楊艷玲，蘇 珊

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西柳州 545005；2.廣西科技大學(xué)電氣與信息學(xué)院，廣西柳州 545006）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，我國自九十年代以來,能源供應(yīng)和需求之間的矛盾日益增加，從確保長期能源供應(yīng),或從環(huán)保的角度出發(fā),發(fā)展無污染、取之不盡的新能源,已經(jīng)勢在必行。太陽能是資源豐富的可再生能源,具有獨(dú)特的優(yōu)勢和開發(fā)利用的巨大潛力。太陽能光伏發(fā)電因具有清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點(diǎn),成為太陽能利用中的一個(gè)重要技術(shù)，并逐步顯示出其無比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。太陽能光伏發(fā)電已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究和工業(yè)界應(yīng)用的熱點(diǎn)[1]。小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村太陽能利用具有巨大的應(yīng)用背景，基于這個(gè)理念，本論文針對基于UC3906與單片機(jī)結(jié)合的光伏發(fā)電小系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為太陽能發(fā)電的利用提供思路。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)整體方案

太陽能電池交流發(fā)電系統(tǒng)由單晶硅太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載組成，太陽能電池通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)將光能量轉(zhuǎn)換成直流電能。在這個(gè)過程中直流電能在充放電控制器的控制下對蓄電池的進(jìn)行充放電，充放電控制器中的單片機(jī)對電池電壓、輸出電流進(jìn)行測量，送給液晶LCD1602顯示，并且控制著蓄電池的過放，過流保護(hù)以及過放、過流恢復(fù)。從蓄電池出來的直流電流通過逆變器和工頻變壓器得到220V±10V、50±5HZ的交流電，為負(fù)載供電[2]。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 充放電控制器

充放電控制器采用專用蓄電池充電控制芯片UC3906與單片機(jī)相結(jié)合，單片機(jī)選用STC12C5410，利用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對電池電壓和輸出電流進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)過放、過流現(xiàn)象時(shí)，STC12C5410AD控制輸出繼電器關(guān)閉，從而保護(hù)蓄電池，當(dāng)電池電壓和輸出電流恢復(fù)正常時(shí)，才重新啟動輸出繼電器[3] [4]。完整的充放電控制器電路原理圖如圖2所示。電路圖中的D6可以防止太陽能電池板反接，D1是蓄電池電流反向流入U(xiǎn)C3906充電電路，降低損耗。指示燈D17是蓄電池反接提示，保險(xiǎn)絲F2作用于蓄電池短路保護(hù)。

電路的工作原理：剛開始充電時(shí)，電池電壓較低，太陽能電池板受足夠的光照時(shí)，輸入指示燈亮，開始以大電流maxI 充電，充電最大電流由充電電流采樣電阻46R 決定，隨著充電的進(jìn)行，電池電壓慢慢上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到過充電電壓OCV 的95%時(shí)，充電電壓維持在過充電電壓，充電電流下降。當(dāng)充電電流達(dá)到過充電終止電流OCI 時(shí)，電壓比較器lm393輸出低電平，充滿指示燈亮，蓄電池輸入浮充狀態(tài)[5]。

圖2 充放電控制器電路

2.2 蓄電池的參數(shù)計(jì)算

蓄電池采用12V/9AH的免維護(hù)鉛酸蓄電池，在軟件程序設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)是浮充電壓、過充電壓 VOC、過放電壓、充放電電流。常溫下 Vref為2.3V[6]，通常取浮充電壓 Vf=14.5V，過充電壓VOC=15V，因太陽能電池最大輸出電流為0.64A，設(shè)定最大充電電流 Imax為1 A左右，過放電壓為10.8V，過放恢復(fù)電壓為12V，過流電流為6A，。

參數(shù)計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算后取 R51=20K，R56=20K，R54=384K，R46=0.22歐，RP2=100（K可調(diào)電阻），最大充電電流Imax=1.13 A，過充電終止電流 IOC=113mA。

