光伏發電系統控制器的設計與實現

段宇凡 李少飛 楊昌登 蓋新鵬 閆星源 張航 李松 任守華

摘? 要：針對自制的小型光伏發電系統設計了一款控制電路，系統包括電壓檢測、功率檢測、、遠程遙控、通信模塊等部分，配合太陽能電池板和蓄電池可以實現在100W功率范圍內的不間斷供電，并帶有低電壓報警等功能。設計的光伏發電控制系統適合于無人值守環境下的小功率負載設備交、直流供電。

關鍵詞：光伏發電;控制器;設計

中圖分類號：TM615? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0036-02

Abstract： A control circuit is designed for the self-made small photovoltaic power generation system， which includes voltage detection， power detection， remote control， communication module and so on. with solar panels and batteries， it can achieve uninterrupted power supply in the power range of 100W， and has the function of low voltage alarm. The designed photovoltaic power generation control system is suitable for AC and DC power supply of low power load equipment in unattended environment.

Keywords： photovoltaic power generation; controller; design

前言

我國的太陽能光伏發電的技術和材料研發雖然起步稍晚卻后來居上，到目前為止太陽能光伏發電就在航天、軍工和民用領域得到了廣泛應用。在經過多年的努力，光伏發電有了相當的水平基礎。目前光伏發電控制器的設計和實現方面已有多種類型產品在流通，包括了各種功率范圍、使用環境的不同產品，此類產品多數用于有人值守環境下，如發現問題多采用人工干預的方式加以解決。在農業生產環境中，由于物聯網技術的不斷拓展，催生了對無人值守電源的大量需求，以往多采用蓄電池或簡單的光伏發電系統進行供電，使用過程中經常出現斷電、損壞等現象，針對農業物聯網的特點和應用范圍，研究并設計了一套光伏發電系統控制器，該控制器經過實測可以滿足目前農業物聯網對供電的需求。

1 系統整體設計

光伏發電系統功能結構如圖1所示。主要由光伏板、云臺、充電控制器、蓄電池、電源轉換模塊、電源輸出組塊、電壓監測與顯示模塊、主控制器、鍵盤、振動傳感器、通信模塊和報警輸出模塊等部件構成。

光伏發電系統主控制器采用STC12C516AD單片機，此型號單片機具有三組常用I/O接口，其中P1口為AD功能輸入，采用該型號單片機可以優化設計。表1所示為引腳名稱及功能分配。

2 PCB設計

控制器主電路板規格為150mm*80mm，采用雙層布線工藝設計制造，控制板采用12V直流供電，板上安裝有12V轉5V的DC-DC電源為主控制芯片供電。PCB布線后板圖如圖2所示，從PCB文件生成的3D仿真圖如圖3所示。

3 系統功能介紹

在本設計中使用了單片機和編制專用軟件，實現了對太陽能板的智能控制，通過充電電壓和電流的檢測，實現了對過充、過放、電子短路、過載等故障現象的保護，采用的防反接保護措施防止使用過程中不會對負載造成損壞，蓄電池進行充電采取串聯式PWM充電主電路，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%-6%，增加了用電時間，同時具有高精度溫度補償，并能在寒冷、高溫、潮濕環境運行，較為適合農業生產環境，為物聯網的發展提供基礎性支持。

系統設計中使用了數字LED顯示裝置，通過遙控器可完成所有設置和輸出控制，防止誤操作和非工作性使用，增強了系統的安全性和保密性。系統中可以選擇安裝GPRS通信模塊，能夠實現對太陽能供電控制器的遠程遙控，并配合上位機軟件進行集群控制。設計的太陽能控制板實物如圖4所示。

4 結束語

綜合以上實驗過程以及數據發現，設計的光伏發電控制系統可以實現對系統的全面監控，滿足設計需求，通過組網可達到集群控制的目的，有利于解決目前邊遠地區和無人值守地區的小功率供電問題，本研究對于解決光伏發電監控系統的設計具有一定的參考價值。

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