智能型太陽能蓄電裝置監(jiān)控系統(tǒng)設計

遼寧石油化工大學信息與控制工程學院 董 旭 單海歐 王天施

引言：隨著科學技術的發(fā)展，變配電所的智能化要求也越來越高，本設計提出電阻放電的方式對太陽能蓄電池進行恒流放電，并設計智能截止電路，使用蓄電池監(jiān)測模塊監(jiān)測蓄電池放電過程中的狀態(tài)。系統(tǒng)界面簡單易用，整個系統(tǒng)操作簡單，已推廣應用。

1.前言

目前，生活工業(yè)環(huán)境用電的場所越來越多，對電能要求質量也越來越嚴格，而在電能質量管理系統(tǒng)中，準確測量、斷電保護、失電保護等的檢測環(huán)節(jié)是要解決的主要問題。蓄電池的應用也越來越廣泛，蓄電池存在充放電過程，電池的兩端變化范圍非常小，如何檢測變化值，對于檢測環(huán)節(jié)要求精度非常高，同時電池在充放電過程中，端電壓和流過的電流的變化，會對用電設備產生影響，測量保護環(huán)節(jié)準確程度會受很大干擾，當前，對于電池電量的預測檢測技術有許多，但是由于電池內部的非線性以及不確定性，影響算法的實施，本設計的太陽能蓄電池檢測系統(tǒng)很好的解決了此問題。

2.系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)設計開發(fā)的太陽能智能蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)，是由蓄電池太陽能放電和智能監(jiān)測系統(tǒng)構成，如圖1所示。對于太陽能同時對儲能系統(tǒng)進行充電，當太陽能能量不足，由電路并聯(lián)的蓄電池系統(tǒng)解決此問題，同時檢測測量環(huán)節(jié)觀測蓄電池端電壓和流過電流的變化值。蓄電池放電環(huán)節(jié)由專用檢測放電系統(tǒng)構成，當電壓值達到給定截止電壓后，電池智能停電，實現(xiàn)智能系統(tǒng)控制要求。第二個系統(tǒng)由測量芯片DS2438構成，監(jiān)控電池的變化規(guī)律和指標，采用單片機芯片AT89S52，控制采集蓄電池的電壓和流過的電流值，傳輸到顯示芯片。本設計通過測試在外在因素變化時，仍然能夠對蓄電池的電壓維持穩(wěn)定，并且自動停電，同時對整個過程實現(xiàn)動態(tài)跟隨監(jiān)視，通過使用本系統(tǒng)設計能延長蓄電池的使用壽命。

圖1 充放電系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由電流傳感器、電壓傳感器、A/D轉換器等多種傳感器構成，同時監(jiān)測使用專用芯片DS2438與AT89S52單片機。根據設計要求的數值指標，要監(jiān)視太陽能和蓄電池系統(tǒng)實際電流的變化，同時也要檢測在充電和放電過程指標的動態(tài)變化，在檢測電流的同時也要使蓄電池兩端的電壓跟隨電流的動態(tài)變化規(guī)律，在電流電壓變化的同時要求調整和監(jiān)控、顯示數值，達到控制要求。本設計能在天氣光照不足的情況下，啟動蓄電池系統(tǒng)，進行穩(wěn)定放電，同時智能檢測控制電壓電流數值；使數值基本跟隨平穩(wěn)跟隨給定數值，變化范圍控制在10%范圍，智能斷電；而且在放電結束，對于蓄電池的剩余電壓值進行檢測，進行充電環(huán)節(jié)和顯示、保護回流。

3.系統(tǒng)組成

本設計采用恒流放電模塊，放電截止模塊，放電監(jiān)測模塊，太陽能模塊，安全保護模塊，顯示模塊，控制模塊組成。系統(tǒng)設計完整的系統(tǒng)框圖如圖2所示。通過光敏探頭監(jiān)測陽光的光照狀態(tài)，根據所述光照狀態(tài)及位置監(jiān)測設備啟動水平方位直流伺服電機連接的太陽能追蹤采集系統(tǒng)；將所述光信號及所述風信號轉變?yōu)殡娔埽粚⑺鍪Ｓ嗟碾娏客ㄟ^三端口雙向DC/DC變流器向儲能系統(tǒng)中充電；或通過三端口雙向DC/DC變流器從所述儲能系統(tǒng)提取電量，向負載進行發(fā)電。通過監(jiān)控器及管理器按照預設的優(yōu)化控制算法對太陽能追蹤采集系統(tǒng)、智能充電裝置、儲能系統(tǒng)進行控制，以便太陽能追蹤采集系統(tǒng)及風能系統(tǒng)將電能經過三端口雙向DC/DC變流器向負載發(fā)電，和/或將剩余電量通過三端口雙向DC/DC變流器存儲在儲能系統(tǒng)中，所述監(jiān)控器包括系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、充放電控制、參數設定、能量管理、聯(lián)網通信，所述管理器包括數據采集、并網協(xié)調。

圖2 系統(tǒng)組成

1、蓄電池組：可對蓄電池進行恒流放電。

2、恒流放電模塊：主要由全控電力MOSFET管和晶體管組成的運放構成，關鍵解決對蓄電池的穩(wěn)定放電問題。

3、放電截止模塊：主要由電力IGBT等器件構成，用比較放大器實現(xiàn)蓄電池端電壓如何跟隨給定指標的問題，當蓄電池兩端電壓值降落到給定的截止電壓值時候，此模塊去控制蓄電池放電停止。

4、放電監(jiān)測模塊：主要由52系列單片機及DS2348專用電池監(jiān)測芯片夠成，解決如何在動態(tài)過程中準確實時采集蓄電池兩端的電壓、流過電流的數值，同時通過顯示環(huán)節(jié)顯示電壓電流數值。

5、顯示模塊：由液晶顯示芯片構成，解決蓄電池充放電的動態(tài)工作過程的顯示，以及充放電過程中電流電壓的數值。

6、控制模塊：由控制電力電子器件構成，根據控制要求和指標、顯示數值，啟動此模塊。

7、太陽能模塊：由MPPT環(huán)節(jié)構成，使太陽能的采集能達到最大功率要求，通過DC/DC電路進行轉換。

8、安全保護模塊：對整個電路提供短路、過流過壓和電池反向保護。

本設計的恒流放電模塊電阻R放電方式決定，通過使用MOSFET場效應管和運放芯片、以及隔離保護電路構成，放電電路達到的程度要求很高，如果額定值0.5AH鎘鎳蓄電池，本設計能使其輸出電流恒定在80mA左右，如果額定值0.11AH鎘鎳蓄電池，本設計能使輸出電流恒定在33mA左右。系統(tǒng)采用電力電子器件的工作特性與運放的線性反饋特效穴，綜合作用來實現(xiàn)蓄電池的平穩(wěn)充放電過程。

4.結束語

本設計采用電阻的方式方法對太陽能蓄電池進行恒流充放電，同時針對使用整流濾波環(huán)節(jié)來解決放電過程中存在的不足問題，最終實現(xiàn)精準的蓄電池恒流放電，在系統(tǒng)中加入了智能截止電路，在蓄電池恒流放電到截止電壓時自動停止放電，防止蓄電池出現(xiàn)過放現(xiàn)象，損壞蓄電池，通過監(jiān)測模塊監(jiān)測動態(tài)監(jiān)視電壓電流的變化規(guī)律，實現(xiàn)最優(yōu)控制，達到了生活中對電能質量的要求，系統(tǒng)結構簡單，實現(xiàn)方便，具有非常大的實用價值，滿足人們生活生產需要。