程序、充電管理子程序。負載管理及能耗子程序。

具體程序框圖,如圖5所示。

單片微機P89LPC955根據太陽能電池端電壓的取樣數據以及感光管的開關信號,確定白天和晚上。軟件按設定的值確定控制器的工作狀態。由于是雙重信號再加上軟件一定的延時,使控制器不會誤判。從而保證工作模式的可靠。

圖5 系統程序框圖

5 結語

本系統已用于太陽能路燈的實際應用中,效果較好。由于采用了獨特的最大功率跟蹤控制和功能強大的計算機系統,與逆變器結合,可以用于更為復雜的太陽能發電系統中。

REFERENCES

[1] 崔容強趙春江吳達.并網型太陽能發電系統[M].化學工業出版社.2007.

[2] 陳粵初等.單片機應用系統設計與實踐[M].北京航空航天大學出版社.1992.

[3] 徐愛鈞彭秀華.C51 windows環境編程與應用[M].北京電子工業出版社,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,高級工程師,主要從事電力自動化與控制系統工作,E-mail:xzhua403@sina.com