張均營(yíng)，周一夫

(北京化工大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京 100029)

近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，環(huán)保問題和資源危機(jī)日益顯露。煤炭、石油、天然氣等能源的消耗水平也到了歷史的頂峰，其產(chǎn)能過(guò)程中所生成的有害物質(zhì)對(duì)人類的生存造成了極大的威脅。縱觀世界石化能源儲(chǔ)量，若繼續(xù)以現(xiàn)有消耗速度計(jì)算，只能維持不足五十年，煤炭資源也不過(guò)兩百年[1]。在這一背景下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。作為一種較好的太陽(yáng)能利用方式，加之科技發(fā)展，其效率在不斷提高。光伏電池作為目前主流的太陽(yáng)能利用裝置，其研究意義不言而喻。然而，其極易受到環(huán)境的干擾，溫度、光強(qiáng)、濕度等因素皆會(huì)造成其工作功率的變化，輸出具有明顯的非線性特性。為了解決這一問題，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率最大化，設(shè)計(jì)一種具有實(shí)用控制系統(tǒng)的電路模型顯得尤為重要。在實(shí)際太陽(yáng)能發(fā)電陣列應(yīng)用中，當(dāng)光垂直入射發(fā)電陣列平面時(shí)，太陽(yáng)能電池能獲得最大功率。但是，一天之中太陽(yáng)入射角度在不斷變化。采用光線跟蹤技術(shù)，模仿向日葵的工作原理，通過(guò)外置轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，使發(fā)電平面始終與入射角度保持垂直，以此來(lái)獲得最大的發(fā)電功率，這種方法一定程度上提高了太陽(yáng)能發(fā)電陣列的工作效率。實(shí)踐表明，采用這種方法之后，可以使平均輸出能量提高30%[2]。而且由于外置轉(zhuǎn)動(dòng)軸承所需的能量基本維持在百瓦數(shù)量級(jí)[3]，隨著發(fā)電瓦數(shù)的提高，這個(gè)輸出提高效率還將增大。這種方法本身就需要消耗能量，且隨著使用時(shí)間的增加，軸承的磨損會(huì)導(dǎo)致使用問題，若是整套更換，是十分麻煩的，所以這種方法并不是最優(yōu)解。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)(Maximum Power Point Tracking)的核心點(diǎn)是最大功率點(diǎn)(MPP)，MPP是IV曲線的彎曲點(diǎn)，太陽(yáng)能電池在此處傳遞最高的電功率[4]。MPPT充電控制器是一種調(diào)節(jié)器，旨在使儲(chǔ)能器件保持峰值充電狀態(tài)而不會(huì)過(guò)度充電[5]。簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)改變控制器的工作條件，使得等效電阻的特性曲線與光伏電池的特性曲線的最大功率點(diǎn)相交，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即讓光伏電池的工作點(diǎn)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，便可以使系統(tǒng)以期望的功率值運(yùn)行，且適用于絕大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種光伏控制電路，使光伏電池能夠保持最大功率進(jìn)行穩(wěn)定的輸出。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、調(diào)試等過(guò)程，使該電路具有較高的實(shí)用性、穩(wěn)定性。該系統(tǒng)將主要包含：光伏發(fā)電模塊、MPPT控制電路、DC-DC電壓調(diào)控模塊、嵌入式系統(tǒng)。光伏發(fā)電模塊是通過(guò)光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。在電路模型中，在外部環(huán)境保持不變時(shí)，它可以被視為一個(gè)恒定電流源。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于外部環(huán)境(溫度、光強(qiáng)等)的變化，光伏電池的電壓受到光照強(qiáng)度的影響，電流受到溫度的影響，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)不能一直以期望的功率值運(yùn)行[6]。其中一種解決方式是通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置，實(shí)時(shí)改動(dòng)光伏電池的表面朝向，使其適應(yīng)太陽(yáng)入射角的變化。這種方式下，系統(tǒng)將會(huì)有相當(dāng)高的不穩(wěn)定性。并且，這種解決方案本身就是需要消耗一定能量的，并不是絕大多數(shù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的最佳方案。本研究引入MPPT算法，實(shí)時(shí)改變控制器的PWM占空比，使得等效電阻的特性曲線與光伏電池的特性曲線的最大功率點(diǎn)相交，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即讓光伏電池的工作點(diǎn)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)以期望的功率值運(yùn)行，且適用于絕大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)[7]。嵌入式系統(tǒng)的使用，主要是利用其高度集成、體積微小、可以執(zhí)行復(fù)雜算法的特性，在本系統(tǒng)中起到MPPT算法執(zhí)行者、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳遞裝置的作用。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1為本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案示意圖。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案示意圖

