STM32的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電蓄電池充放電保護(hù)研究

王立志，宋偉，汪德洋，李棟，張峰源

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國(guó)網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司)

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STM32的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電蓄電池充放電保護(hù)研究

王立志1，宋偉2，汪德洋2，李棟2，張峰源2

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國(guó)網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司)

摘要:太陽(yáng)能和風(fēng)能在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都有很好的互補(bǔ)特性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可作為離網(wǎng)型的小型獨(dú)立供電系統(tǒng)，特別符合農(nóng)村用電需求。利用功能強(qiáng)大的STM32芯片實(shí)現(xiàn)充放電保護(hù)，蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性基礎(chǔ)上，進(jìn)行充放電控制系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞:風(fēng)光互補(bǔ)；STM32；充放電保護(hù)

引言

風(fēng)能和太陽(yáng)能都是取之不盡的能源，且二者具有互補(bǔ)性，可以克服單一能源的缺點(diǎn)，提高可靠性。在我國(guó)廣大的農(nóng)村推廣應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，能充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源在季節(jié)上的互補(bǔ)性，可有效地給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活供電，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生燃料消耗和環(huán)境污染，還可以用于邊遠(yuǎn)煤礦的家屬區(qū)路燈照明及低功率的家用電器等，大大方便人們的生活，有著良好的應(yīng)用前景[1]。

1風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能光伏板、控制器、蓄電池、逆變器、卸荷器、交流/直流負(fù)載等部分組成[2]。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是將風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電相結(jié)合。風(fēng)力發(fā)電是利用自然風(fēng)作為動(dòng)力，風(fēng)輪吸收風(fēng)的能量帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)控制器的整流、穩(wěn)壓作用，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向蓄電池組充電并儲(chǔ)存電能；太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為直流電，供負(fù)載使用或儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)備用。根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射的變化情況，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可分為以下3種運(yùn)行模式: ①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)自向負(fù)載供電;②太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)獨(dú)自向負(fù)載供電;③風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。

在不同的氣候條件下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有以下4種工作狀態(tài):①晴天時(shí)太陽(yáng)能光伏板工作，產(chǎn)生電能;②風(fēng)力夠強(qiáng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電能;③有風(fēng)的晴天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏板同時(shí)工作，產(chǎn)生電能;④碰上既無(wú)風(fēng)又無(wú)陽(yáng)光的天氣，該系統(tǒng)使用蓄電池內(nèi)原來(lái)已經(jīng)儲(chǔ)存的電能。

2系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以STM32F103RBT6為核心，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板的最大功率跟蹤控制及蓄電池的充放電控制、過(guò)充過(guò)放保護(hù)的功能。

(1) 控制系統(tǒng)主回路電路

控制系統(tǒng)主電路如圖2所示，該控制系統(tǒng)采用STM32F103

圖2　控制系統(tǒng)主回路電路圖

RBT6作為核心芯片進(jìn)行8 路信號(hào)采集: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓和電流，太陽(yáng)能電池板電壓和電流，蓄電池電壓、電流及溫度、風(fēng)速檢測(cè)；SP、SN分別接太陽(yáng)能電池的正負(fù)極，用于蓄電池充電；風(fēng)機(jī)三相輸出接U、V、W，經(jīng)整流后給蓄電池充電；通過(guò)對(duì)開關(guān)管Q1的PWM斬波控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池充電的控制；利用開關(guān)管Q4和Q5的PWM斬波控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)充電的控制。接入DS2762芯片用于判斷電池過(guò)壓、過(guò)放電、過(guò)流等狀態(tài)，3路PWM輸出用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤、太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤、蓄電池的充電/放電控制。

(2) 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓原理對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，用接地電容和電解電容對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行低頻和高頻濾波，經(jīng)過(guò)由LM324組成的電壓跟隨器輸出，輸入STM32F103RBT6的 ADC端口。電壓檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3　電壓檢測(cè)電路

(3) 電流檢測(cè)電路

圖4　電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路選用ACS712霍爾電流傳感器，這是一種線性電流傳感器，內(nèi)置有精確的低偏置線性霍爾傳感器，能輸出與檢測(cè)電流成正比的電壓，輸出的電壓信號(hào)輸入STM32 F103RBT6的ADC端口[3]。電流檢測(cè)電路如圖4所示。

