[嵌入式设计]光伏发电单片机控制系统设计

1、 毕业设计论文光伏发电单片机控制系统设计院 别控制工程学院专业名称测控技术与仪器班级学号 学生姓名 指导教师 2021 年 6 月 13 日光伏发电单片机控制系统设计摘 要世界能源危机和环境问题使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续开展成为人类必须采取的措施。而随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步，太阳能光伏发电得到了长足的开展并已成为新能源利用的主流之一。当前，光伏发电不断向低本钱、高效率和高功率密度方向开展，太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统。高性能的数字信号处理器芯片的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网的控制以提高太阳能光伏发电系统的效率成为可能。一套根本的太阳

2、能光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。本文首先概述了太阳能光伏发电系统的组成，介绍了目前我国太阳能光伏发电技术的应用，并根据不同场合的需要，对太阳能光伏发电系统进行了分类。随后，文章对光伏发电的一些理论进行了研究，包括蓄电池的充电控制方法，光伏发电的最大功率点跟踪，以及温度和电流电压的跟踪。通过单片机控制系统实现了对光能的最大程度的利用和对蓄电池最短时间的充电，以最优的方法实现设计目的及整体方案。关键词：光伏发电，单片机控制电路， 最大功率点跟踪，蓄电池The Design of Photovoltaic Power Generation Single-c

3、hip Microcomputer Control SystemAbstractThe world energy crisis and environmental problems make the development and utilization of renewable energy and all kinds of green energy in order to realize the sustainable development become measures must be taken by human. But along with solar battery and p

4、ower electronic technology advances, solar photovoltaic power generation got rapid progress and has become the mainstream of the new energy use one. At present, photovoltaic power generation continuously to low cost, high efficiency and high power density direction, the main form of solar energy uti

5、lization will be combined to the grid system.High performance digital signal processor chip appearance, makes some advanced control strategy application light volt combined control in order to improve the efficiency of the solar photovoltaic power generation system possible. A set of basic solar pho

6、tovoltaic power generation system is generally by solar panels, solar controller, inverter and battery (group) constitute.This paper first outlines the composition of solar photovoltaic systems, describes the current generation of solar photovoltaic technology, and according to the needs of differen

7、t occasions, for solar photovoltaic systems are classified. Subsequently, the article some of the theories of photovoltaic power generation were studied, including battery charging control method, photovoltaic maximum power point tracking, as well as temperature and current and voltage tracking. By

8、SCM control system to achieve the greatest degree of light energy utilization and minimum time for battery charging, to the best way to achieve the design goals and programs.Key Words： photovoltaic power generation system, SCM control, optimization目 录1 绪论.1光伏发电产业现状.1世界光伏发电的起源与产业现状 .1中国光伏发电产业现状 .1光伏发

9、电产业的开展趋势及前景展望.2光伏发电的优缺点.3光伏发电的工作原理.32 设计方案 .5系统组成.5太阳能电池板 .6太阳能控制器 .7逆变器 .9蓄电池组 .9太阳能光伏发电系统分类.10太阳能光伏发电系统设计原那么.113 硬件设计 .123.1 光伏电池 .12太阳能电池的输出特性 .123.1.2 最大功率点跟踪 .143.2 关于蓄电池的研究 .193.2.2 VRLA 的充电控制方法.203.2.3 影响电池容量的因素 .213.3 AT89C52 单片机 .223.3.1 AT89C52 原理简介.223.3.2 外加电源与重置电路 .233.3.3 输入与输出接口 .243.

