基于AVR單片機的風能太陽能控制器設計

李紹武

(湖北民族學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

隨著能源危機的加重和人們對環(huán)境污染的重視，太陽能和風能作為理想的可再生清潔能源的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)出來.風能和太陽能在時間和地域上具有良好的互補性，這一優(yōu)點引起了人們對風光互補發(fā)電研究和應用的廣泛重視.文獻[1]和文獻[2]中建立了風光互補發(fā)電控制電路的模型，文獻[3]中對風光互補電路的能量分配進行了研究，本文在上述研究的基礎之上，主要對風光互補模塊和輸出逆變模塊的控制電路進行了研究，設計了基于AVR單片機的風能太陽能控制器，實現(xiàn)了太陽能發(fā)電和風能發(fā)電控制的智能“二合一”.

圖1 風能太陽能控制器原理結構圖

1 硬件電路的設計

風能太陽能控制器的結構如圖1所示.該控制器由單片機控制電路和外圍主電路組成，外圍主電路主要包括風能太陽能互補控制電路、斬波電路、整流電路、逆變電路、驅動電路和檢測電路等.

1.1 控制電路

系統(tǒng)控制電路以ATmega128單片機[4]為核心.采用該芯片4路可編程PWM資源實現(xiàn)輸入斬波控制和輸出逆變控制；通用I/O接口實現(xiàn)蓄電池的充放電控制及鍵盤、顯示、報警等功能；內部集成的A/D轉換器完成過程電壓、電流和輸出電壓的采樣.

圖2 風能太陽能互補控制電路圖

圖3 主程序流程圖

表1輸出能量管理表

Tab.1 Manage table of output energy

工作模式太陽能電池組電壓VS風能發(fā)電機電壓VW輸出電源供電來源模式0VS

1.2 斬波、整流電路

風能發(fā)電機輸出的三相交流電壓經三相橋式整流為單相脈動直流電壓，濾波后穩(wěn)定的輸出電壓作為斬波器輸出的基準電壓.斬波電路1采用簡單的Boost電路[5]，控制IGBT柵極的PWM信號占空比可以很容易地控制輸出電壓值，使其始終等于基準電壓.斬波電路2采用Cuk電路[5]，同理，控制IGBT柵極的PWM信號占空比可以很容易地控制輸出電壓值，使其始終等于輸出直流電壓設定值.如果沒有對輸出電壓值進行設定，該電路將完成最大輸出功能跟蹤(MPPT)功能[6].

1.3 風能太陽能互補控制電路

為了實現(xiàn)太陽能發(fā)電和風能發(fā)電的智能“二和一”，采用兩個固態(tài)繼電器完成風光互補電路的控制，如圖2所示.常開觸點KS1和KS2分別控制斬波器輸出電路和整流器輸出電路的通斷.

對于常開觸點KS2，只有當風能發(fā)電機輸出電壓大于等于閾值電壓并且小于等于上限電壓時閉合.互補輸出的能量管理如表1所示，其中閾值電壓和均可由單片機鍵盤設定.風能發(fā)電機輸出上限電壓主要是針對暴風等特殊情況下對主電路和控制電路的保護.

風能太陽能互補電路中，當工作于模式3時，斬波器和整流器輸出的直流電壓大小必須相等.即在同時閉合常開觸點KS1和KS2前，需檢測圖1中c、d兩路輸出電壓的大小.同時，為防止電壓大小短暫的差異損壞電路，設置兩個電力二極管(VD1和VD2)實現(xiàn)主電路的保護.工作模式的選擇可通過單片機鍵盤輸入設定，缺省情況下，單片機根據(jù)c、d兩路電壓采樣結果自行判定.

1.4 輸出逆變電路

輸出逆變電路采用單相橋式逆變電路[5]，實現(xiàn)從直流電到頻率和幅值可調的交流電的逆變.頻率和幅值可以通過鍵盤設定，缺省值對應為50赫茲220伏交流電輸出.逆變器中的4個IGBT由AVR單片機生成的兩路SPWM信號經過驅動電路2后進行驅動.通過對SPWM信號頻率、相位和占空比的控制可以很方便的實現(xiàn)對輸出交流電頻率和幅值的控制.對輸出電壓的采樣可以實現(xiàn)對交流輸出電壓頻率和幅值的實時監(jiān)控.