2.3 逆變器

逆變器由集成正弦波脈寬調(diào)制波SPWM逆變芯片EG8010、IR2110驅(qū)動電路、全橋逆變電路、工頻變壓器構(gòu)成[7] [8]。

集成SPWM逆變芯片EG8010的外圍接口進(jìn)行連接使用短路帽，設(shè)置各種參數(shù)，正弦波輸出頻率為50HZ，采用單極性調(diào)制方式，輸出的四路驅(qū)動信號中，SPWM芯片OUT3、OUT4作SPWM調(diào)制波輸出， OUT1、OUT2作基波輸出，死區(qū)時(shí)間為300ns，軟啟動響應(yīng)時(shí)間為3秒，輸出電壓反饋通過分壓電阻采樣輸出交流電壓，送給引腳13（Vfb）,與內(nèi)部的3V基準(zhǔn)電壓對比，調(diào)節(jié)輸出交流電壓大小，過流保護(hù)則由采樣電阻R34控制EG8010輸出實(shí)現(xiàn)保護(hù)。全橋逆變電路中選用的開關(guān)管型號為IRF3205，內(nèi)阻僅為13毫歐，降低了開關(guān)管自身損耗，耐壓值為55V，電流達(dá)110A。工頻變壓器在電路中有兩個(gè)作用，一是升壓變壓器，二是輸出濾波電感L，并且輸出濾波電容C，構(gòu)成LC濾波電路[1]， L為1～4mH,C為2uF左右。完整的逆變器電路圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

利用STC12C5410內(nèi)置的兩路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別檢測蓄電池實(shí)時(shí)電壓和充放電控制器放電電流，一方面根據(jù)檢測結(jié)果實(shí)施各種保護(hù)、提示操作，另一方面實(shí)時(shí)顯示蓄電池實(shí)時(shí)電壓和放電電流。系統(tǒng)程序框圖如圖4所示。

4 測量及結(jié)果分析

4.1 充放電控制器參數(shù)

對充放電控制器進(jìn)行測量，在光照強(qiáng)度越強(qiáng)的情況下，太陽能電池輸出功率越高。系統(tǒng)的充電效率較高，達(dá)80%以上,見表1。各參數(shù)的誤差都很小，但最大充電電流的偏差很大，偏差來源主要來自采樣電阻的誤差，因?yàn)樗瞧胀ǖ奶寄る娮瑁`差范圍大，阻值受溫度影響很大。不充放電狀態(tài)下，充放電控制器的靜態(tài)損耗主要來源于單片機(jī)上。

表1 充放電控制器的數(shù)據(jù)測量

表2 充放電控制器參數(shù)

4.2 檢測逆變器參數(shù)與功能

表3 不同負(fù)載條件下逆變器的各種參數(shù)

由表3中的數(shù)據(jù)可總結(jié)以下結(jié)果：（1）逆變器的輸出波形為純正弦波，不同負(fù)載下波形穩(wěn)定，沒有發(fā)生畸變，頻率穩(wěn)定度高，變化量為0.1HZ，高于50±5HZ，但電壓下降幅度偏大；（2）隨著負(fù)載量的加大，逆變轉(zhuǎn)換效率增高，頻率穩(wěn)定，波形畸變小，但是輸出電壓下降幅度過大。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電小型系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)具有過壓、過放、反接、短路等多種保護(hù)功能，并能實(shí)時(shí)顯示蓄電池的電壓、放電電流值，逆變輸出的正弦波交流電波形畸變小，電壓、頻率穩(wěn)定，逆變效率接近50%。充放電控制器具備對蓄電池的過充、過放保護(hù)及恢復(fù)功能，充放電各狀態(tài)對應(yīng)的指示功能或者報(bào)警提示，充放電控制器各種功能均正常。

[1] 楊金煥,于化叢,葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[2] 曾葉凡,劉志鋒,張愛平.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化,2008,30(4)：72-75

[3] 趙志強(qiáng),穆桂霞,趙雙喜,張雄.新型太陽能逆變控制器研制[J].電力自動化設(shè)備,2006(8)：92-94

[4] Li Tianze;Lu Hengwei;Jiang Chuan;Hou Luan;Zhang Xia Application and design of solar photovoltaic system[J]; Journal of Physics： Conference Series;2011 , 276 (1)

[5] F. Steffens .Solar energy： battery energy storage control[J]Journal of Power Sources 1991, (.35)1：1-20

[6] 李兵.基于UC3906的免維護(hù)鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[7] Chihchiang Hua;Jongrong Lin.Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking [ J] .Industrial Electronics, IEEE Transactions on.1998, 45(1)： 99-107

[8] 張艷紅,張崇巍,呂紹勤,張興,林閩.新型太陽能控制器的研制[J].節(jié)能,2006(2)：30-32