基于MCU的光伏控制系统

只看该作者 · 2019-6-18 18:44

基于MCU的光伏控制系统

1、引言

   随着绿色能源概念的深入人心，对于太阳能的利用正逐渐普及。太阳能发电具有突出的优点，如：系统运行成本低、几乎不需要维护、系统可连续工作且具有良好的模块化特点、太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定、在没有电网的地方太阳能为灵活选取站址提供可能，等等。太阳能发电系统相对于电网在稳定性方面有更可靠的保证。

   近年，电力电子的发展使得太阳能光电产品普及到我们生活的方方面面，从小功率的照明、景观装饰，以及中小功率的岛屿、山区生活用电系统，以至于军工方面的大功率太阳能移动备用电站。太阳能光电产品必将随着的技术升级以及相关技术的日新月异发展，太阳能发电技术步入人们更广阔的日常生活中已经成为十分现实的事情。

　　光伏系统的核心在于逻辑控制环节，它不仅担负对整个系统的状态控制，还得确保系统的安全运行，同时提供所需的人机交互接口。逻辑控制环节的合理设计，既是完美充电过程的保证，也是系统寿命的保障，同时还为系统各模块提供保护功能。随着MCU在各个领域的日益普及，其高性价比更加现实出其突出的优越性。以下阐述以MCU为核心控制器中、小功率太阳能光伏系统结构和性能。

　　2、系统概述及构成
　　
本文所述光伏系统，其结构原理图如图1所示。

1）对系统状态的控制，主要包括MCU通过MOSFET控制模块实现对蓄电池的优化充电，按照铅酸蓄电池的特性，充电过程采用双标三阶段浮充法，把充电的过程分为三个阶段（参见图2）。

   第一阶段：大电流灌充阶段（high current bulk charge state）由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于过标准开路电压（Voc）时，太阳能电源以其所获的最大电流对蓄电池充电（最大电流对不同功率的系统取值不同，可按C/5充电率取值，其中C为蓄电池容量），由于太阳能电池的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电至Voc，进入下一阶段。第一阶段的充电程度可达70%-90%。

   第二阶段：过电压恒充阶段（over charge state）以恒定的过标准电压（Voc）充电，直到充电率降至Ioct进入下一阶段充电过程。第二阶段的充电程度近100%。

   第三阶段：浮充阶段（float charge state）以恒定精确的浮充电压Vf进行浮充。蓄电池充满后，以浮充方式维持电压。浮充电压的选择对蓄电池的寿命尤为重要，即使5%的误差也将使得蓄电池的寿命缩短一半。

   2）对太阳能电池和负载的保护，逻辑控制系统防止负载对蓄电池造成过放电，放电过深会严重损坏蓄电池。同时也要提供短路、负载过压保护。

   3）逻辑控制系统还提供了用户操作界面，显示充电或放电状态、显示蓄电池电压、容量多少及充放电电流的大孝显示数据、记录数据、发出告警信号和灯光显示和进行远程通讯等功能，使得光伏系统的维护和检修更加方便。

　　2.1 光伏系统逻辑控制的硬件结构

   光伏系统逻辑控制的硬件结构框图（图3），其主要构成包括以下主要部分：

MCU：采用PIC16C5x系列产品，其高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程芯片的低价值、小体积等，都极具强劲的竞争力。PIC16C5x系列单片机采用精简指令集，工作频率从DC-20MHZ，系统为哈佛结构，数据总线和指令总线各自独立分开，7 个特殊功能寄存器，2级子程序堆栈，工作电源范围大从2.5V-6V，内部自振式看门狗(WDT)，内部寄存器组(RAM)有25-72个，有内部复位电路，低功耗模式，耗电小于10uA，内带一个8位定时器／计数器，具备保密位（保密熔丝可在程序烧写时选择将其熔断，则程序不能被读出拷贝，同时提供四种可选振荡方式：低成本的阻容(RC)振荡；标准晶体，陶瓷振荡（XT）；高速晶体／陶瓷振荡（HS）；低功耗，低频晶体振荡（LP）。PIC16C5x有 2-20根双向可独立编程的I/O口，且每根I/O口线都可由程序来编程决定其输入/输出方向。

