基于UC3906與單片機結(jié)合的光伏發(fā)電小系統(tǒng)設(shè)計

楊艷玲，蘇 珊

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西柳州 545005；2.廣西科技大學(xué)電氣與信息學(xué)院，廣西柳州 545006）

0 引言

能源是經(jīng)濟、社會發(fā)展和改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，我國自九十年代以來,能源供應(yīng)和需求之間的矛盾日益增加，從確保長期能源供應(yīng),或從環(huán)保的角度出發(fā),發(fā)展無污染、取之不盡的新能源,已經(jīng)勢在必行。太陽能是資源豐富的可再生能源,具有獨特的優(yōu)勢和開發(fā)利用的巨大潛力。太陽能光伏發(fā)電因具有清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點,成為太陽能利用中的一個重要技術(shù)，并逐步顯示出其無比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。太陽能光伏發(fā)電已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究和工業(yè)界應(yīng)用的熱點[1]。小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村太陽能利用具有巨大的應(yīng)用背景，基于這個理念，本論文針對基于UC3906與單片機結(jié)合的光伏發(fā)電小系統(tǒng)進行設(shè)計，為太陽能發(fā)電的利用提供思路。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)整體方案

太陽能電池交流發(fā)電系統(tǒng)由單晶硅太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器和負載組成，太陽能電池通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)將光能量轉(zhuǎn)換成直流電能。在這個過程中直流電能在充放電控制器的控制下對蓄電池的進行充放電，充放電控制器中的單片機對電池電壓、輸出電流進行測量，送給液晶LCD1602顯示，并且控制著蓄電池的過放，過流保護以及過放、過流恢復(fù)。從蓄電池出來的直流電流通過逆變器和工頻變壓器得到220V±10V、50±5HZ的交流電，為負載供電[2]。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 主要模塊設(shè)計

2.1 充放電控制器

充放電控制器采用專用蓄電池充電控制芯片UC3906與單片機相結(jié)合，單片機選用STC12C5410，利用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對電池電壓和輸出電流進行監(jiān)測，當出現(xiàn)過放、過流現(xiàn)象時，STC12C5410AD控制輸出繼電器關(guān)閉，從而保護蓄電池，當電池電壓和輸出電流恢復(fù)正常時，才重新啟動輸出繼電器[3] [4]。完整的充放電控制器電路原理圖如圖2所示。電路圖中的D6可以防止太陽能電池板反接，D1是蓄電池電流反向流入UC3906充電電路，降低損耗。指示燈D17是蓄電池反接提示，保險絲F2作用于蓄電池短路保護。

電路的工作原理：剛開始充電時，電池電壓較低，太陽能電池板受足夠的光照時，輸入指示燈亮，開始以大電流maxI 充電，充電最大電流由充電電流采樣電阻46R 決定，隨著充電的進行，電池電壓慢慢上升，當電池電壓達到過充電電壓OCV 的95%時，充電電壓維持在過充電電壓，充電電流下降。當充電電流達到過充電終止電流OCI 時，電壓比較器lm393輸出低電平，充滿指示燈亮，蓄電池輸入浮充狀態(tài)[5]。

圖2 充放電控制器電路

2.2 蓄電池的參數(shù)計算

蓄電池采用12V/9AH的免維護鉛酸蓄電池，在軟件程序設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)是浮充電壓、過充電壓 VOC、過放電壓、充放電電流。常溫下 Vref為2.3V[6]，通常取浮充電壓 Vf=14.5V，過充電壓VOC=15V，因太陽能電池最大輸出電流為0.64A，設(shè)定最大充電電流 Imax為1 A左右，過放電壓為10.8V，過放恢復(fù)電壓為12V，過流電流為6A，。

參數(shù)計算：

經(jīng)計算后取 R51=20K，R56=20K，R54=384K，R46=0.22歐，RP2=100（K可調(diào)電阻），最大充電電流Imax=1.13 A，過充電終止電流 IOC=113mA。