10、3.4 指令简介 .253.4 控制电路设计 .253.4.1 总体设计方案 .253.4.2 电压采样模块和电流采样模块 .26蓄电池温度采样模块 .273.4.4 充放电模块 .28显示模块 .304 软件设计 .32软件系统平台 .32系统软件流程图 .335 结论与展望 .395.1 本文结论 .395.2 前景展望 .39参考文献 .40致 谢 .41附 录 .42附录 A .42附录 B .441 绪论.1 世界光伏发电的起源与产业现状早在 1839 年，法国科学家贝克雷尔Becqurel就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应，简称“光

11、伏效应。1954 年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的早在 1839 年，法国科学家贝克雷尔Becqurel就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应，简称“光伏效应。光伏发电 3954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 ，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术1。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有 20亿人得不到正常的能源供给。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构

12、，维持长远的可持续开展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假设把地球外表 0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%，每年发电量可达5.61012 千瓦小时，相当于世界上能耗的 40 倍2。近几年国际上光伏发电快速开展，世界上已经建成了 10 多座兆瓦级光伏发电系统，6 个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的开展规划的国家。1997 年又提出“百万屋顶方案。日本 1992 年启动了新阳光方案，到 2003 年日本光伏组件生产占世界的 50

13、%，世界前 10 大厂商有 4 家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业开展，使德国成为继日本之后世界光伏发电开展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏开展方案，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。1.中国光伏发电产业现状中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代起步，90 年代中期进入稳步开展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过 30 多年的努力，已迎来了快速开展的新阶段。在“光明工程先导工程和“送电到乡工程等国家工程及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛开展。到 2007 年年底，全国光伏系统的累计装机容量到

14、达 10 万千瓦100MW ，从事太阳能电池生产的企业到达 50 余家，太阳能电池生产能力到达 290 万千瓦2900MW ，太阳能电池年产量到达 1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化开展奠定了根底。2007 年是我国太阳能光伏产业快速开展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮3。图 1.1 光伏发电设备外观1.2 光伏发电产业的开展趋势及前景展望太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能

15、源消费的重要席位，不但要替代局部常规能源，而且将成为世界能源供给的主体。预计到 2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供给中的占比也将到达 10%以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80%以上，太阳能发电将占到 60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的开展前景及其在能源领域重要的战略地位。在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了开展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导方案意在降低太阳能光伏发电的本钱，使其 2021 年到达商业化竞争

16、的水平；日本也提出了在 2021 年到达 28GW 的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2021规划，规划在 2021 年让光伏发电做到商业化竞争。在开展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高4。根据?可再生能源中长期开展规划?，到 2021 年，我国力争使太阳能发电装机容量到达 1.8GW百万千瓦 ，到 2050 年将到达 600GW百万千瓦 。预计，到 2050 年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的 25%，其中光伏发电装机将占到 5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达 25%以上5。与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要表达在：

17、无枯竭危险；平安可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净无公害；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。发电本钱高。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因

18、为阳光普照大地;光伏系统还具有平安可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板组件、控制器和逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以,光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器,下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源 无处不在。太阳能光伏发电的最根本元件是太阳能电池片，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶

19、电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等6。图 1.2 光伏发电系统示意图1.5 研究内容在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压到达输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电能，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，控制器采用 AT89C52 为控制器，扩展电流、电压等检测接口电路，对蓄电池的充放电进行最优控制，保证蓄电池的使用寿命和充放电效率。同时根据负载需求，使太阳能电池方阵输出功率到达最大功率点。2 设计方案太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光

20、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。一套根本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。下面是各个组成局部的具体分析:1)太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心局部，也是太阳能发电系统中价值最高的局部。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和本钱将直接决定整个系统的质量和本钱。2)太阳能控制器。太阳能控制器在整个光伏发电系统中有着很重要的作用。太阳能控制器的根本作用是为蓄电池提供最正确的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;

21、同时保护蓄电池，防止过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由十天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。3)逆变器。逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电按照要求逆变成 220 伏交流电，供给交流负载使用。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。4)蓄电池(组)。蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当光照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;当光照量小时，这局部储存的能量将逐步放出。5)DC/DC。DC/DC 就是指直流转

22、直流电源。是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。太阳能电池板DC/DC控制器蓄电池逆变器直流负荷交流负荷图 2.1 太阳能光伏发电系统结构框图太阳能电池板电压蓄电池电压电压检测传感器LCD显示屏A/D转换模块单片机控制电路图 2.2 太阳能光伏发电系统检测及显示结构框图太阳能电池板光伏发电是利用半导

