ARM的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)功率研究

摘要:設(shè)計(jì)了基于ARMLPC2131的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤太陽光直射方向來提高光伏電池的效率，并采用了改進(jìn)的步進(jìn)式擾動(dòng)觀察算法來尋找太陽電池陣列的最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能獲得太陽電池的最大功率。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)精確地跟蹤了各種情況下的太陽光變化，并將光伏電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換率提高到30％以上。

引言

目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)太陽能自動(dòng)跟蹤器主要有：壓差式太陽能跟蹤器，控放式太陽跟蹤，時(shí)鐘式太陽跟蹤器，比較控制式太陽跟蹤器。純機(jī)械式的跟蹤器和時(shí)鐘式的機(jī)電跟蹤器精度偏低，本系統(tǒng)采用了精度相對(duì)較高的光敏電阻控制的雙軸太陽跟蹤器的控制方式使光伏電池始終朝向太陽;在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實(shí)現(xiàn)日循環(huán)運(yùn)行。

太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)

傳感器結(jié)構(gòu)

該跟蹤器的傳感器結(jié)構(gòu)見圖1。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置4 只光敏電阻;其中P1、P3 東西對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測(cè)太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;P2、P4 南北對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測(cè)太陽的視高度即高度角;在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置4 只光敏電阻，用來精確檢測(cè)太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度和太陽的視高度。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器

跟蹤器的結(jié)構(gòu)見圖2。步進(jìn)電機(jī)1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，光伏電池、步進(jìn)電機(jī)2 安裝在支架上面(光伏電池相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，步進(jìn)電機(jī)2 的輸出軸連接在光伏電池上。

圖2 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器示意圖

當(dāng)光線發(fā)生偏移，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 1 帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及光伏電池轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2 帶動(dòng)光伏電池相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2 的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤[2]。

MPPT控制器

光伏電池的輸出功率與它的工作電壓有關(guān)(U-P曲線一般呈先上升后下降的光滑曲線，中間的某個(gè)電壓值取得最大功率)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會(huì)有個(gè)唯一的最大值。如：在日照強(qiáng)度為1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可見30V的電壓下輸出功率更大。MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)控制器主要功能是:檢測(cè)主回路直流電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽電池陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤 [3]。圖 3為實(shí)際應(yīng)用擾動(dòng)與觀察法來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤的示意圖。

圖3 MPPT控制實(shí)現(xiàn)示意圖

擾動(dòng)電阻 R 和MOSFET 串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動(dòng)[4]。同時(shí)，光伏電池的輸出電流和輸出電壓亦將隨之變化，通過測(cè)量擾動(dòng)前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動(dòng)方向，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽能光電板輸出功率增加，下一周期繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)，反之，當(dāng)太陽能光電板輸出功率減少時(shí)，表示擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，下一周期朝反向擾動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行著擾動(dòng)與觀察來使太陽能光電板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中占有重要地位，它主要對(duì)主回路進(jìn)行控制，保證 MPPT 算法有效實(shí)現(xiàn)，使 DC/DC 變換保持恒壓輸出，且與 LCD 的人機(jī)接口通信。它還在對(duì)蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。首先它對(duì)光伏電池功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了光伏電池能量的浪費(fèi)。其次，主控制器控制的恒壓電流也使設(shè)計(jì)恒壓充電的充放電電路變的容易。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動(dòng)電路

光敏電阻采用的型號(hào)為GM5516,亮電阻：5-10 K Ω，暗電阻：200K Ω以上。系統(tǒng)通過對(duì)4對(duì)8路(R1對(duì)應(yīng)圖1中的P1,R2對(duì)應(yīng)圖1中的P3，R3-R8同理)光敏電阻即時(shí)進(jìn)行A/D采集，將所采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，判斷方位角和俯仰角的變化，并通過I/O(OUT1-OUT8)給步進(jìn)電機(jī)1個(gè)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖， 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向正確的方向，然后繼續(xù)進(jìn)行A/D采集和控制，直到信號(hào)差在一定范圍之內(nèi)，此時(shí)光伏電池正對(duì)太陽。電路示于圖5和圖6。

圖5 光敏電阻采集電路

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)57BYG007，GSP-24RW-046，皆為四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高電平，ULN2803(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，集電極輸出)的1腳到4腳依次為高電平，這樣就給步進(jìn)電機(jī)1(57BYG007)正轉(zhuǎn)一步的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高電平，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)1.8度，GSP-24RW-046驅(qū)動(dòng)原理與之相同。