2.3 逆變器

逆變器由集成正弦波脈寬調(diào)制波SPWM逆變芯片EG8010、IR2110驅(qū)動電路、全橋逆變電路、工頻變壓器構(gòu)成[7] [8]。

集成SPWM逆變芯片EG8010的外圍接口進行連接使用短路帽，設(shè)置各種參數(shù)，正弦波輸出頻率為50HZ，采用單極性調(diào)制方式，輸出的四路驅(qū)動信號中，SPWM芯片OUT3、OUT4作SPWM調(diào)制波輸出， OUT1、OUT2作基波輸出，死區(qū)時間為300ns，軟啟動響應(yīng)時間為3秒，輸出電壓反饋通過分壓電阻采樣輸出交流電壓，送給引腳13（Vfb）,與內(nèi)部的3V基準電壓對比，調(diào)節(jié)輸出交流電壓大小，過流保護則由采樣電阻R34控制EG8010輸出實現(xiàn)保護。全橋逆變電路中選用的開關(guān)管型號為IRF3205，內(nèi)阻僅為13毫歐，降低了開關(guān)管自身損耗，耐壓值為55V，電流達110A。工頻變壓器在電路中有兩個作用，一是升壓變壓器，二是輸出濾波電感L，并且輸出濾波電容C，構(gòu)成LC濾波電路[1]， L為1～4mH,C為2uF左右。完整的逆變器電路圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

利用STC12C5410內(nèi)置的兩路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別檢測蓄電池實時電壓和充放電控制器放電電流，一方面根據(jù)檢測結(jié)果實施各種保護、提示操作，另一方面實時顯示蓄電池實時電壓和放電電流。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

4 測量及結(jié)果分析

4.1 充放電控制器參數(shù)

對充放電控制器進行測量，在光照強度越強的情況下，太陽能電池輸出功率越高。系統(tǒng)的充電效率較高，達80%以上,見表1。各參數(shù)的誤差都很小，但最大充電電流的偏差很大，偏差來源主要來自采樣電阻的誤差，因為它是普通的碳膜電阻，誤差范圍大，阻值受溫度影響很大。不充放電狀態(tài)下，充放電控制器的靜態(tài)損耗主要來源于單片機上。

表1 充放電控制器的數(shù)據(jù)測量

表2 充放電控制器參數(shù)

4.2 檢測逆變器參數(shù)與功能

表3 不同負載條件下逆變器的各種參數(shù)

由表3中的數(shù)據(jù)可總結(jié)以下結(jié)果：（1）逆變器的輸出波形為純正弦波，不同負載下波形穩(wěn)定，沒有發(fā)生畸變，頻率穩(wěn)定度高，變化量為0.1HZ，高于50±5HZ，但電壓下降幅度偏大；（2）隨著負載量的加大，逆變轉(zhuǎn)換效率增高，頻率穩(wěn)定，波形畸變小，但是輸出電壓下降幅度過大。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)設(shè)計了系統(tǒng)設(shè)計太陽能光伏發(fā)電小型系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)具有過壓、過放、反接、短路等多種保護功能，并能實時顯示蓄電池的電壓、放電電流值，逆變輸出的正弦波交流電波形畸變小，電壓、頻率穩(wěn)定，逆變效率接近50%。充放電控制器具備對蓄電池的過充、過放保護及恢復(fù)功能，充放電各狀態(tài)對應(yīng)的指示功能或者報警提示，充放電控制器各種功能均正常。

[1] 楊金煥,于化叢,葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[2] 曾葉凡,劉志鋒,張愛平.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究和設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2008,30(4)：72-75

[3] 趙志強,穆桂霞,趙雙喜,張雄.新型太陽能逆變控制器研制[J].電力自動化設(shè)備,2006(8)：92-94

[4] Li Tianze;Lu Hengwei;Jiang Chuan;Hou Luan;Zhang Xia Application and design of solar photovoltaic system[J]; Journal of Physics： Conference Series;2011 , 276 (1)

[5] F. Steffens .Solar energy： battery energy storage control[J]Journal of Power Sources 1991, (.35)1：1-20

[6] 李兵.基于UC3906的免維護鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[7] Chihchiang Hua;Jongrong Lin.Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking [ J] .Industrial Electronics, IEEE Transactions on.1998, 45(1)： 99-107

[8] 張艷紅,張崇巍,呂紹勤,張興,林閩.新型太陽能控制器的研制[J].節(jié)能,2006(2)：30-32