單片機控制光伏發(fā)電配蓄電池最大功率輸出的模擬仿真

林聰聰，韋文生，汪金國，徐 嘯，陳文萍，吳 林，李求泉，葉乾云

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

單片機控制光伏發(fā)電配蓄電池最大功率輸出的模擬仿真

林聰聰，韋文生?，汪金國，徐 嘯，陳文萍，吳 林，李求泉，葉乾云

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

設(shè)計了一種基于AT89C51單片機的光伏電池最大功率輸出與蓄電池充放電集成控制的電路，采用基于電壓擾動法的最大功率點跟蹤策略編程運行，從而建立了一個完整的管理系統(tǒng)．模擬仿真結(jié)果顯示，引入最大功率點跟蹤后，光伏電池的最大輸出功率得到提升．該系統(tǒng)可作為虛擬仿真實驗案例，也能開發(fā)成小型的離網(wǎng)供電方案．

單片機；光伏電池；蓄電池；最大功率輸出；充放電控制；模擬

當(dāng)今時代，傳統(tǒng)化石能源為社會帶來經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，也越來越嚴(yán)重地污染人類的生存環(huán)境，越來越多的國家開始關(guān)注新能源的利用．太陽能已經(jīng)成為具有廣闊潛力的新能源，而光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的一種重要方式．光伏發(fā)電的波動性、間歇性要求發(fā)電系統(tǒng)配合儲能裝置實現(xiàn)能量供需穩(wěn)定．獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般以蓄電池為儲能裝置，而充放電不合理將嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池．因此，研究一種有效的充放電控制策略，是降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)運行可靠性的重要途徑．針對以上情況，本文設(shè)計仿真了一個結(jié)構(gòu)簡單、太陽能利用率高、充放電抗干擾能力強的光伏發(fā)電演示系統(tǒng)．

由于光伏電池受到光強、溫度、太陽光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓、電流不穩(wěn)定．可以采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）策略，保證光伏電池始終輸出最大功率．實現(xiàn)該策略的方法有恒定電壓跟蹤法[1]、導(dǎo)納增量法[2]、擾動觀察法[3]、模糊控制法[4-6]等，不同的方法有各自的優(yōu)缺點．在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，常通過DC/DC變換電路（包括BUCK降壓電路、BOOST升壓電路）給蓄電池充放電，并經(jīng)過穩(wěn)壓后給負(fù)載供電．一般地，MPPT及蓄電池充放電管理是通過單片機實現(xiàn)的．本文提出的系統(tǒng)，一方面，在單片機中利用電壓擾動法進行脈寬調(diào)制（PWM）實現(xiàn)光伏發(fā)電MPPT，提高太陽能利用效率．另一方面，在蓄電池充放電管理電路中利用單片機控制雙MOS管開關(guān)，避免蓄電池過沖與過放，從而提高蓄電池的使用效率并延長其使用壽命．我們優(yōu)化設(shè)計了光伏發(fā)電配蓄電池給 LED供電照明系統(tǒng)，通過光伏電池輸出電流及蓄電池兩端電壓的測量電路給單片機 AT89C51提供信號，采用電壓擾動法編程執(zhí)行MPPT控制，仿真實現(xiàn)了LED綠色照明．該系統(tǒng)可作為虛擬仿真實驗案例，也能開發(fā)成小型的離網(wǎng)供電方案．

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖 1所示，系統(tǒng)主要分六部分：光伏電池板、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、電壓及電流測量電路、MPPT控制電路、沖放電管理電路和穩(wěn)壓電源電路．其中光伏電池板由兩塊15 W/17 V串聯(lián)而成，鉛酸蓄電池的容量為12 V/7 AH．

