太阳能光伏发电系统控制器的设计.pdf

18江苏电器 (2008 No.12)作者简介： 刘松 (1987- ) ，男，本科，研究方向为太阳能光伏发电。0 引言工业革命以来，随着工业化程度的不断提高，人们对能源的需求量日益加大，致使化石能源 ( 石油、煤炭等 ) 的储量迅速接近枯竭。而且化石能源在开采、运输、使用时，会对人类的生存环境造成严重破坏。在这种背景下，太阳能的利用，特别是太阳能光伏发电，越来越受到人们的重视。在太阳能光伏发电系统中，控制器占据着极其重要的位置。但是，以往控制器因电路复杂、不规范，造成控制器故障较多，给日后的维修带来了麻烦。为此，根据市场需求，按照技术规范的要求，设计了一款性能优异、稳定可靠、电路简单、数据实时性好、功耗低的太阳能控制器。1 控制器的基本工作原理及其功能太阳能光伏发电系统控制器的设计刘松，杨鹏(扬州大学，江苏 扬州 225009)Abstract: Introduction was made to the basic principle and its functions of the controller taking MSP430 series microcontrollers as the core, giving out hardware interface circuit design method of data collecting and storage battery control etc links of solar energy power gen-eration system. The designed solar energy controller is completed in basic functions, stable and reliable in performance, good in data ’ s real-time property, low in power consumption and simple in circuit and convenint in maintenance.Key words: solar energy photovoltaic power generation system; MSP430 microcontroller; interface circuitLIU Song, YANG Peng（ Yangzhou University, Yangzhou 225009, China）Design of Solar Energy Photovoltaic Power Generation System Controller太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的太阳能光伏发电系统一般是由太阳能电池阵列、太阳能控制器、逆变器和蓄电池 ( 组 ) 构成。在几个组成部分中，控制器的作用是对系统运行状态进行数据采集和监控，控制整个系统充放电回路的状态，保证供电系统能在长期无人值守的情况下可靠地运行，配以输入、输出、显示、控制等外围电路，组成一个实用控制系统。控制器的结构框图如图 1 所示。控制器的核心是美国 TI 公司的 MSP430系列单片机 [1] 。该单片机内置的各种转换和驱动模块可免接大部分的外围电路，使整个系统电路简洁，使用方便，易于维护。且该单片机的 A/D 转换速度快，数据实时性极好，功耗低。对处在边远地区，交通不便的太阳能光伏发电系统的正常运行提供了更多的保障。摘 要 ： 介绍了以 MSP430系列单片机为核心的控制器的基本原理及其功能，给出了太阳能发电系统中控制器的数据采集和蓄电池控制等环节的硬件接口电路设计方法。所设计的太阳能控制器基本功能完善，性能稳定可靠、数据实时性好、功耗低且电路简单，便于维修。关键词 ： 太阳能光伏发电系统 ； MSP430单片机 ； 接口电路中图分类号 ： TM571 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1007-3175(2008)12-0018-03太阳能光伏发电系统控制器的设计19江苏电器 (2008 No.12)控制器需对太阳能光伏发电系统的运行情况和环境状况进行检测，包括光强、温度、充电电流、蓄电池电压和蓄电池温度等，并最终完成控制器具有的控制和保护功能 [2] 。如过充和过放保护、负载过流及短路保护、过压保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护等。2 控制器的硬件设计2.1 电压采集模块采用电阻分压方法来采集电压，并使用线性光电耦合器 LOC110将单片机和太阳能电池阵列 ( 以及蓄电池 ) 电气隔离。以太阳能电池阵列电压采样为例，其具体电路如图 2所示。在该模块电路中， 其输入输出关系为： Vo=Vin ×K×( R43/ R41) 。其中 K为光电耦合器 LOC110的光电流传输系数比值。2.2 电流采集模块采用电流输出型霍尔电流传感器 SMNA100L来直接采集电流，然后进行分压、分流、滤波、跟随等一系列调理，最终将采样的电流数据输入到单片机MSP430中。2.3 蓄电池温度采样模块采用集成式温度传感器 AD590采集蓄电池温度。