基于ATmega88的光伏发电控制与计量

李双双，曾　野，陆　寅

(安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥　230601)

1　系统结构介绍

系统主要由太阳能发电系统和负载组成[1]。其中太阳发电系统包括太阳能电池，控制电路和蓄电池。整个系统结构图如图1所示。

图1　系统结构图

系统采用的多晶硅电池板额定功率为100 W，蓄电池为6节串联铅酸蓄电池，其电压范围为10．8～13．8 V．

2　光伏发电系统

2．1太阳能电池的输出特性

多晶硅太阳能电池的转换效率低于单晶硅太阳能电池，约为12%，且受温度影响较大，呈负温度特性。其基本参数包括开路电压、短路电流、工作电压等[2]。当太阳能电池工作时，在光照一定的条件下，接入的负载变化时，太阳能输出的功率是变化的。因此在太阳能发电系统中，控制器基本都具有最大功率点跟踪功能，以提高太阳能的利用率。在系统中加入最大功率点跟踪环节。只要光照达到一定程度时，太阳能电池的电压高于蓄电池的电压，太阳能电池便可对蓄电池充电。

2．2铅酸蓄电池特点

铅酸蓄电池单体的标称电压为2 V，电压范围为1．8～2．3 V，理想工作温度为25 ℃，每变化1 ℃每个单体增减0．005 V．当单节蓄电池电压低于1．8 V时，称为过放电。此时应及时充电，否则会导致电池极板硫化，电池容量减小，甚至电池失效，且此过程是不可逆的[3]。当单节蓄电池电压高于2．3 V时，称为过充电。这时如果再对其充电，则其内部的水被电解，也会导致其容量减小。长时间的过充电会导致蓄电池中的电解液干涸而使蓄电池失效。铅酸蓄电池没有记忆效应，因此很适合用于输出功率不稳定的太阳能发电系统。

2．3控制模块

控制电路部分为2个部分，充放电控制模块和发电量计量模块。该控制电路主要有以下功能：

(1)完成太阳能电池对铅酸蓄电池的充电；

(2)对于蓄电池有过放、过充电保护功能；

(3)对发电量计量并显示。

控制电路框图如图2所示。

图2　控制电路框图

2．3．1太阳能充电主控电路

根据铅酸蓄电池的充放电特点及为了保证系统的可靠性。系统对铅酸蓄电池的充放电过程进行了严密的设计。蓄电池充电控制主电路如图3所示。

图3　蓄电池充电控制主电路

太阳能电池通过二极管MBR20100和MOSFET IRF4905对蓄电池供电，二极管的单向导电性可以保证太阳能电池的电压低于蓄电池电压时蓄电池不会对太阳能电池反向充电[4]。在有光照且蓄电池没有充满的情况下，采用最大功率控制环节对蓄电池充电。电池充满电后，利用ATmega88产生的PWM波控制Q1的开通关断，以防止蓄电池过充。IRF4905的Vds最大55 V，漏极电流最大-74 A，MBR20100额定电流为20 A，反向耐压高达100 V完全满足系统要求。由于通过电流较大，二极管一侧要加散热器。蓄电池充放电流程图如图4所示。

图4　蓄电池充放电流程图

当系统转入低功耗模式时采用掉电模式，看门狗电路每2 s进行1次唤醒，保证系统的连续运行。

2．3．2光伏发电计量模块

传统的光伏发电量计算公式为：发电量=倾斜面接受的太阳能辐射量(kWh/ m2/day)×有效面积(m2)×组件转换率×系统效率×时间。其中，系统效率要考虑：温度系数、线路损失、灰尘因子等。因此，采用传统公式计算既不可靠又要附加太阳辐射量的计算，可实施性较差。

系统采用ATmega88单片机作为控制电路的MCU，该单片机内部资源丰富，有ADC、PWM等模块[5]，因此无需外部扩展即可实现相对复杂的电路控制。MCU输出的同步采样信号直接送至电量计算模块，启动电量计量模块的控制状态机输出控制信号对系统电压和电流信号的采样，并加以计算发电量。数码管用来显示当前太阳能电池发出的功率，及显示时间内发出并存于蓄电池中的电能。

在太阳能电池对蓄电池的充电控制电路(图3)中，PV+=PVI+，I=(PVI+-PVI-)/R1，当前功率P=PV×I．采用单片机定时器2每10 ms产生1次中断，采集PVI+和PVI-，即可计算当前功率P．与间隔时间相乘然后进行叠加即可得出发电量。中断流程图如图5所示。

图5　中断流程图

对发电量进行叠加之后，送人EEPROM。由单片机进行单位转换，再送入数码管进行显示。

2．4单片机供电电源

由于该系统采用6节蓄电池，总电压最高可达到13．8 V．Atmega88的供电电压为5 V，所以需要电压转换电路。该系统采用LM2576-5为Atmega88供电。供电电路图如图6所示。

图6　Atmega88供电电路图

3　结束语

经过一段时间的测试，系统运行稳定，各项指标正常。测试时期处于秋季，平均光照时间为4．3 h，平均日发电量为305 Wh．由于器件限制，系统功率不能达到较大的范围，若将功率转换器件的容量增大，适当修改软件中的参数就可实现大功率太阳能发电的电能计量与控制，可以应用于光伏电站。参考文献：

[1]卢琳，殳国华，张仕文．基于MPPT的智能太阳能充电系统研究．电力电子技术，2007，41(2)：96-98．

[2]赵争鸣．太阳能光伏发电及其应用．北京：科学出版社，2005．

[3]金晓东．阀控式铅酸蓄电池在分布式发电中的应用：[学位论文]．合肥：合肥工业大学，2008．

[4]王兆安，黄俊，电力电子技术．北京：机械工业出版社.第4版.2007：100-108，150-169．

[5]马潮，詹卫前，耿德根．ATmega8原理及应用手册．北京：清华大学出版社，2003．

[6]赵庚申，王庆章，郭天勇，等．基于FPGA的光伏并网发电系统潮流分析及电量双向计量的研究．南开大学学报，2009，42(3)：22-28．