智能家用太陽能供電系統(tǒng)

安徽師范大學物理與電子信息學院 光昌國 吳 萌 陳 敏 謝小娟

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智能家用太陽能供電系統(tǒng)

安徽師范大學物理與電子信息學院 光昌國 吳 萌 陳 敏 謝小娟

【摘要】太陽能是一種新能源，未來發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?，利用太陽能發(fā)電是一種充分利用太陽能的方法，現(xiàn)在越來越多的家庭利用太陽能給家庭供電。本文重點介紹了一種家用太陽能供電系統(tǒng)，包括最大功率跟蹤電路，逆變電路，功率因數校正，電量檢測電路，以及遠程管理模塊五個大方面。本文給出了一種低成本，高可靠性，高效率，智能化家用太陽能供電系統(tǒng)。

【關鍵詞】太陽能供電系統(tǒng)；電池管理；最大功率跟蹤；逆變；PFC；遠程控制終端

0　引言

就目前人們對于新能源的研究來看，風能和太陽能是最有發(fā)展前景的，而風能受環(huán)境的影響非常大，所以目前沒有廣泛應用。從理論上來看，只要有太陽的地方就能利用太陽能，所以太陽能對于未來的新能源開發(fā)與研究有著不可替代的重要性。本文研究的目標是建立一個完整家用太陽能供電系統(tǒng)，太陽能獨特的優(yōu)勢光伏發(fā)電作為太陽能的重要應用方式越來越受到人們的重視，但是太陽能受天氣條件限制，需要配備補充能源，本文選擇市電作為補充能源，提出了一種太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)。系統(tǒng)由太陽能電池板、市電、DC-DC變換器、逆變器、蓄電池、功率因數校正器，電量檢測模塊，智能終端組成。系統(tǒng)中存在兩個供電電源，需要設計合理的能量管理控制策略來確保兩個輸入源協(xié)調工作。

1　系統(tǒng)整體框架

家用太陽能供電系統(tǒng)針對市場已有的太陽能的產品做出的一系列該進，使其成本更加低廉，可靠性更高。如圖1所示，太陽能光伏板為12V太陽能光伏板，將太陽能轉換成電能；MPPT電路（最大功率跟蹤電路）將太陽能以最高效率存儲到電池里面；逆變電路逆采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，將電池的直流電變換成220V，50Hz的交流電；為防止諧波電流污染電網，干擾其他用電設備，系統(tǒng)采用PFC電路對交流電的功率因數進行矯正，本系統(tǒng)采用UCC28019作為控制芯片的有源功率因數校正；電池剩余電量（SOC）估算采用的DS2788電池管理芯片，可以對整個電池的實時電量進行估算，以便太陽能/市電的切換，同時用戶還可以了解電池的工作電壓、工作電流等實時狀態(tài)；單片機控制器采用12C5A60S2單片機，電池電量、用電器工作情況，系統(tǒng)是否過壓過載或者其他異常狀態(tài)都將報告給單片機，單片機再根據實時的狀態(tài)來調整系統(tǒng)工作情況，并將得到的參數顯示到液晶屏上面，同時還將電池工作情況，以及系統(tǒng)工作情況和其它系統(tǒng)狀態(tài)通過互聯(lián)網發(fā)送給用戶。

圖1　家用太陽能供電系統(tǒng)的整體框架

2　MPPT電路（功率最大化跟蹤電路）

太陽能光伏的輸出特性具有非線性的特點，且輸出受太陽幅照度，環(huán)境溫度和負載的影響，只有在某一輸出電壓值的時候，光伏陣列的輸出功率才能達到最大，這時光伏陣列的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之最大功率點。為了有效的利用光伏電池組，對光伏發(fā)電進行最大的功率點的跟蹤就顯得尤為重要。

MPPT的工作原理:在一個規(guī)定的周期內，處理器定期地主動調節(jié)PWM的占空比，改變太陽能電池的輸出電流大小，從而引起太陽能電池的輸出電壓大小變化，檢測太陽能電池輸出電壓及輸出電流，從而計算出太陽能電池的輸出功率，然后根據最大功率點跟蹤策略尋找最大功率點。一般采用搜索的算法追蹤最大功率點，通過直接測量得到的電信號判斷最大功率點的位置，從而進行追蹤。包括：干擾觀測法、增量電導法、恒定電壓法、短路電流法。這里采用干擾觀測法。