具体电路如图 3所示。对于传感器 AD590，若采集的温度为 T，则流过传感器的电流为 ： I r =AT， A 为转换系数，通常 A为 1μ A/K ； LM358 芯片的同相输入端电压为 ： up=I r× R28， LM358芯片的反相输入端电压为 ： uN=VCC/(R21+R22+R23+R24) × R24， 所以 ： uo=(uN-uP) × Af 。 式中 ： Af是差动放大运算电路的放大增益。2.4 光强采集模块太阳光光强和太阳能电池的短路电流成正比，所以采用 KT1A/P型小电流传感器检测一小片太阳能电池短路电流的方法来采集太阳能电池阵列的光强。其光强采样模块如图 4 所示。在图 4 中，当 KT1A/P的原边电流为 1 A，其 M端输出测量电流为 100 mA，取电压输出形式，需要在 M端和供电电源零点之间串接 1 只电阻。根据所取电压大小而选取电阻值，电阻极限值可按下式确定 ： Rmax=( E- Vce- I oRi )/ I o。式中 ： E 为供电电源电压； Vce为功率管的饱和压降； I o为输出信号电流； Ri为传感器内阻。2.5 充放电模块采用由 TLP250驱动的 Power MOSFET作为充放电模块中的开关器件。如图 5所示，以放电控制模块图 1 控制器的结构框图电源和复位模块MSP430单片机太阳能电池电压采样模块蓄电池电压、电流采样模块温度采样光强采样输出驱动模块显示模块时钟电路模块充电控制放电控制图 2 太阳能电池阵列电压采样模块图 3 蓄电池温度采样模块图 4 光强采样模块+-LM 358芯片uo-15 VGNDR281 kΩR27100ΩGNDR241kΩAD590传感器VCC R2625 kΩR255kΩR231 kΩR2222kΩR211.5 kΩGNDD21+7VD 22+3V+15V+ +- --15 V21太阳能电池KT 1A / P电流传感器MGNDR31100ΩP6.5+-C41GNDLM358R421 - LED+LED+V cc1I1234GND GNDR41Vin+15VI F8765 +-LM 358芯片LOC110耦合器I 1R43I 2Vo芯片NCNC+V cc2I2太阳能光伏发电系统控制器的设计20江苏电器 (2008 No.12)为例，简单介绍一下这两种器件 [3] 。在 该 电 路 中， 选 用 IR 公 司 的 Power MOSFET IRF 3205 作为放电控制的开关管。当 MSP430给出高电平时，三极管 Q5(S9013) 导通， TLP250 输出高电平， IRF3205 的栅源电压被钳位于 10 V。此时，MOSFET导通，蓄电池向负载供电，相反，放电控制端给出低电平时，三极管截止， IRF3205 的栅源电压小于阀值电压， MOSFET 不能导通，相当于开关处于断开状态，蓄电池不能向负载供电。3 控制器的软件设计总体流程图如图 6 所示。首先 MSP430进行复位、定义变量和初始化，并且进行处理看门狗子程序。然后处理采样太阳能电池的电压 VOC( 每 10 s采样一次，采样 30 次，共计 5 min) ，判断太阳能电池电压是否小于阀值电压 2 V。如果有一次不满足要求，采样重新开始，直到 30 次为止。采样的太阳能电池电压均小于阀值电压，可确定天黑。如果 5 min 内太阳能电池电压大于 2 V， 说明阳光充足，则进行白天处理子程序 ( 对蓄电池进行充电 ) 。如果 5 min 内，太阳能电池电压小于 2 V，确定为黑夜后，则进行夜晚处理子程序 ( 蓄电池放电给负载 ) 。4 结语所设计的太阳能控制器基本功能完善，性能稳定可靠、数据实时性好、功耗也很低。另外，控制器的电路简单，便于维修；成本低廉，适合于市场推广。参考文献[1] 沈建华，杨艳琴 .MSP430 系列 16 位超低功耗单片机实践与系统设计 [M]. 北京 ： 清华大学出版社， 2005.[2] 张艳红，张崇巍，吕绍勤，等 . 新型太阳能控制器的研制 [J]. 节能， 2006(2) ： 30-32.[3] 包文俊，黄长杰 .24 V/5 A太阳能控制器设计 [J].安徽建筑， 2006(4) ： 149-152.收稿日期： 2008-08-05图 5 放电控制模块定义变量N初始化程序复位开始VOC＜ 2 V？看门狗子程序太阳能电池采样子程序白天处理子程序蓄电池容量检测子程序夜晚处理子程序Y图 6 总体流程图P3.61GNDR358.2 kΩR343kΩ234R33620Ω8765蓄电池电源GND+5VGND R3130kΩR323 kΩD 110VQ2IRF3205C1GNDQ5NPN TLP250驱动电路绝缘和污秽的要求，推行差异化设计原则。2.2.2 融冰情况的了解及专家建议在调研中，有多位专家提到采用通电加热导线的方法使其融冰，且直流、交流均可，并用变电站的站用变压器 ( 具体容量以 6 000 kVA 为宜 ) 作电源进行了测试 ； 也有专家提出通电导线可以融冰，但地线如何融冰？一旦地线超过负重极限断裂下坠引起导线短路怎么处理？也有专家提出用化学融冰。总之，各种意见颇多，建议电力部门集中各方面的科技人员，将融冰作为一个课题进行研究。收稿日期： 2008-07-29(上接第 4页)