光伏-風力發電系統中蓄電池的控制與仿真

周海峰 ，林忠華 ，董敬德 ，黃元慶

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門361021；2.廈門大學機電系，福建 廈門361005；3.集美大學機械工程學院，福建 廈門361021)

引言

目前,能源已成為世界經濟發展的關鍵問題，風能和太陽能以獨特的特點——可再生和無污染，倍受人們關注。光伏、風力發電利用在近期發展迅速，但光伏部分的效率較低、成本較高，仍然是制約光伏風力發電普及的一個主要因素[1]。

光伏、風力發電受外界影響很大，通常需要有儲能設備。一般采用蓄電池儲能，當風能和太陽能較充足時，多余的電能被儲存在蓄電池中，當風能和太陽能不足時，蓄電池參與放電，而當風能和太陽能短缺時，則完全由蓄電池單獨供電。蓄電池作為風光發電系統的儲能設備，起著協調、平衡系統發電量和負載用電量的關鍵作用。保護好了蓄電池，也就使風能和太陽能得到更充分的利用。鉛酸蓄電池是目前光伏風力發電系統中最常用的儲能單元，重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價格較高，相對來說應用沒有前一種廣泛。本文通過對蓄電池充放電的控制，以達到對蓄電池的良好保護，具有積極的現實意義[2]。

1 蓄電池充放電控制設計

1.1 充放電控制與保護

在光伏風力發電系統中蓄電池的投資可以占到系統初期投資的 1/4～1/2,而且也是系統最薄弱的一個環節,在系統運行壽命中,蓄電池成為最昂貴的部件,這主要是由于許多蓄電池達不到其使用壽命而提前失效,系統不得不更換。這些問題的解決除了對蓄電池本身進行性能提高外,系統能量管理的好壞對評價整個系統的性價比也影響重大,特別是對蓄電池的充、放電控制[3]。

蓄電池不宜處在長期過放或過充的狀態,即蓄電池端電壓既不能長時間低于某一值也不能高于某一值,否則會極大地縮短蓄電池的使用壽命。為了保護蓄電池,在充電器工作過程中必須對蓄電池電壓進行監控,設置蓄電池的欠壓保護點和過壓保護點。

系統中的蓄電池與其在另外場合的工作條件不同它的充、放電率都非常小,且充電時間還受到限制,也就是說只有在有風和日照條件下才能充電,致使壽命比預定短,已經成為系統中最易損壞的部件，多由“過充”和“過放”造成[4]。過充，是指蓄電池電壓超過致水分流失，嚴重時，水分解產生氫氣和氧氣造成電池底部濃度升高，以致負極板底部硫酸鹽化加上正極板腐蝕和膨脹，造成容量損失。

為了保護蓄電池，在充放電工作過程中必須對蓄電池電壓進行監控。比較簡單而實用的蓄電池充放電保護電路，是預設定一個保護電壓（如表1）。當電壓達到這個設定值后就改變電路的狀態,從而達到控制充放電的目的[5]。

表1 蓄電池充、放電保護

1.2 設計要求與方案

以單片機為控制器，對蓄電池的端電壓進行實時監測,實現對蓄電池的充放電保護。我們以電壓輸入模擬信號代替蓄電池的端電壓，利用T6963C液晶顯示器將蓄電池的電壓實時變化值顯示在屏幕上，并能顯示出柱狀效果圖，達到圖形與數字結合的效果。在控制器中設置過充與過放的保護電壓，當顯示數值不在保護電壓范圍內，控制器送出相應報警信號。

在標稱電壓為6 V時，過充保護的保護電壓不高于7.2 V；過放保護的保護電壓不低于5.5 V；超出電壓保護范圍時信號燈亮，提醒切斷電源。

按照系統功能的要求,確定系統由3個模塊組成:控制器模塊、數據采集模塊和電壓顯示模塊。電壓顯示模塊采用液晶顯示器件(LCD)由于具有顯示等優點，正在測量及控制領域被廣泛地推廣和應用。其中圖形點陣式液晶顯示器不僅可以顯示數字、字符等內容，還能顯示漢字和任意圖形[7，8]。

由于T6963C液晶顯示控制器在應用中可以與各種型號的微控制器接口,實現控制和現場過程的動態顯示，所以選擇T6963C及其構成的液晶顯示模塊來實現電壓顯示模塊。

使用仿真軟件PROTEUS、硬件電路板、數據采集板分別對三個模塊進行調試仿真，待各個模塊都已調試成功時，實現對整個系統的軟硬件綜合調試。

2 系統充放電控制顯示原理圖

當電池電壓達到或者低于上限電壓時,使電池充電并為負載供電,當電池電壓高于上限電壓時,電池供電電路被斷開，由光伏-風力發電系統為負載直接供電，從而起到了防止蓄電池過充電的保護作用。