DC/DC、MPPT電路

系統(tǒng)所采用光伏電池正常工作電壓10-14V，工作電流1A左右，所采用的蓄電池為12V-7AH，由于 12V的蓄電池一般需要13-15V的電壓為之充電，而光伏電池如果不經(jīng)過DC/DC處理，無法保證為蓄電池穩(wěn)壓充電。因此通過BOOST升壓電路將光伏電池電壓升高20V(大功率步進(jìn)電機(jī)需要較大電壓，此處可以為將來系統(tǒng)升級(jí)做準(zhǔn)備)，然后降壓到14V為蓄電池穩(wěn)壓充電[5]，電路圖如圖7所示。

圖7 DC/DC及MPPT電路

圖7電路左端為光伏電池，右端輸出電壓為Uo(圖7的Uo為圖8的Uin)，我們需要得到右端Uo=20V。

首先通過并聯(lián)50K、10K電阻組成的電路，并對(duì)10K電阻兩端A/D采集，采集電壓Uad1，間接得到蓄電池兩端電壓Uin=6Uad1;

Uo要求為20V, 通過Uo = Uin/(1-D)可計(jì)算出需要的D(Q1的占空比),輸出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓要求15V,所以PWM1需要經(jīng)過上拉電壓15V和光耦開關(guān)組合后對(duì)Q1控制，不是簡(jiǎn)單的控制Q1。

通過R5、R6組成的電路采集R6兩端電壓Uad2，間接得到Uo=6 Uad2，將Uo與20V比較，即時(shí)調(diào)整實(shí)際的D，使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脈沖周期的5%)，然后延時(shí)、采集、判斷，直到得到精確的占空比D，能夠準(zhǔn)確輸出電壓Uo=20V。

在輸出電壓基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，設(shè)置Q4的PWM2，改變R7擾動(dòng)電阻的占空比，來改變輸出電流，通過對(duì)R8兩端電壓的A/D采集，采集電壓Uad3，得到電路總電流I=Uad3/R8,因此得到太陽能電池輸出總功率P=Uin×I(因?yàn)殡娐肥请娏鬟B續(xù)工作，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，C1電流可忽略，甚至電容C1可除去，且光伏電池左端的采集電阻相當(dāng)大，電流極小，亦可忽略)，改變光伏電池即時(shí)輸出實(shí)際功率，來實(shí)現(xiàn)MPPT。

蓄電池充放電控制電路

白天，光伏電池需要為蓄電池充電，以便蓄電池能夠晚間對(duì)負(fù)載(路燈)供電，并且步進(jìn)電機(jī)的工作電能也需要由光伏電池提供(若光伏電池的功率不足以帶動(dòng)電機(jī)，說明日照極差，無需轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī))，ARM板必須連續(xù)供電，白天由光伏電池供電，夜間由蓄電池供電，這一套充放電控制電路需要用到2個(gè)繼電器，一個(gè)是控制蓄電池充電和放電，另一個(gè)控制ARM板的工作電壓由光伏電池提供還是蓄電池提供，電路如圖8所示。

圖8 蓄電池充放電控制電路

電路右端Uin=20V作為輸入電壓， 通過BUCK降壓電路將電壓降到14V為蓄電池充電，Uo=Uin×D,要得到14V電壓，設(shè)置Q2的占空比為70%。白天：2個(gè)繼電器皆為常開狀態(tài)A,光伏電池為步進(jìn)電機(jī)和ARM供電(采用7805穩(wěn)壓管降壓到5V)，并為蓄電池充電，蓄電池正極接反相截至二極管，保證充電同時(shí)不放電。夜間(或日照極差，由光敏電阻判斷)：繼電器1、2被吸合到B,步進(jìn)電機(jī)停止工作，蓄電池為ARM供電，并帶動(dòng)負(fù)載(路燈)工作。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要的控制作用都是由主控制軟件實(shí)現(xiàn)的，主要包括：A/D模塊，DC/DC 模塊，MPPT 及蓄電池充放電控制等。系統(tǒng)重點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，主程序流程圖如圖 9所示。

圖9 主程序及主控后臺(tái)程序流程圖

結(jié)語

整個(gè)系統(tǒng)以ARM LPC2131 為核心對(duì) DC/DC、 MPPT、蓄電池組充放電進(jìn)行控制，采用最大功率點(diǎn)的跟蹤，使光伏電池工作在最佳狀態(tài)，使光伏電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換率由10% 提高到30%。系統(tǒng)通過自動(dòng)跟蹤測(cè)試，達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，控制精度高，已由公司制作成品，并計(jì)劃批量生產(chǎn)。它的制作簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)，這對(duì)于我國(guó)廣闊的太陽能資源豐富地區(qū)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。