李雙雙，曾　野，陸　寅

(安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽合肥　230601)

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載組成[1]。其中太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池，控制電路和蓄電池。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用的多晶硅電池板額定功率為100 W，蓄電池為6節(jié)串聯(lián)鉛酸蓄電池，其電壓范圍為10．8～13．8 V．

2　光伏發(fā)電系統(tǒng)

2．1太陽(yáng)能電池的輸出特性

多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽(yáng)能電池，約為12%，且受溫度影響較大，呈負(fù)溫度特性。其基本參數(shù)包括開(kāi)路電壓、短路電流、工作電壓等[2]。當(dāng)太陽(yáng)能電池工作時(shí)，在光照一定的條件下，接入的負(fù)載變化時(shí)，太陽(yáng)能輸出的功率是變化的。因此在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，控制器基本都具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，以提高太陽(yáng)能的利用率。在系統(tǒng)中加入最大功率點(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié)。只要光照達(dá)到一定程度時(shí)，太陽(yáng)能電池的電壓高于蓄電池的電壓，太陽(yáng)能電池便可對(duì)蓄電池充電。

2．2鉛酸蓄電池特點(diǎn)

鉛酸蓄電池單體的標(biāo)稱(chēng)電壓為2 V，電壓范圍為1．8～2．3 V，理想工作溫度為25 ℃，每變化1 ℃每個(gè)單體增減0．005 V．當(dāng)單節(jié)蓄電池電壓低于1．8 V時(shí)，稱(chēng)為過(guò)放電。此時(shí)應(yīng)及時(shí)充電，否則會(huì)導(dǎo)致電池極板硫化，電池容量減小，甚至電池失效，且此過(guò)程是不可逆的[3]。當(dāng)單節(jié)蓄電池電壓高于2．3 V時(shí)，稱(chēng)為過(guò)充電。這時(shí)如果再對(duì)其充電，則其內(nèi)部的水被電解，也會(huì)導(dǎo)致其容量減小。長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致蓄電池中的電解液干涸而使蓄電池失效。鉛酸蓄電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，因此很適合用于輸出功率不穩(wěn)定的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

2．3控制模塊

控制電路部分為2個(gè)部分，充放電控制模塊和發(fā)電量計(jì)量模塊。該控制電路主要有以下功能：

(1)完成太陽(yáng)能電池對(duì)鉛酸蓄電池的充電；

(2)對(duì)于蓄電池有過(guò)放、過(guò)充電保護(hù)功能；

(3)對(duì)發(fā)電量計(jì)量并顯示。

控制電路框圖如圖2所示。

圖2　控制電路框圖

2．3．1太陽(yáng)能充電主控電路

根據(jù)鉛酸蓄電池的充放電特點(diǎn)及為了保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)對(duì)鉛酸蓄電池的充放電過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)密的設(shè)計(jì)。蓄電池充電控制主電路如圖3所示。

圖3　蓄電池充電控制主電路

太陽(yáng)能電池通過(guò)二極管MBR20100和MOSFET IRF4905對(duì)蓄電池供電，二極管的單向?qū)щ娦钥梢员ＷC太陽(yáng)能電池的電壓低于蓄電池電壓時(shí)蓄電池不會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池反向充電[4]。在有光照且蓄電池沒(méi)有充滿(mǎn)的情況下，采用最大功率控制環(huán)節(jié)對(duì)蓄電池充電。電池充滿(mǎn)電后，利用ATmega88產(chǎn)生的PWM波控制Q1的開(kāi)通關(guān)斷，以防止蓄電池過(guò)充。IRF4905的Vds最大55 V，漏極電流最大-74 A，MBR20100額定電流為20 A，反向耐壓高達(dá)100 V完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。由于通過(guò)電流較大，二極管一側(cè)要加散熱器。蓄電池充放電流程圖如圖4所示。

圖4　蓄電池充放電流程圖

當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入低功耗模式時(shí)采用掉電模式，看門(mén)狗電路每2 s進(jìn)行1次喚醒，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

2．3．2光伏發(fā)電計(jì)量模塊

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電量計(jì)算公式為：發(fā)電量=傾斜面接受的太陽(yáng)能輻射量(kWh/ m2/day)×有效面積(m2)×組件轉(zhuǎn)換率×系統(tǒng)效率×?xí)r間。其中，系統(tǒng)效率要考慮：溫度系數(shù)、線(xiàn)路損失、灰塵因子等。因此，采用傳統(tǒng)公式計(jì)算既不可靠又要附加太陽(yáng)輻射量的計(jì)算，可實(shí)施性較差。

系統(tǒng)采用ATmega88單片機(jī)作為控制電路的MCU，該單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，有ADC、PWM等模塊[5]，因此無(wú)需外部擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的電路控制。MCU輸出的同步采樣信號(hào)直接送至電量計(jì)算模塊，啟動(dòng)電量計(jì)量模塊的控制狀態(tài)機(jī)輸出控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)電壓和電流信號(hào)的采樣，并加以計(jì)算發(fā)電量。數(shù)碼管用來(lái)顯示當(dāng)前太陽(yáng)能電池發(fā)出的功率，及顯示時(shí)間內(nèi)發(fā)出并存于蓄電池中的電能。

在太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電控制電路(圖3)中，PV+=PVI+，I=(PVI+-PVI-)/R1，當(dāng)前功率P=PV×I．采用單片機(jī)定時(shí)器2每10 ms產(chǎn)生1次中斷，采集PVI+和PVI-，即可計(jì)算當(dāng)前功率P．與間隔時(shí)間相乘然后進(jìn)行疊加即可得出發(fā)電量。中斷流程圖如圖5所示。

圖5　中斷流程圖

對(duì)發(fā)電量進(jìn)行疊加之后，送人EEPROM。由單片機(jī)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，再送入數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

2．4單片機(jī)供電電源

由于該系統(tǒng)采用6節(jié)蓄電池，總電壓最高可達(dá)到13．8 V．Atmega88的供電電壓為5 V，所以需要電壓轉(zhuǎn)換電路。該系統(tǒng)采用LM2576-5為Atmega88供電。供電電路圖如圖6所示。

圖6　Atmega88供電電路圖

3　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)正常。測(cè)試時(shí)期處于秋季，平均光照時(shí)間為4．3 h，平均日發(fā)電量為305 Wh．由于器件限制，系統(tǒng)功率不能達(dá)到較大的范圍，若將功率轉(zhuǎn)換器件的容量增大，適當(dāng)修改軟件中的參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)大功率太陽(yáng)能發(fā)電的電能計(jì)量與控制，可以應(yīng)用于光伏電站。參考文獻(xiàn)：

[1]盧琳，殳國(guó)華，張仕文．基于MPPT的智能太陽(yáng)能充電系統(tǒng)研究．電力電子技術(shù)，2007，41(2)：96-98．

[2]趙爭(zhēng)鳴．太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，2005．

[3]金曉東．閥控式鉛酸蓄電池在分布式發(fā)電中的應(yīng)用：[學(xué)位論文]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008．

[4]王兆安，黃俊，電力電子技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社.第4版.2007：100-108，150-169．

[5]馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根．ATmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)．北京：清華大學(xué)出版社，2003．

[6]趙庚申，王慶章，郭天勇，等．基于FPGA的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)潮流分析及電量雙向計(jì)量的研究．南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(3)：22-28．