23、体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限 制，因为阳光普照大地;光 c 伏系统还具有平安可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并 网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板组件 、控制器和逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精 炼,可靠稳定

24、寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合：上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源 无处不在。太阳能光伏发电的最根本元件是太阳能电池片 ，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系 统和计算器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在 10 至 13%左右，国外同类产品效率约 18 至 23%。由一个或多个太阳能电池 片组成的太阳能电池板称为光伏组件。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广阔无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中 继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备

25、用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这 在兴旺国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2021 年北京奥运会局部用电由太阳能发电和风力发电提供。 图 2.3 太阳能光伏电池板太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速 CPU 微处理器和高精度 A/D 模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得 PV 站的工作信息，又可详细积累 PV 站的历史数据，为评估

26、 PV 系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有 6 个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V .太阳能控制器的功能包括：1. 功率调节功能。2. 通信功能： 1 简单指示功能 2 协议通讯功能 如 RS485 以太网,无线等形式的后台管理。3. 完善的保护功能：电气保护 反接,短路,过流等。图 2.4 太阳能控制器及其外部连接 太阳能交流发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能 太阳能逆变器直流发电系统

27、那么不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按鼓励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用 SPWM 处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。逆变器的首要功能是把输入的 DC 电压转换为一稳定的值。该功能通过升压转换器来实现，并需要升压开关和升压二极管。在第一种结构中，升压级之后是一个隔离的全桥变换器。全桥变压器的作用是提供隔离。输出上的第二个全桥变换器是用来从第一级的全桥变换器的直流 DC 变换成交流 (AC) 电压。其

28、输出再经由额外的双触点继电器开关连接到 AC 电网网络之前被滤波，目的是在故障事件中提供平安隔离及在夜间与供电电网隔离。第二种结构是非隔离方案。其中，AC 交流电压由升压级输出的 DC 电压直接产生。第三种结构利用功率开关和功率二极管的创新型拓扑结构，把升压和 AC 交流产生局部的功能整合在一个专用拓扑中尽管太阳能电池板的转换效率非常低，让逆变器的效率尽可能接近 100% 却非常重要。太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因

29、为其固有的“免维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。图 2.5 蓄电池组太阳能光伏发电系统按照应用的根本形式可分为二大类:独立发电系统(离网太阳能光伏发电系统)、微网光伏发电系统和并网光伏发电系统。未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统称为独立光伏发电系统;与偏远地区独立运行的电网相连接的太阳能光伏发电系统

30、称为微网光伏发电系统;与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统按照系统功能又可以分为两类:不含蓄电池环节的“不可调度式并网光伏发电系统和含有蓄电池组的“可调度式并网光伏发电系统。并网太阳能光伏发电系统的工作原理是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，经过二相逆变器(DC-AC)转换成二相交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网要求的交流电，直接接入公共电网。离网太阳能光伏发电系统是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，通过控制器控制蓄电池、逆变器或 DC/DC 变换器的工作状态。离网光伏发电系统中的直流负载可以直接通过 DC/DC 变换器变换

31、为适宜电压的直流电工作，交流负载那么需要经过离网逆变器逆变后的单相或二相交流电才能使用。太阳能光伏发电系统可以安装在各种不同的地点和场合，而不同的光伏发电系统由于其安装地点、当地气象参数以及负载情况都有所不同。在设计之前，应该首先收集当地的气象参数，在此根底上估算太阳能光伏电池的发电量;然后进行具体的系统设计、模拟仿真、安装可能性判断和施工问题检查等。太阳能光伏发电系统设计的总原那么是在满足负载供电需要的前提下，通过使用最少的太阳能光伏电池板来尽量减少系统的初始投资，防止由于不恰当系统配置导致的投资增加或不能满足负载需求。为了有效的节省线缆本钱、减少发电量在线缆上的损失，大规模光伏电站一般以