當電池電壓高于下限電壓時,電池為負載供電;當電池電壓達到或者低于下限電壓時,蓄電池供電電路被斷開。只有等下次系統上電時,才能夠使電池放電,從而起到了防止蓄電池過放電的保護作用（見圖 1）。

圖1 充放電控制電路原理圖

3 系統軟件設計仿真與實現

系統控制器主程序包括系統的初始化、顯示主界面、數據采集、顯示屏讀數據等工作,當系統上電時,自動進入主程序,系統各子程序包括液晶顯示模塊子程序、顯示子程序電壓數值控制子程序相應工作。部分流程圖見圖2和圖3。其中數據采集模塊利用采集板與單片機進行通信,將從采集板上獲得的模擬蓄電池端電壓信號即模擬電壓值顯示在液晶屏上,實現對蓄電池端電壓的實時監控；51內核單片機通過編寫程序對單片機進行控制,實現SM8954A與采集板間的通信,液晶顯示的驅動控制與復位,以及蓄電池過充過放的及時保護。

4 仿真與實現

PROTEUS是Labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統,它可仿真各種電路和集成IC,它支持許多型號的單片機的仿真,另外還提供Schematic Drawing與PCB設計功能。它的元件庫齊全,使用方便,是不可多得的電子電路設計輔助軟件。keil是目前世界上最好的51單片機的匯編和C語言的開發工具,它支持匯編、C語言以及混合編程,同時具備功能強大的軟件仿真和硬件仿真（用mon51協議,需硬件支持）功能。我們在利用它的仿真功能的時候都有一定的限制,我們把這兩個軟件結合來用,調試軟硬件就較方便[9，10]。

4.1 Keil與PROTEUS連接調試步驟

（1）下載Keil c51 v7.50軟件和PROTEUS 6.9 SP4軟件,分別進行安裝。

（2）系統安裝上TCP/IP協議。

（3） 把 PROTEUS 安裝目錄下 VDM51.dll（C:Program FilesLab center ElectronicsProteus 6 ProfessionalMODELS）文件復制到Keil安裝目錄的C51BIN目錄中。

（4）編輯C51里tools.ini文件,加入:TDRV5=BINVDM51.DLL("Proteus VSM Simuator")。

（5） Keil 里 設置:project→options for Target‘Target 1’→debug.再進入 settings,如果同一臺機 IP名為127.0.0.1,如不是同一臺機則填另一臺的IP地址，端口號為8000，（可以在一臺機器上運行Keil,另一臺中PROTEUS進行遠程仿真）。

（6）載入PROTEUS文件。

（7）PROTEUS里 DEBUG→use remote debug monitor。

（8）打開Keil確定程序編譯通過后,按F5開始仿真。

4.2 液晶顯示柱狀圖仿真

打開PROTEUS ISIS編輯環境,按表2所列的元件清單添加元件，在PROTEUS ISIS的編輯區域按圖4所示的原理圖連接硬件電路，我們在PROTEUS環境下對系統進行仿真。

表2 元件清單

（1） 打開 KeilμVision2,新建 Keil項目,選擇AT89C51單片機作為CPU,新建文件,編寫程序,并將其導入“Source Group 1”中。 在“Options for Debug”對話窗口中,選中“Output”選項卡中的“Greate HEX File” 選項和 “Debug” 選項卡中的“Use:PROTEUS VSM Simulator”選項，編譯程序,改正程序中的錯誤。

（2）在PROTEUS ISIS中,選中AT89C51并單擊鼠標左鍵,打開“Edit Component”對話窗口,設置單片機晶振頻率為12 MHz,在此窗口中的“Program File”欄中,選擇先前用Keil生成的.HEX文件，在PROTEUS ISIS的菜單欄中選擇 “File”→“Save Design”選項,保存設計。在PROTEUS ISIS的菜單欄中,打開“Debug”下拉菜單,在菜單選項中選中“Use Remote Debug Monitor”選項，以支持與Keil的聯合調試。

（3） 在 Keil的菜單欄中選擇 “Debug”→“Start Debug Session”選項,進入程序調試環境，按“F5”鍵，順序運行程序，調出“PROTEUS ISIS”界面?？煽吹诫妷褐狄詳底趾椭鶢顖D形式顯示于液晶顯示器上。

軟硬件綜合調試,通過MSM9169 V2M2燒錄器對SM8954A進行程序燒錄,并連接好硬件圖,綜合調試接線和結果顯示如圖5所示。

5 結論

本文以蓄電池充放電時的端電壓為控制仿真對象,采用上潤WP系列儀器中的WP數據采集板對模擬輸入電壓進行實時采集,通過編寫調試程序,實現了數據在液晶顯示器上的實時控制與顯示,結合PROTEUS仿真軟件進行反復調試,實現了液晶屏上的柱狀圖形顯示,軟硬件的調試都取得了成功,能夠在T6963C液晶顯示控制器上進行顯示與仿真,使得蓄電池的充放電得到預期的控制,實現了過放過充保護的目標。

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