干擾觀測法是通過將本次太陽能電池板的輸出功率和上次的相比較來確定增加或減少太陽能電池板工作電壓來實現(xiàn)MPPT。設在某一時刻t1，太陽能電池板的輸出功率為P1，處理器輸出信號使太陽能電池板工作電壓增大ΔV，一段時間Δt后，在時刻t2（t2=t1+Δt）檢測到太陽能電池板的輸出功率為P2。若ΔP（ΔP=P1-P2）為正，則應該使太陽能電池板工作電壓繼續(xù)增大ΔV，直到ΔP=0；若ΔP為負，則應該使太陽能電池板工作電壓減小ΔV，直到ΔP=0。對于ΔV，應選取合適的值。如果ΔV的值太大，太陽能電池板的輸出會在最大功率點左右浮動；如果ΔV的值太小，雖然可以保證了跟蹤精度，但是需要更多的時間，當最大功率點變化頻繁時效果會變差。

圖2　MPPT電路框圖

3　逆變電路

逆變電源已經被廣泛應用于工業(yè)領域和民用領域，特別是新能源的開發(fā)和利用，比如太陽能電池的普遍使用，就需要一個逆變系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V、50Hz交流電，以便于給家庭使用。如圖4所示，系統(tǒng)的電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，前后級完全隔離?？刂齐娐飞?，前級推挽升壓電路采用TL494芯片，用采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋；逆變系統(tǒng)采用單片機數字化SPWM控制的方式，采樣直流母線電壓做電壓的前饋控制，采樣電流做反饋控制；在保護措施上，具有輸入過壓、欠壓保護，輸出過載、短路保護和過熱保護等多重保護功能，增強了該電源的可靠性。輸入電壓一端接在變壓器的原邊中間抽頭，另一端接在開關管S1及S2的中間?？刂芐1、S2輪流導通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到370V左右直流電壓。對S3～S6組成的逆變橋采用單片機數字化SPWM控制的方式，逆變輸出電壓經過電感L、電容C2濾波后，最終在負載上得到220V、50Hz的交流電。采用高頻變壓器實現(xiàn)前后級的隔離，有利于提高系統(tǒng)的安全性。后級逆變電路由單片機12C5A60S2控制，在這里主要介紹后級單片機的數字化SPWM控制方式。

數字化SPWM用輸出的正弦信號作為調制波形，高頻三角波作為載波，控制逆變器的一個橋臂的上、下兩個開關管導通與關斷。如果在半個正弦周期內，只有上(下)橋臂的開關管反復通斷，下(上)橋臂開關管動作,則稱為單極式SPWM。如果在一個周期內，上、下橋臂的開關管輪流關斷與導通，則稱為雙極性SPWM調制方式。圖3給出了雙極性SPWM調制方式的原理示意圖。載波與調制波的交點確定逆變器一個橋臂開關器件的開關動作時刻及開關通斷狀態(tài)，得到了一些寬度不等的正負矩形脈沖電壓的波形。該矩形脈沖序列的特點為幅度相等但寬度不相等，其寬度大小正弦的規(guī)律變化而變化；在正弦波的半個周期里面，正負脈沖的面積總和與正弦波的面積相等。單片機的數字化SPWM控制方式的理論基礎是等效面積原則，如圖3中橫軸代表時間軸，所以單片機的數字化SPWM控制方式的理論依據實際是時間平均的等效原理。當脈沖數大到一定數量時，可認為逆變器的輸出電壓的基波大小和調制波大小是相等的，也就是SPWM逆變器輸出的脈沖波的基波大小就是調制時要求的正弦波等效。