32、1MWp 为一个小的发电单元，这个小的光伏发电单元叫做了方阵。每个了方阵由假设十路太阳能电池组件串并联组成(每个太阳能电池组串由假设十个太阳能电池组件串联而成)。光伏组件串经线缆连接进入光伏专用防雷汇流箱，汇流后接入逆变器直流侧进行逆变，逆变后的交流电经由配电柜并入低压电网。对于升压到 10KV 或是 35KV 的系统，需要增加升压装置。此外，根据负荷及不同用户对电能质量要求不同，有的还需要增加无功补偿装置及电力监测装置。在太阳能电池阵列子方阵设计时，应遵循以下原那么：太阳能电池板串联形成的组串，其输出电压的变化范围必须在逆变器正常工作的允许输入电压范围内。每个子方阵的总功率应不超过逆变器的最

33、大允许输入功率。太阳能电池板串联后，其最高输出电压不允许超过太阳电池组件自身要求的最高允许系统电压。各太阳能电池板至逆变器的直流局部通路应尽可能短，以减少直流损耗。3 硬件设计3.1 光伏电池1标准测试条件下太阳能电池的输出特性光伏电池的输出特性是指在一定的温度和日照强度条件下，光伏电池所呈现的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，通常简称为 I-U 特性曲线。由于电池温度、日照强度等因素都会对光伏电池的特性产生影响，因此，在测试光伏电池性能时，需要定义标准测试条件。我国应用的标准测试条件为：日照强 1000W/m2，电池温度为 25，太阳辐射光谱为 AM1.5。标准测试条件下的光伏电

34、池 I-U 和 P-U 输出特性曲线如以下图所示。510152025303540000.511.522.533.51224364860720 84PmImIscUmUocI(A)P(W)U(V)图 3.1 光伏发电输出特性其中各参数定义如下：开路电压(UOC)：标准条件下所能输出的最大电压；最大功率点电压(Um)：标准条件下最大功率点的电压；短路电流(ISC)：标准条件下所能输出的最大电流；最大功率点电流 Im)：标准条件下最大功率点的电流；最大功率点功率(Pm)：标准条件下输出最大功率。*mmmPIU由图 3.2 可以看出：光伏电池既不是恒流源也不是恒压源。但是，当光伏电池输出电压较小时，随

35、着电压的变化，输出电流的变化很小，光伏电池近似为一个恒流源；当光伏电池输出电压超过 Um时，输出电流急剧下降，光伏电池又可以近似为一恒压源。在光照强度和电池温度一定时有唯一的最大输出功率点 Pm(其左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段)。2日照强度和温度对光伏电池输出特性的影响光伏电池的 I-U 特性曲线与日照强度和电池温度有关。图 3.3 是温度一定时，日照强度分别为200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2时太阳能光伏电池的输出特性曲线。可以看出，当温度一定时，光伏电池短路电流 Isc 随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比；开路电压随日照强度的

36、增加略有增加，但增加幅度很小。2200/Wm2400/Wm2600/Wm2800/Wm21000/WmI(A)U(V)图 3.2 温度一定时日照强度对输出特性的影响图 3.4 是日照强度一定，不同电池温度时，光伏电池的输出特性曲线。可以看出，随着电池温度的升高，光伏电池的短路电流 Isc略微增加，而光伏电池开路电压降低。I(A)V(V)25 C35 C45 C图 3.3 日照强度一定时温度对输出特性的影响3.1.2 最大功率点跟踪为追踪光伏系统的最大功率点，我们在参考国内外经验和方法的根底上，依据太阳能电池的输出特性，得出以下最大功率点的追踪方法。并选用导纳微增法。（1） 恒定电压追踪法图 1

