一种新型太阳能控制器的介绍

徐贞华,曾丁初

(江西铜业集团公司德兴铜矿,江西德兴 334224)

一种新型太阳能控制器的介绍

徐贞华,曾丁初

(江西铜业集团公司德兴铜矿,江西德兴 334224)

本文介绍了一种使用P89LPC935单片微机控制的新型太阳能控制器。该系统能够实现最大功率点的跟踪控制,防止充电蓄电池的极性接反,以及太阳能剩余能量的处理方法。

太阳能;最大功率点跟踪;单片微机;控制器

1 引言

随着石油、煤碳、天然气等不可再生的能源的衰竭,太阳能、风能等可再生能源的利用受到了越来越广泛的关注。太阳能利用的重要设备就是太阳能控制器。我们介绍的这款太阳能控制器,是以单片微机为控制核心,采用一种新的控制策略,实现对太阳能系统的最大功率输出及负载功能进行控制。

2 最大功率点跟踪的控制原理

太阳能电池在输出功率的过程中,随着环境的改变(如:光照强度,环境温度,负载变化等)也将发生改变。如,当太阳能系统应用于不同的负载时,由于太阳能电池输出阻抗与负载阻抗不匹配,使得太阳能系统输出功率降低。解决这一问题的有效办法是在太阳能电池输出端与负载之间加入开关变换电路,使负载的等效阻抗跟随太阳能电池的输出阻抗,从而使太阳能电池输出功率最大,即可实现最大功率跟踪控制[1]。

目前常用的最大功率点跟踪方法有:a扰动观察法、b导纳微增法等。但这些方法都各有优缺点。如a是一个迭代过程,优点是简便可行;缺点是由于扰动的引入,系统的工作点无法稳定在最大功率点上。b优点是计算准确;缺点是较为复杂,成本较高。可否有一种计算相对准确又简便可行,成本低的方法?本系统采用一种新的跟踪方法—电压跟踪法。

图1 太阳能电池电压/电流曲线(A-V)和电压/功率曲线(P-V)

如图1所示。当太阳能电池输出电压较低时,输出电流变化很小。相当于恒流区,图中的a-b段。当电压超过一定的值继续上升时,电流急剧下降。相当于恒压区,图中b-c段。所以,太阳能电池的输出功率随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。

我们从图1分析发现:改变相同步长的工作电压对太阳能电池在恒流源区和恒压源区的影响是不一样的。在恒流源区内,输出电流对工作电压的改变敏感度很低,而在恒压源区对电流的影响却是非常明显。因此,本装置采用间歇扫描法和PWM (脉宽调制,下同)相结合的方法,我们称之为电压跟踪法,具体描述如下:太阳能电池的最大功率点的电压一般为其开路电压的(0.75～0.85)倍,所以在恒流源区与恒压源区电压范围的比例关系大概是4∶1,如果判断当前太阳能电池工作于恒压源区时,其工作电压肯定大于最大功率点电压,要朝着减少工作电压的方向变化,取其电压变化步长为△V,体现在PWM波上的占空比变化为△T;反之,如果判断当前太阳能电池工作于恒流源区时,其工作电压肯定小于最大功率点电压,要朝着增大工作电压的方向变化,为了提高跟踪速度,取其电压变化步长为4△V,体现在PWM波上的占空比变化为4△T。

因此,当控制器使蓄电池处于充电状态时,用分压法获取太阳能电池和蓄电池的端电压信号,检测充电电流,变换后产生正比于电流的电压信号,再经放大,送入单片微机p89lpc935的端口,单片微机间歇扫描,读取这些电压信号,作为判定太阳能电池工作区间的依据。进而为调整PWM波的占空比提供依据。这样,就将太阳能电池的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池的等效负载,也就是通过改变PWM波的占空比来控制充电电压,实现最大功率点的追踪。

3 硬件结构

太阳能控制器的结构框图如图2所示。由如下的几部分组成:带有MCS-51内核[2]的P89LPC935单片微机为核心的控制模块,蓄电池充电控制,负载控制,能耗控制,参数检测部分,电源,模式切换,状态显示等。P89lpc935主要端口配置如下:

图2 硬件结构框图

3.1 太阳能电池的能耗及负载控制

太阳能电池的能耗是在蓄电池已充满,负载又不运行的情况下。此时,太阳能电池因光照而存积过量的能量,有些类型的太阳能控制器往往采取直接释放多余能量,易对太阳能电池板造成损伤,本控制器通过微单片机控制的MOSFET管自动接通能耗电路而消耗多余的能量,。负载控制设二级保护:一级是过流熔断器;二级是因蓄电池开路而过压,则切断负载。从而保护了负载设备。能耗控制部分只设电压检测,不设电流检测。负载设电流检测,实现过电流保护。单片微机根据需要控制各自的电路通断。如图3。

图3 能耗控制原理图

3.2 极性反接保护

系统工作电源取自于系统本身的蓄电池。由于特殊的电路设计,当蓄电池极性接反,或太阳能极板接反时,对系统没有任何影响,避免了采用熔断器熔断带来对蓄电池等设备的冲击。如图4。

图4 极性反接保护原理图

4 软件设计

本系统的软件采用keil c51编译器在windows集成开发环境[3]下开发。整个软件采用模块化程序结构与本系统硬件电路相对应,软件中包含了如下几个程序:主程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序,外部中断子程序,定时器中断子程序、充电管理子程序。负载管理及能耗子程序。

具体程序框图,如图5所示。

单片微机P89LPC955根据太阳能电池端电压的取样数据以及感光管的开关信号,确定白天和晚上。软件按设定的值确定控制器的工作状态。由于是双重信号再加上软件一定的延时,使控制器不会误判。从而保证工作模式的可靠。

图5 系统程序框图

5 结语

本系统已用于太阳能路灯的实际应用中,效果较好。由于采用了独特的最大功率跟踪控制和功能强大的计算机系统,与逆变器结合,可以用于更为复杂的太阳能发电系统中。

REFERENCES

[1] 崔容强赵春江吴达.并网型太阳能发电系统[M].化学工业出版社.2007.

[2] 陈粤初等.单片机应用系统设计与实践[M].北京航空航天大学出版社.1992.

[3] 徐爱钧彭秀华.C51 windows环境编程与应用[M].北京电子工业出版社,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

徐贞华(1963-),男,江西广丰人,高级工程师,主要从事电力自动化与控制系统工作,E-mail:xzhua403@sina.com