圖1 系統(tǒng)框圖

光伏電池可視為直流電源，當(dāng)電源與外界負(fù)載相連，根據(jù)負(fù)載功率計算公式可知，當(dāng)負(fù)載的阻值與電源內(nèi)阻相等時，達到最大功率．本方案通過最大功率點跟蹤算法編程，并由單片機執(zhí)行控制，在電壓擾動過程中去調(diào)整負(fù)載阻值的變化，實現(xiàn)最大功率跟蹤．如圖2所示，MPPT控制器通過電壓、電流測量電路不斷的檢測光伏電池輸出的電流和蓄電池兩端的電壓，計算電池板的輸出功率，并根據(jù)最大功率點跟蹤策略，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號驅(qū)動BUCK電路，給蓄電池實時提供最大功率的電能，再通過雙MOS管對蓄電池進行充放電管理，由穩(wěn)壓電路為負(fù)載電路供電，從而形成一個可持續(xù)的清潔能源系統(tǒng)．

2.2 電路系統(tǒng)

電路系統(tǒng)如圖2所示．本系統(tǒng)在光伏電池以外的電路的等效電阻值與光伏電池的等效電阻值相等時即達到輸出功率最大值．根據(jù)蓄電池工作特性，放電截止電壓為 10 V，充電截止電壓為14 V，通過電壓測量電路感測蓄電池兩端的電壓，反饋給單片機，由它控制MOS管Q2、Q3的通斷來達到蓄電池的充放電控制．

因為蓄電池提供的電壓為12 V，若給兩串聯(lián)LED（額定電壓為2.4 V，峰值電壓為4 V）負(fù)載提供合適電壓，需要降壓后才能供LED使用[7]．可采用LM7805型穩(wěn)壓電源，得到波形較好的直流電壓后給LED供電．此電路性能穩(wěn)定，成本低，適應(yīng)性好，簡單易用．

在圖2中，光伏電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換電路給蓄電池充電，采用電阻分壓的方式對蓄電池兩端電壓進行采樣，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）傳到單片機．同時，通過電流通路中的電阻把被測電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)過運放電路將該電壓引到 ADC，由單片機處理后，根據(jù)最大功率跟蹤策略輸出一個脈寬調(diào)制信號（PWM）控制DC/DC轉(zhuǎn)換電路中MOS管導(dǎo)通的時間，從而實現(xiàn)MPPT跟蹤控制．在蓄電池兩側(cè)引入兩個起開關(guān)作用的MOS開關(guān)管（Q2、Q3），控制蓄電池的充放電．因蓄電池兩端的額定電壓為12 V，若給負(fù)載供電時電壓過高，可在蓄電池與負(fù)載之間引入穩(wěn)壓電源電路，再給負(fù)載供電．

圖2 MPPT系統(tǒng)電路

2 電路分析

2.1 電壓采樣放大電路

如圖2所示，此電路針對蓄電池兩端電壓的測量，采用電阻分壓法，經(jīng)由比例變換電路將被測電壓通過 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）傳輸?shù)絾纹瑱C．根據(jù)分壓原理，被測電壓Vin與放大電壓Vout1的轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

其中，R1、R5、R8、R10為電阻．將此關(guān)系式（1）代入到單片機的執(zhí)行程序中，根據(jù)單片機的A/D采樣數(shù)值，就可以得到被測電壓的實際值．

2.2 電流采樣放大電路

如圖2所示的電流測量電路中，通過電阻R7將被測電流Iin轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過運放比例電路將該電壓引入A/D再傳給單片機．Iin與放大電壓Vout2的關(guān)系為：