(4) 溫度檢測(cè)電路

蓄電池的溫度與容量和使用壽命有密切關(guān)系，為了保證真正對(duì)蓄電池充滿電，提高系統(tǒng)的效率，需要對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償控制，有利于對(duì)蓄電池系統(tǒng)的保護(hù)。

溫度檢測(cè)采用溫度傳感器AD590，它的測(cè)溫范圍為-55~150 ℃，產(chǎn)生的電流與溫度成正比，測(cè)量溫度每增加1 ℃，輸出電流增加1 μA，具有很好的線性輸出性能，足以滿足系統(tǒng)的要求。通過(guò)R2、R3將AD590的輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),輸入STM32F103RBT6的ADC端口，雖然AD590具有很好的線性度，但是也存在一定的非線性，通過(guò)電位計(jì)R0、R3分別完成零度和滿度的調(diào)整，保證溫度為0 ℃時(shí)電壓信號(hào)為0 V，溫度為100 ℃時(shí)電壓信號(hào)為3.6 V[4]。溫度檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5　溫度檢測(cè)電路

(5) 最大功率跟蹤控制電路

圖6　最大功率控制電路

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板的工作特性隨外界環(huán)境變化而不斷改變，其等效內(nèi)部阻抗也隨之發(fā)生變化，通過(guò)改變開關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)節(jié)等效電阻，使之在不同的外界環(huán)境下始終跟隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽(yáng)能電池板的內(nèi)阻變化，兩者動(dòng)態(tài)匹配可以獲得最大輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制[5]。最大功率跟蹤控制電路如圖6所示。

2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編程，程序開始首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，讀取電壓、電流和溫度的值，進(jìn)入蓄電池充放電控制程序，STM32F103RBT6輸出相應(yīng)的PWM控制蓄電池的充放電，防止蓄電池過(guò)放過(guò)充，從而延長(zhǎng)蓄電池壽命。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電控制子程序。當(dāng)太陽(yáng)能電池板開路電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電控制子程序，通過(guò)MPPT 控制算法計(jì)算最大功率點(diǎn)的電壓給定值[6]，然后將獲得的實(shí)際參數(shù)與設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比較，通過(guò)STM32F103RBT6輸出相應(yīng)的PWM進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，達(dá)到最大功率輸出，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。其流程圖如圖7所示。

3推廣應(yīng)用前景

膠東半島農(nóng)村分布，丘陵地帶需架設(shè)很長(zhǎng)的輸電線路，然而廣大農(nóng)村具有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速在3.6 m/s以上。若采用太陽(yáng)能、風(fēng)能這些可再生能源進(jìn)行發(fā)電，則可基本滿足偏遠(yuǎn)農(nóng)村的生活及照明用電需求。本系統(tǒng)考慮到農(nóng)村的實(shí)際條件，選取了較為簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)硬件部分，在滿足實(shí)際需要的同時(shí)大大降低了成本。因此，這套系統(tǒng)可充分利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有效解決膠東半島丘陵山區(qū)的果園灌溉、山區(qū)水庫(kù)等生產(chǎn)、生活用電問題，應(yīng)用前景廣闊。

結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

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王立志(碩士研究生)，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究。

(責(zé)任編輯：薛士然收修改稿日期：2015-08-21)

圖7　控制系統(tǒng)軟件流程圖

Battery Charge and Discharge Protection of Scenery Complementary Power Generation Based on STM32

Wang Lizhi1,Song Wei2,Wang Deyang2,Li Dong2,Zhang Fengyuan2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.State Grid Shandong Penglai Electric Power Company)

Abstract：Solar and wind energy have good complementary characteristics in the resources condition and the technical application,scenery complementary power generation system can be used as the off grid small independent power supply system,especially for the rural power demand.In this paper,the STM32 chip is used to achieve charge and discharge protection.Based on the economy and reliability of the whole system,the charging and discharging control system of the battery is researched.

Key words:scenery complementary;STM32;charge and discharge protection

中圖分類號(hào):TM61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A