圖3　雙極式SPWM的原理示意圖

圖4　逆變電路原理框圖

4　PFC（功率因數校正）電路

目前采用二極管全橋整流方式會造成電網諧波污染，從而導致功率因數的下降，其中的無功分量大部分是高次諧波，其中的三次諧波幅度大概是其基波幅度的94％，而五次諧波幅度大概是其基波幅度的69％．七次諧波幅度大概是其基波幅度的44％。高次諧波不僅會對電網造成巨大的危害，而且還會對用電設備的功率因數下降，同時產生很強的電磁干擾，對電網和其他的用電設備的運行造成潛在危害。

功率因數校正電路(Active Power Factor Corrector，APFC)可將逆變電源的輸入電流變換為與輸入市電同相位的幅度為200V、50Hz的正弦波，提高了電器設備的功率因數，從而減少了對電網的諧波危害。UCC28019是美國TI公司最新研發(fā)的有源功率因數校正(PFC)芯片。UCC28019采用了平均電流模式對電源的功率因數進行校正，適用于寬范圍的交流輸入，電路的輸出為100W到2kW的功率因數變換器。電源不僅具有功率因數高、高次諧波含量低的優(yōu)點。同時，UCC28019具有應用簡單，調試簡單，驅動能力強，保護功能強大等優(yōu)點，是一種非常好用的功率因數校正芯片。

圖5　功率因數校正電路框圖

5　電量檢測模塊

DS2788用于測量可充電鋰離子(Li+)電池和Li+聚合物電池的電壓、溫度及電流，估算電池的可用電量。計算電量所需的電池包參數和應用參數存儲在片上EEPROM。根據電量寄存器的內容，向主機報告在當前溫度、放電速率、存儲電荷以及應用參數下，剩余電量的保守估計。剩余電量計算以毫安時和滿容量的百分比表示。本系統(tǒng)電池電量估算采用DS2788，同時該芯片還能檢測電池工作電壓以及工作電流，用戶可以對了解電池的實時狀態(tài)。

圖6是DS2788工作電路圖，DS2788可以檢測鋰電池的單節(jié)電壓，Vin引腳為電壓檢測引腳，SNS引腳檢測當前的工作電流以及充電電流，Rsns為檢流電阻。DS2788根據采集到的電流以及電壓，在對照其設定的電量估算算法來估算當前的電池電量。

圖6　DS2788工作電路圖

6　不間斷供電

當遇到持續(xù)陰雨天時，蓄電池的電量不能持續(xù)供家庭使用，當處理器檢測到蓄電池電量低于一定值的時候，切換成市電為家庭供電。

7　遠程管理模塊

本系統(tǒng)采集和處理的數據和相應的狀態(tài)都會顯示在顯示屏上。用戶可以隨時了解系統(tǒng)狀態(tài)，若家里沒有人時，當警報出現(xiàn)時，若不能及時的排除故障，這樣就可能造成系統(tǒng)的損壞和經濟損失，而且同時有用戶想隨時隨地了解系統(tǒng)工作情況，為了解決上述問題，本系統(tǒng)還添加了遠程控制功能。

遠程控制終端原理如圖7所示，由用戶端、網絡服務器、GPRS傳輸三部分組成。系統(tǒng)將采集到的信息通過處理器傳給通訊網絡，再通過英特網將信息傳送給控制終端，控制終端將接收的信息顯示在手機APP上面，如有故障信息將進行報警，同時提醒用戶。

圖7　遠程控制終端原理框圖

8　總結

本系統(tǒng)可以將太陽能轉換成電能并儲存，以供家庭使用，具有數據的實時采集、故障分析、電池的剩余電量估算、電池充放電以及均衡管理、功率因數矯正，不間斷供電，終端控制和遠程管理等功能，是一種智能化的家庭太陽能供電系統(tǒng)，這也符合現(xiàn)代社會的智能化發(fā)展，有著良好的前景與市場。

參考文獻

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光昌國（1994—），男，安徽安慶人，大學本科，學士，主要研究方向：硬件電路設計與仿真、嵌入式開發(fā)。

吳萌（1995—），男，安徽合肥人，大學本科，學士，主要研究方向：軟件算法設計、嵌入式開發(fā)。

陳敏（1995—），男，安徽安慶人，大學本科，學士，主要研究方向：軟件算法設計、嵌入式開發(fā)。

作者簡介：

基金項目：安徽師范大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201510370095）。