   电流采样模块、电压采样模块：根据系统的功率，可以采用电阻组件或互感器，如国产CT系列互感器，GMR电流互感器等，其一次侧电流可按C/5（C为蓄电池容量）考虑。

   电源模块：由铅酸蓄电池提供电源，通过78xx等电源芯片为MCU确保稳定的工作电源（2.5V-6V）。

   键盘输入：可采用标准的行列式键盘（或在光伏系统中预留接口，在需要设定时接入），也可订制专用的簿膜按键。
   LCD显示：由于液晶显示器具有功耗极低、体积孝重量轻等特点，所以适用于铅酸蓄电池供电的系统。

   远程通讯接口：系统采用异步串行通信，在ＰＩＣ１６Ｃ５ｘ内部没有异步串行通信口，可用软件来完成异步串行通信（ＲＳ-232标准的异步串行通信），结果证明工作非常可靠、稳定。同时用软件来完成串行通信，也降低了系统的硬件成本。

   MOSFET控制模块：MCU的系统逻辑控制信号，通过MOSFET控制模块形成MOSFET的门极控制电压，来完成对系统的状态及保护逻辑控制。

   此外，考虑系统可使用于不同的功率，对于所使用的MOSFET和大功率开关管都留有充足的裕量，来满足不同系统的要求。同时系统中还给出一些LED，为了便于直接观察系统的状态和出现的问题，
　　
　　
　　2.2 光伏系统逻辑控制的软件部分

   本光伏系统适用于多种中、小功率的光伏应用系统，对于具体的光伏应用系统其硬件、软件可稍作具体更改，基本的主程序是初始化时，完成PIC16C5x的 I/O配置和中断设置，在循环等待过程中，采集判断系统所处的状态，并进入相应的状态处理子程序，同时等待键盘输入和串行通信的起始位，流程参见图4。

   异步串行通信是通过设置通用I/O口，以软件形式来完成异步串行通信。同时系统通过键盘的输入，来控制LCD的显示内容，由LCD在线显示系统所处的状态，表明系统充电或放电状态。也可选择显示蓄电池电压、容量及充放电电流的大校所有这些数据可在需要时通过串行通信传送给上位机进行进一步处理，将使得光伏的维护和检修更加方便。这部分程序流程可参考通用的异步串行通信程序和液晶显示程序。


　　3、光伏系统逻辑控制的应用实例

   光伏系统逻辑控制可广泛应用与中小功率太阳能系统，如在太阳能路灯和太阳能草坪灯方面的应用。由于太阳能供电的独特优点，近年来得到迅速发展。草坪灯、路灯等中小功率设备，以照明和装饰为目的，满足移动性要求，克服电路铺设困难，适合防水要求，这些都使得由太阳能电池供电的系统显示出特有的优势。

   太阳能电池可采用30瓦左右晶体硅太阳电池组件，照明器件当功率为1瓦左右，可选用高亮度LED组件，功率大于1瓦以上，可采用直流高效节能灯。当系统配备12V10AH左右的免维护铅酸蓄电池，太阳光照一天，可照明12小时。阴雨2天正常工作。

   系统具有浮充、蓄电池过充、过放保护功能。使蓄电池更可靠地长久工作。此外，光伏控制系统还具有蓄电池开路、短路、接反、防反充电、负载过电压、输出负载短路等完善的保护功能，并可实时显示系统的状态，对充电电压、电流，放电电压、电流等给以LCD和LED显示。同时也为远程控制与通讯提供了接口，便于对多个系统进行整体管理，便于整体维护，提高系统的性价比。系统流程图把系统状态分为三个状态：

   状态1--蓄电池电压过低，不能再放电，否则影响蓄电池寿命；
   状态2--蓄电池电压正常，可进行充放电；
   状态3--蓄电池电压过高，对负载有伤害，需进行放电后，方可接入负载。对于照明系统还可加上感光器件，实现灯的自动控制，系统控制逻辑流程示意图参见图5。