1.5 驅動電路

驅動電路的質量決定對IGBT驅動的可靠性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用集成驅動芯片IR2110來完成驅動電路的設計.由IR2110芯片搭建的驅動電路1和驅動電路2分別實現(xiàn)對兩路PWM信號和兩路SPWM信號的驅動.

1.6 鍵盤、顯示及保護電路

鍵盤采用矩陣方式設計，采用中斷方式進行編程.鍵盤和顯示電路主要完成控制器工作模式、輸出交直流電壓大小、蓄電池充放電情況以及太陽能供電閾值電壓VSth和風能供電閾值電壓VWth的設置和顯示.保護電路采用光電隔離技術實現(xiàn)控制電路和主電路的隔離，包括單片機與驅動電路、蓄電池電路以及互補電路的隔離.蓄電池通過單片機的I/O端口和電壓監(jiān)控實現(xiàn)智能三階段充放電控制[7].

2 軟件設計

2.1 主程序

主程序主要實現(xiàn)對I/O接口、定時器、A/D轉換器的初始化，并完成模式0到模式3的切換和控制.圖3為整個控制器的主程序流程圖，其中電壓采樣部分完成太陽能電池組電壓采集和風能發(fā)電機端電壓采集.參數(shù)flag1和flag2分別表示太陽能電池組輸出電壓和風能發(fā)電機輸出電壓是否大于閾值電壓的標志位，等于1表示輸出電壓大于閾值電壓，等于0表示輸出電壓小于閾值電壓.

圖4 工作模式3子程序流程圖

2.2 模式3子程序

PWM子程序1主要完成斬波電路1輸出電壓的控制.PWM子程序2主要完成斬波電路2輸出電壓的控制.SPWM子程序主要完成逆變電路輸出電壓幅值和頻率的控制.

3 仿真

本系統(tǒng)采用PROTEUS軟件進行仿真，仿真主電路如圖5所示.其中，PWM1和PWM2信號分別由AVR單片機的OC3A和OC3B端口產生，分別用于控制IGBT1和IGBT2的通斷以完成對斬波電路1和斬波電路2輸出電壓的控制.SPWM1和SPWM2信號分別由AVR單片機的OC1B和OC1C端口產生，用于對逆變器輸出電壓幅值和頻率的控制.單片機的I/O信號經過光電隔離后作為控制信號1和控制信號2，分別用于控制繼電器1和繼電器2的通斷，以模擬互補控制電路的工作情況.

仿真時，采用直流電源模擬太陽能電池的輸出，且通過間歇改變直流電壓大小模擬太陽能電池的輸出特性；同時，采用三個頻率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流電源模擬三相風能發(fā)電機的輸出特性.仿真過程顯示，整個系統(tǒng)控制簡單、工作穩(wěn)定、輸出波形失真度小.

圖5 主電路仿真圖

4 結語

本設計采用AVR單片機較好的解決了風能太陽能互補發(fā)電中的控制問題，實現(xiàn)了風能發(fā)電和太陽能發(fā)電在能源上的互補，在控制上的“二合一”，在充分利用不同地域的風能和太陽能資源方面，具有較高的實用價值和推廣價值.

[1]陸虎瑜，馬勝紅.光伏·風力及互補發(fā)電村落系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2005：3-7.

[2]楊鵬，史旺旺.基于單片機的船用風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制器的設計[J].工業(yè)控制計算機，2009，22(5)：63-64.

[3]揭婷，段善旭，劉邦銀，等.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的能量管理研究[J].變頻器世界，2008(9)：45-48.

[4]全鐘夫，杜剛.ATmega128單片機C程序設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5]王兆安、黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：103-107.

[6]王群京，王濤，李國麗.小型風光互補MPPT控制的研究[J].電氣傳動，2009，39(5)：40-42.

[7]閉金杰，羅曉曙，楊日星，等.基于AVR的太陽能控制器設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009(10)：167-169.