基于UC3906与单片机结合的光伏发电小系统设计

杨艳玲，苏 珊

（1.柳州职业技术学院,广西柳州 545005；2.广西科技大学电气与信息学院，广西柳州 545006）

0 引言

能源是经济、社会发展和改善人民生活的重要物质基础，我国自九十年代以来,能源供应和需求之间的矛盾日益增加，从确保长期能源供应,或从环保的角度出发,发展无污染、取之不尽的新能源,已经势在必行。太阳能是资源丰富的可再生能源,具有独特的优势和开发利用的巨大潜力。太阳能光伏发电因具有清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点,成为太阳能利用中的一个重要技术，并逐步显示出其无比广阔的发展空间和应用前景。太阳能光伏发电已成为国内外学术界研究和工业界应用的热点[1]。小型的太阳能光伏发电系统在农村太阳能利用具有巨大的应用背景，基于这个理念，本论文针对基于UC3906与单片机结合的光伏发电小系统进行设计，为太阳能发电的利用提供思路。

1 太阳能光伏发电系统整体方案

太阳能电池交流发电系统由单晶硅太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、逆变器和负载组成，太阳能电池通过光电效应或者光化学效应将光能量转换成直流电能。在这个过程中直流电能在充放电控制器的控制下对蓄电池的进行充放电，充放电控制器中的单片机对电池电压、输出电流进行测量，送给液晶LCD1602显示，并且控制着蓄电池的过放，过流保护以及过放、过流恢复。从蓄电池出来的直流电流通过逆变器和工频变压器得到220V±10V、50±5HZ的交流电，为负载供电[2]。太阳能光伏发电系统总体框图如图1所示。

2 主要模块设计

2.1 充放电控制器

充放电控制器采用专用蓄电池充电控制芯片UC3906与单片机相结合，单片机选用STC12C5410，利用内置的模数转换器对电池电压和输出电流进行监测，当出现过放、过流现象时，STC12C5410AD控制输出继电器关闭，从而保护蓄电池，当电池电压和输出电流恢复正常时，才重新启动输出继电器[3] [4]。完整的充放电控制器电路原理图如图2所示。电路图中的D6可以防止太阳能电池板反接，D1是蓄电池电流反向流入UC3906充电电路，降低损耗。指示灯D17是蓄电池反接提示，保险丝F2作用于蓄电池短路保护。

电路的工作原理：刚开始充电时，电池电压较低，太阳能电池板受足够的光照时，输入指示灯亮，开始以大电流maxI 充电，充电最大电流由充电电流采样电阻46R 决定，随着充电的进行，电池电压慢慢上升，当电池电压达到过充电电压OCV 的95%时，充电电压维持在过充电电压，充电电流下降。当充电电流达到过充电终止电流OCI 时，电压比较器lm393输出低电平，充满指示灯亮，蓄电池输入浮充状态[5]。

图2 充放电控制器电路

2.2 蓄电池的参数计算

蓄电池采用12V/9AH的免维护铅酸蓄电池，在软件程序设计中关键参数是浮充电压、过充电压 VOC、过放电压、充放电电流。常温下 Vref为2.3V[6]，通常取浮充电压 Vf=14.5V，过充电压VOC=15V，因太阳能电池最大输出电流为0.64A，设定最大充电电流 Imax为1 A左右，过放电压为10.8V，过放恢复电压为12V，过流电流为6A，。

参数计算：

经计算后取 R51=20K，R56=20K，R54=384K，R46=0.22欧，RP2=100（K可调电阻），最大充电电流Imax=1.13 A，过充电终止电流 IOC=113mA。

2.3 逆变器

逆变器由集成正弦波脉宽调制波SPWM逆变芯片EG8010、IR2110驱动电路、全桥逆变电路、工频变压器构成[7] [8]。

集成SPWM逆变芯片EG8010的外围接口进行连接使用短路帽，设置各种参数，正弦波输出频率为50HZ，采用单极性调制方式，输出的四路驱动信号中，SPWM芯片OUT3、OUT4作SPWM调制波输出， OUT1、OUT2作基波输出，死区时间为300ns，软启动响应时间为3秒，输出电压反馈通过分压电阻采样输出交流电压，送给引脚13（Vfb）,与内部的3V基准电压对比，调节输出交流电压大小，过流保护则由采样电阻R34控制EG8010输出实现保护。全桥逆变电路中选用的开关管型号为IRF3205，内阻仅为13毫欧，降低了开关管自身损耗，耐压值为55V，电流达110A。工频变压器在电路中有两个作用，一是升压变压器，二是输出滤波电感L，并且输出滤波电容C，构成LC滤波电路[1]， L为1～4mH,C为2uF左右。完整的逆变器电路图如图3所示。

3 软件设计

利用STC12C5410内置的两路10位模数转换器分别检测蓄电池实时电压和充放电控制器放电电流，一方面根据检测结果实施各种保护、提示操作，另一方面实时显示蓄电池实时电压和放电电流。系统程序框图如图4所示。

4 测量及结果分析

4.1 充放电控制器参数

对充放电控制器进行测量，在光照强度越强的情况下，太阳能电池输出功率越高。系统的充电效率较高，达80%以上,见表1。各参数的误差都很小，但最大充电电流的偏差很大，偏差来源主要来自采样电阻的误差，因为它是普通的碳膜电阻，误差范围大，阻值受温度影响很大。不充放电状态下，充放电控制器的静态损耗主要来源于单片机上。

表1 充放电控制器的数据测量

表2 充放电控制器参数

4.2 检测逆变器参数与功能

表3 不同负载条件下逆变器的各种参数

由表3中的数据可总结以下结果：（1）逆变器的输出波形为纯正弦波，不同负载下波形稳定，没有发生畸变，频率稳定度高，变化量为0.1HZ，高于50±5HZ，但电压下降幅度偏大；（2）随着负载量的加大，逆变转换效率增高，频率稳定，波形畸变小，但是输出电压下降幅度过大。

5 结论

本文系统设计了系统设计太阳能光伏发电小型系统。经测试表明，该系统具有过压、过放、反接、短路等多种保护功能，并能实时显示蓄电池的电压、放电电流值，逆变输出的正弦波交流电波形畸变小，电压、频率稳定，逆变效率接近50%。充放电控制器具备对蓄电池的过充、过放保护及恢复功能，充放电各状态对应的指示功能或者报警提示，充放电控制器各种功能均正常。

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