37、 为太阳能电池的 U-I 曲线图,其中曲线 L 为负载特性曲线,它与伏安特性曲线的交点(A,B,C,D,E)即为光伏阵列的工作点2。如果最大限度地提高光伏阵列的发电效率,从电路的匹配角度看,就需要一个阻抗变换器。为了实现这一阻抗变化,即设法将光伏阵列的工作点移至光伏阵列伏安特性曲线的最大功率点 A,B,C,D,E。对于大多数太阳电池组件来说,温度保持固定值时,最大功率点根本在一根垂线的两侧,即在开路电压的(782)%处。这样就可以把最大功率跟踪器简化为一个稳压器,来实现最大功率点的跟踪。但此法忽略了温度对开路电压的影响。以常规单晶硅太阳能电池而言,每当环境温度升高 1时,其开路电压下降率约为

38、0.35%0.45%。该方法的优点是系统工作电压稳定性较好，而且控制简单，易于实现。该方法也有明显的缺点，其最大功率点跟踪精度差，当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差，系统工作电压的设置对系统工作效率影响大。但这个因温度的变化而带来的能耗不容无视,然而,这个问题却是恒定电压追踪法无法克服的。输 出 电 流I/A输出电压U/V21000/W m2800/W m2600/W m2400/W m2200/W mLABCDEABCDEmUPmax（2）干扰观察法通过改变光伏电池阵列的输出电压，并实时采样输出电压和电流，计算输出功率，然后与前一次所得的功率相比拟。如果大了，说明扰动方向是正

39、确的，维持原来的方向；如果比原来的功率小了，说明输出功率降低了，应使光伏电池的输出电压减少，如此反复的扰动、观察比拟，使光伏电池阵列最终工作在最大功率点上。具体的方法是，在逆变器开始工作前,测定其开路电压,取开路电压的(782)%处作为逆变器开始工作的跟踪电压 Uref,这样逆变器开始工作就在最大功率点附近。当逆变器工作点稳定之后,给系统一个电压扰动U,假设此时逆变器输出功率的变化为P,根据 P-U 特性曲线图(图 2)可知,当P/U=0,系统运行在最大功率点;当P/U0,系统运行在最大功率左边;当P/UP old保持扰动方向改变扰动方向P old=P new（3） 电导增量法电导增量法Inc

40、remental Conductance是最大功率点跟踪控制中常用的算法之一11。通过比拟光伏阵列的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪。从图 3.1 可以看出光伏电池特征，在最大功率点处的斜率为零，所以有： 3-(1)maxPUI 3-(2)0dPdIIUdUdU 3-(3)dIIdUU 从 3-(1)式可以看出，是电导的变化量，而是输出电导，当两者得数相反时，dIdUIU光伏阵列运行在最大功率点上。电导增量法的程序流程图如下图。Un、In为检测到光伏阵列当前电压、电流值，Un-1，In-1为上一控制周期的采样值。读进新值后先计算电压之差，判断 dU 是否为零(因后面做除法时分母不得为零

41、)；假设不为零，再判断式 4-(1)是否成立，如果成立那么表示功率曲线斜率为零，到达最大功率点；假设电导变化量大于负电导值，那么表示功率曲线斜率为正，Ur值将增加；反之 Ur将减少。再来讨论电压差值为零的情况，这时可以暂不处理 Ur，进行下一个周期的检测，直到检测到电压差值不为零。电导增量法优缺点的分析增量电导法的优点是：控制效果好，控制稳定度高。在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且当系统到达稳态时，其电压振荡比拟小。增量电导法的缺点：控制算法较复杂，对控制系统硬件要求较高。光伏电池阵列可能在局部存在一个最大功率点，从而导致系统稳定在这个局部的最大功率点上

42、；增量电导法步长的变化也是固定的，这一点和干扰观察法很相似。步长过小的话，跟踪速度过于缓慢，而步长太大，又会加剧系统的振荡，跟踪的精度会受到很大的影响。电导增量法另一个缺点就是对硬件的要求较高，要求系统各局部的响应速度要快，同时要求传感器的精度要高。由于其控制算法的复杂，这样 A/D 转换就增加了难度，在MPPT 的过程中，花费的时间就会增多，需要采用高速的微处理器来实现对跟踪控制系统的实时跟踪。开始dU=Un-UbdI=In-Ib读入Un,InDu=0dI/dU=-In/UndI/dU-In/UnUr=Ur+UUr=Ur-UUb=UnIb=In返回YYNNYN3.2 关于蓄电池的研究鉴于负载