其中，R7、R9、R11為電阻．此關(guān)系式可用在單片機的執(zhí)行程序軟件中．

2.3 DC/DC轉(zhuǎn)換電路

光伏電池兩端的電壓及電流受外界溫度和光照強度的影響．在輸入功率變化的情況下，太陽能電板與蓄電池之間需要一個BUCK變換電路．該DC/DC轉(zhuǎn)換電路需要根據(jù)等效負(fù)載情況自動進行降壓變換，以保持母線電壓的穩(wěn)定．如圖2所示，DC/DC轉(zhuǎn)換電路由MOS開關(guān)管Q1、二極管D2、儲能電感L1、穩(wěn)壓電容C5和穩(wěn)壓濾波電容C6組成．在開關(guān)周期T內(nèi)，Q1導(dǎo)通時間為Ton．Q1導(dǎo)通時，D2與L1相連點電壓為V1；Q1關(guān)斷時，該點電壓迅速下降到零；若沒有鉗位二極管D2（也稱續(xù)流二極管）將其鉗位于此，則該點電壓波形會降得很負(fù)而損壞Q1．電容的電壓不能突變，所以大電容C1起到了穩(wěn)壓的作用，從而在輸入端得到無尖峰無紋波的直流電壓V1；整個BUCK電路通過單片機產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號控制開關(guān)管Q1的開、關(guān)狀態(tài)從而達到降壓．

2.4 充放電管理電路

如圖2所示，在DC/DC轉(zhuǎn)換電路與蓄電池之間連接的MOS管Q2，其柵級連接單片機AT89C51的P1.0端口，當(dāng)蓄電池兩端的電壓達到過沖電壓（充電截止電壓14 V）時，單片機通過降低P1.0的電壓從而使 MOS管截止，實現(xiàn)蓄電池的充電管理．在蓄電池與穩(wěn)壓電源電路之間連接 MOS管Q3，其柵極連接單片機的P1.1端口，當(dāng)蓄電池兩端電壓達到過放電壓（放電截止電壓10 V）時，單片機通過拉低P1.1端口的電壓，使蓄電池與穩(wěn)壓電源電路斷開，實現(xiàn)蓄電池的放電管理．

2.5 最大功率點跟蹤策略

為了減少擾動損失并排除程序控制的失序，本文中MPPT策略采用電壓擾動法．它的基本設(shè)計思想是通過兩點比較，即當(dāng)前工作點與上一個擾動點進行比較，判斷功率的變化方向從而決定工作電壓的移動方向，如圖3．

圖3 電壓擾動法程序控制流程圖

考慮到光伏電池P-V曲線的特性，先輸出某一占空比D的PWM波，測此時的電壓Ui、電流Ii，再將占空比調(diào)大一單位ΔD，測此時的電壓Uj、電流Ij，分別計算出兩占空比時的功率Pi、Pj，比較Pi、Pj大小，若Pj＞Pi，繼續(xù)將D調(diào)大一單位，測得此時占空比下電壓V、電流I，計算出此時的功率P之后將Pj賦給Pi，P賦給Pj，比較Pi、Pj大?。绱朔磸?fù)，直到不滿足Pj＞Pi條件為止．再將D調(diào)小一單位ΔD，測此時的電壓Uj、電流Ij，分別計算出兩占空比時的功率Pi、Pj，比較Pi、Pj大小，若Pj＞Pi，繼續(xù)將D調(diào)小一單位，測得此時占空比下電壓V、電流I，計算出此時的功率P之后將Pj賦給Pi，P賦給Pj，比較Pi、Pj大?。绱朔磸?fù)，直到不滿足Pj＞Pi條件為止．三點比較判斷的速度以及精確度決定方案的優(yōu)劣．

3 模擬結(jié)果及分析

本文采用直流電源加內(nèi)電阻模擬光伏電池，可控DC/DC轉(zhuǎn)換器作為被控器件，可變電阻做負(fù)載[8-9]．光伏電池輸出經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸出給蓄電池，通過控制MOS管Q1開關(guān)時間的長短來實現(xiàn)最大功率點跟蹤．在Q1導(dǎo)通時，蓄電池正極電壓為光伏電池兩端的電壓；當(dāng)Q1斷開時，蓄電池正極電壓的電壓為零，從而形成如圖4所示的不同負(fù)載時蓄電池正極電壓的仿真波形．若二極管D1壓降為零，則蓄電池正極電壓的波形為矩形．模擬中通過改變負(fù)載電阻、電源內(nèi)阻和電源電壓來觀察MPPT的跟蹤效果，如圖4．取電源輸出電壓U=34 V、內(nèi)阻r=25 Ω、負(fù)載電阻

