基于STM32 小功率光伏控制器的分析

馬華玲

（武昌工學院 信息工程學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

國內外目前對集中式光伏發電系統、風能發電系統等的研究成為研究熱點，在發電系統中的并、離網逆變器、功率最大點跟蹤MPPT 控制方法以及防孤島效應方面，都有成熟的研究成果，在此基礎上的一些大型的風電、光伏電站也隨之建立，而光伏逆變器與自用電設備、儲電設備、市電電網之間的智能控制器還有研究空間。本文基于STM32 設計該控制器并實現相應功能。

1 光伏控制器總體介紹

該控制器由選網控制系統采集逆變器輸出監控、自用電監控、電網監控、余電入網、防孤島效應的子系統的運行情況，在符合發布的分布式能源并網及孤島效應的檢測的相關標準下，做出選網控制，將監控的信息存儲以及傳送到遠程監控界面顯示并具有遠程控制功能[1-2]。該控制器的研究框圖如圖1 所示。

2 STM32 控制流程介紹

高性能嵌入式系統應用芯片對逆變器、用電設備、儲電設備、公共電網的信息采集、控制、顯示以及存儲，該控制器主要實現如下目的。

（1）逆變器的輸出最大功率點追蹤問題上采用MPPT技術，通過控制Boost逆變電路來實現MPPT控制，通過改進型MPPT 算法能快速有效的跟蹤最大功率點，其效率已達到99.9%。由STM32處理器進行算法的控制。

圖1 光伏控制器總框圖

（2）并網控制，在自用電有余的情況下，將余電自動并入電網。利用STM32 處理器通過PWM 技術控制IGBT 來決定并網運行，或離網情況下運行，當有余電時，逆變器通過提前跟蹤電網的運行電壓的幅值、相位、頻率等參數，逐漸保持一致，并將一致信號傳遞到STM32，通過處理器的判斷，輸出PWM 控制信號控制并網的開關IGBT 在過零點并網。

（3）在“孤島效應”下，自動切斷并網通路，有余電則儲存在儲電設備里，其有效反應時間符合相關標準發布的分布式能源并網及孤島效應的檢測的相關標準。當逆變器并網后，STM32 時時跟蹤采集電網的電壓，當出現異常時通過STM32 輸出的PWM 信號控制IGBT 關斷，防止電網沒電時光伏系統繼續輸電造成的各種用電事故。

（4）對儲電設備的判斷，當白天太陽光照較強時，則將多余的電量儲存起來用于無光時的使用，有3 個過程，包括快速充電狀態、均充狀態以及浮充狀態。當充電電壓超過儲電設備電壓時進入均充狀態，當充電電流下降到足夠小的時候，說明儲電已滿，進入補充儲電損耗的浮充狀態，當儲電低于浮充的設定臨界電流值時進入快充狀態，三種狀態循環進行，STM32處理器將設定三種狀態臨界值并與采集值進行比對，利用PWM 脈寬調制技術進行有效控制[3-5]。

（5）自用電不足時，電網用電自動接入。當STM32 監測到用電設備電量不足時，關斷逆變器接通市電電網。在電網無電供應，且自用電不足時，自動啟用儲電設備供電。

（6）由高性能控制芯片分析各個端子的信息并做出相應的自動控制，存儲控制系統的運行狀態，并通過通信方式傳輸到控制室，在液晶顯示屏顯示整個系統的實時工作狀態。

（7）離網運行的控制，利用STM32 高速處理器輸出PWM 信號，對IGBT 功率開關管進行控制，當監控的電路如過壓、過流、短路、溫控等電路發生故障時則通過STM32 關斷逆變器的工作。發出報警信號，并通過電路做出相應的應對處理[6]。

（8）實現遠程監控：將系統監控的數據傳到服務器上，通過手機、平板電腦等移動設備的APP 訪問服務器而實現遠程監控。

控制核心芯片為STM32F103 芯片，具有ARM32位的Cortex-M3 CPU，最高晶振72 MHz 工作頻率，滿足高速定時監測和高速處理相應指令的要求。具有32K 字節的閃存程序存儲器，多達80 個快速I/O 端口，2 個12 位的模數轉換器，其增強型還包括4 個16 位的定時器和2 個基本定時器，完全滿足多部位定時器定時監控的要求。圖2 介紹了主要四部分的監控流程，包括電網監控、最大功率點跟蹤、儲電設備以及保護電路是否異常的程序流程，每個監控都要求返回數據到芯片，芯片將采集到數據并定時向上位機發送。

3 結論

本文從光伏逆變器與自用電設備、儲電設備、市電電網之間的智能控制進行分析，用STM32 作為核心控制芯片，設計并解決各個設備之間的控制問題。該控制器的設計具有可移植性，能用到不同的光伏發電系統中。

圖2 STM32 程序控制流程圖