43、特点和小型户用光伏发电系统的特点，系统选用阀控式密封免维护铅酸蓄电池Valve Regulated Lead-Acid Battery, VRLA作为储能元件。它与传统的蓄电池相比容量大、价格低廉、寿命长、免维护、自放电率低，在使用、维护和管理上有着明显的优点。3.2.1 VRLA 的工作原理1电动势的产生：铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅PbO2，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅PbOH2，氢氧根离子在溶液中，铅离子Pb留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅Pb，与电解液中的硫酸H2SO2发生反响，变成铅离子Pb+2，铅离子

44、转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子2e。 可见，在未接通外电路时电池开路，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。2放电过程的电化反响：A铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 I ，同时在电池内部进行化学反响。B负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子Pb+2与电解液中的硫酸根离子SO4-2反响，在极板上生成难溶的硫酸铅PbSO4。C正极板的铅离子Pb+4得到来自负极的两个电子2e后，变成二价铅离子Pb+2与电解液中的硫酸根离子SO4-2反响，在极板上生成难溶的硫酸铅PbSO4

45、。正极板水解出的氧离子O2与电解液中的氢离子H+反响，生成稳定物质水. D电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。E放电时 H2SO4 浓度不断下降，正负极上的硫酸铅PbSO2增加，电池内阻增大硫酸铅不导电，电解液浓度下降，电池电动势降低。化学反响式为： 3-422442222PbOH SOPbPbSOH O（4） 充电的过程和放电的过程相反。3.2.2 VRLA 的充电控制方法 本文采取三段式充电方式：三段式充电法的充电电压、电流曲线,如图 2 所示。它根据充电可接受电流曲线,将充电过程分为 3 个阶段:(1

46、)恒流充电阶段(t0t1)。以恒定电流充电,充电过程中随着蓄电池电压的变化调整电流使之恒定不变,能缩短充电时间。(2)恒压充电阶段(t1t2)。经恒流充电后,改用恒定的电压对电池充电,能够保证充电电流自动减小,防止气体的析出。(3)涓流充电阶段(t2t3)。经恒压充电后,蓄电池容量根本到达额定容量,此后改用小电流充电,以弥补蓄电池的自放电。充充电电电电流流（A）充电电压（V）14.5V13.8V恒压充电浮充恒流充电5A充电时间/t充电电流曲线充电电压曲线03.2.3 影响电池容量的因素1放电电流对容量的影响。根据蓄电池放电原理可知，在大电流放电的情况下，蓄电池正负极板外表上的活性物质的空隙会被

47、生成的硫酸铅堵塞，这样外部的硫酸就难以渗入孔隙，而极板内层的活性物质不能参加化学反响，因此放电电流越大，那么放电的时间就会越短，蓄电池的容量就越小。2电解液的密度对容量的影响。适当的加大电解液的密度，可以提高蓄电池电解液的渗透速度的蓄电池的电动势，延长了蓄电池的放电时间，从而提高了蓄电池的容量。但是，当蓄电池电解液的密度过大时，电解液的粘度也增大，使电解液的渗透速度降低，内阻增大，蓄电池容量减小。综合考虑电解液密度对容量的影响，电解液的密度选在之间较为适宜。3电解液温度对容量的影响。由于解液的温度降低时,其粘度增加,这样渗入极板内部比拟困难，极板内的活性物质化学反响速度减慢,从而使蓄电池容量减

48、小。同时由于电解液粘度增大，电阻也增大，这样就增加了蓄电池的内阻，增加的内阻消耗了一定的电动势，蓄电池端电压降低，因此蓄电池容量减小。3.3 AT89C52 单片机3.3.1 AT89C52 原理简介AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器RAM ，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52 为 8