圖4 負(fù)載RL分別為11 Ω、13 Ω、18 Ω時的端電壓曲線

RL=11 Ω．在實際應(yīng)用中RL為蓄電池與外圍電路的等效電阻，故此取值范圍具有一般性．當(dāng)電路中無MPPT時，可計算出負(fù)載兩端的電壓為UL=10.389 V，I=0.944 A，從而得到此時負(fù)載的功率W=U*I=9.801 W．有MPPT時，從圖4中可看出負(fù)載RL=11 Ω的電壓曲線形似脈沖，周期T約50 mS，脈沖持續(xù)約 35 mS．電壓峰值近似為 13.75 V，最小值為 12.62 V，平均電壓ū=(13.75+12.62)/2=13.185 V．由此計算功率有效值We=(ū2/RL)*(35/50)=11.063 W．根據(jù)功率有效值得到電壓有效值Ue=(WeRL)1/2=11.031 V，電流有效值Ie=Ue/RL=1.003 A．通過有無MPPT時的功率比較，可發(fā)現(xiàn)有MPPT時系統(tǒng)輸出功率提高了(11.063-9.801)/9.801=0.1288=12.88%．同理可分析其它負(fù)載值時有、無MPPT的輸出功率，在此不再贅述．模擬計算數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 有無MPPT時輸出功率的比較

由表1可見，有、無MPPT時的輸出電壓電流明顯不同，采用MPPT后負(fù)載功率得到提高，說明電壓擾動最大功率跟蹤策略是可行的，能夠穩(wěn)定、精確地跟蹤太陽能電池的最大功率點，并使蓄電池自動充放電，給負(fù)載提供電能，使之成為一個完整的供能系統(tǒng)，可開發(fā)成虛擬仿真實驗案例，且配套電路成本低、設(shè)計精巧，能為偏遠山區(qū)、孤島提供小型化離網(wǎng)供電方案．

4 結(jié) 論

通過仿真驗證，由AT89C51單片機及其外圍器件所構(gòu)成的MPPT控制器能實現(xiàn)光伏發(fā)電配蓄電池最大功率輸出，同時管理蓄電池充放電．本方案的MPPT策略采用電壓擾動法，對于精度性能要求不高的系統(tǒng)，此算法具有成熟、可靠性強、控制策略簡單、追蹤效率高、抗干擾能力強、導(dǎo)通電壓靈敏等優(yōu)勢，可開發(fā)成虛擬仿真實驗案例，也能為偏遠山區(qū)、孤島提供小型化離網(wǎng)供電方案．

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Analog Simulation on Maximum Power Output from Photovoltaic Generation with Storage Battery Controlled by Microcomputer

LIN Congcong, WEI Wensheng, WANG Jinguo, XU Xiao, CHEN Wenping, WU Lin, LI Qiuquan, YE Qianyun
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

This paper introduces a circuit system for integrated control on the maximum power point tracking of photovoltaic cell with storage battery charging and discharging based on microcomputer AT89C51. The programming operation ofmaximum power point tracking(MPPT) is adopted on the basis of voltage perturbation method. Thereby, a completed supervisory system is established. Simulation results show that the maximum output power of photovoltaic cells can be improved after implementing the MPPT. This case is used as virtual simulation of the experiment and also as a small-scale off-grid electric power supply scheme.

Microcomputer; Photovoltaic Cell; Storage Battery; Maximum Power Point Tracking; Charge-discharge Control; Simulation

TM615

A

1674-3563(2015)04-0044-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.008 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2015-01-26

溫州大學(xué)2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(DC2014050)

林聰聰(1993- )，女，浙江溫州人，研究方向：電子與通信系統(tǒng)．? 通訊作者，weiwensheng@wzu.edu.cn