49、 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部存放器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL119 脚和 XTAL218 脚为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd9 脚为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC40 脚和 VSS20 脚为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，

50、P0 端口3239 脚被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS18 脚和 SCLS19 脚端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST939383736353433321234567810111213141716152821222324252627图 3.9 AT89C52 管脚分布3.3.2 外加电源与

51、重置电路AT89C52 的工作电压为 5V，其晶振的震动频率为 11.0592M ,按下 Reset 后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR

52、16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427X211.0592MC620pfC720pfR1810kC8220nR1910kR2010k外加电源与重置电路3.3.3 输入与输出接口P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址低 8 位和数据总线复用，在访问期间

53、激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与 AT89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入P1.0/T2和输入P1.1/T2EX ，Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址。P2

54、 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器例如执行 MOVX DPTR 指令时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器如执行MOVX RI 指令时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8

55、位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流IIL 。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。3.3.4 指令简介AT89C51 常用的语言有汇编语言与 C 语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比拟接近处理器真正动作模式；而 C 语言是比拟符合人们的 使用习惯，事先将汇编语言组合成 C 语言形式，使用较为方便，但是 C 语言所

56、组译的机器码程序通常比拟大，且组译软件通常需要额外购置。以下简介汇编语言相关指令与一套 C 语言组译软件。3.4 控制电路设计3.4.1 总体设计方案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。一套根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。在几个组成局部中，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以下图所示。控制器的核心是PIC16F87

57、7单片机。该单片机内置的各种转换和驱动模块可免接大局部的外围电路，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。对处在遥远地区，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。电源与复位模块太阳能电池电压、电流采样模块蓄电池电压、电流采样模块AT89C52 单片机输出驱动模块充电控制放电控制显示模块时钟电路模块太阳能电池温度采集模块图 3.11 控制器结构框图3.4.2 电压采样模块和电流采样模块表表 5.1 传感器具体参数传感器具体参数电压传感器电流传感器型 号CHV25P 型DT-10P 型测量范围10500V020A额定电流25mA

58、10A频率范围0100kHz0100kHz电 源15V0.515V响应时间40us低于 1 us线 性 度0.20.2原边内阻250副边内阻11015匝 数 比2500：10001：500本文中采用的霍尔电压传感器为 CHV25P/50 型电压传感器，其中测量范围为-75V+75V，输出电压为-5V+5V。完全用于电压测量时，传感器并联连接，通过与模块原边电路的电阻 R 得到与测量电压成比例的电流。为了保证霍尔元件工作在最正确精度范围内，应尽量使输入电阻 R 的数值同额定电压以及原边电流对应。所选用的传感器外形特性如下图。其中两个原边端子：被测电压输入端，被测电压输入端。副边端子：端，电源15

59、V，M 端，信号输出端。 HT CHV -25P MHT RpUmR +15V-15VOUTmI 公共地本文中选用的电流传感器为 DT-10P 型电流传感器，传感器有三个接线端子：端；电源15V；电源15V；M 端；信号输出端。如下图: mR +15V-15VOUTmI 公共地pI 被测电流采用集成式温度传感器 AD590 采集蓄电池温度。具体电路如以下图所示。VCCR211k5R2222KR241kD21+7V32184LM358R231KR2625KR271KR281MR251KD22+3VUoAD590-15V对于传感器 AD590，假设采集的温度为 T，那么流过传感器的电流为：Ir=A

60、T，A 为转换系数，通常 A 为 1A/K；LM358 芯片的同相输入端电压为：up=IrR28，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。3.4.4 充放电模块表表 5.2 继电器具体参数继电器具体参数参数数值标准包装25系列T7N继电器类型通用线圈类型无锁存线圈电流线圈电压48VDC触点形式SPDT1 C 型触点额定值电流10A切换电压240VAC，28VDC - 最小值关闭电压最大33.6 VDC关闭电压最小4.8 VDC安装类型通孔端接类型PC 引脚参数数值触点材