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種MPPT控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，算法采用了電導(dǎo)增量法(INC)方案。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用STC15W408AS作為控制電路的處理器。

1.1.1 主體控制電路設(shè)計(jì)

作為核心處理器，STC15W408AS主要在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電流和電壓的采樣，通過(guò)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊后變?yōu)閿?shù)字量，進(jìn)入MPPT算法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)其執(zhí)行MPPT算法的結(jié)果，從輸出口輸出PWM波，控制DC/DC電路，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。實(shí)時(shí)處理記錄系統(tǒng)各部件的工作情況，傳輸給LCD顯示模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。圖2為以STC15W408AS作為處理器的主體電路框架。

圖2 主體電路框架

1.1.2 主體電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，主體電路基本框架由BUCK式DC/DC電路、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、輔助功能電路組成。

圖3 主體電路設(shè)計(jì)

1.1.3 采樣電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的STC15W408AS內(nèi)置八路AD模塊，因此不需要額外接入AD采樣芯片。采樣電路總共用到其中4路AD，分為四條支路獨(dú)立運(yùn)行。ADC1：輸入電壓VCC采樣，接入單片機(jī)引腳P1.6，AD采樣第六通道。

1.1.4 顯示電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用的LCD顯示模塊大小為12864，通信方式為串行，只需要一根數(shù)據(jù)傳輸線就可以在單片機(jī)與屏幕之間傳輸數(shù)據(jù)。屏幕采用電源電路中3.3 V的VMCU供電，亮度調(diào)節(jié)端口LED采用固定阻值直連。CLK/CS/RST/RS等引腳按要求直連入單片機(jī)I/O口，數(shù)據(jù)傳輸線SDA接入I2C通信接口(P3.4)，構(gòu)成正確的片間通信，實(shí)現(xiàn)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能。

圖4 顯示電路設(shè)計(jì)

1.2 軟件代碼設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)涉及的軟件代碼的主要設(shè)計(jì)分為三部分進(jìn)行，分別是主程序設(shè)計(jì)、MPPT算法設(shè)計(jì)、LCD顯示設(shè)計(jì)，主程序設(shè)計(jì)是軟件代碼設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的核心，其作用是統(tǒng)籌執(zhí)行各環(huán)節(jié)，使MPPT算法順利執(zhí)行，并在LCD中顯示出來(lái)。

1.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的流程圖如圖5所示。通電后，主程序開始執(zhí)行，首先初始化顯示屏模塊寄存器，然后將顯示屏原有顯示數(shù)據(jù)清屏，將PWM和ADC模塊初始化以后，開始接受采樣電路各工作點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，交予MPPT算法函數(shù)執(zhí)行，最后讀取執(zhí)行過(guò)程中各工作點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，與LCD產(chǎn)生通信，交予LCD顯示，完成控制任務(wù)后，若沒錯(cuò)誤，主程序進(jìn)入循環(huán)。

圖5 主程序設(shè)計(jì)流程圖

1.2.2 MPPT算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的MPPT算法為電導(dǎo)增量法，需對(duì)輸出電壓V和輸出電流I進(jìn)行采樣計(jì)算。程序框圖如圖6所示，當(dāng)主程序運(yùn)行進(jìn)入到MPPT算法模塊，MPPT函數(shù)被調(diào)用，ADC通道打開，V和I被一次采樣，下一時(shí)刻V和I被進(jìn)行第二次采樣，然后與上一時(shí)刻的V/I數(shù)據(jù)比較得到增量ΔV和ΔI，根據(jù)電導(dǎo)增量法原理中提到的相關(guān)計(jì)算方法，交予單片機(jī)計(jì)算，得到功率增量ΔP。

圖6 MPPT算法流程圖

1.2.3 LCD顯示設(shè)計(jì)

LCD顯示設(shè)計(jì)程序框圖如圖7所示，當(dāng)LCD顯示函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候，首先讀取管腳參數(shù)定義，將對(duì)應(yīng)的管腳地址寫入函數(shù)中，再?gòu)娘@示屏對(duì)應(yīng)的地址庫(kù)中讀取顯示地址定義的頭文件。一切準(zhǔn)備就緒后，開始初始化顯示模塊。主程序處理、讀取各工作點(diǎn)參數(shù)后寫入寄存器寄存，最后統(tǒng)一由數(shù)據(jù)傳輸線傳入顯示屏，顯示屏接收到數(shù)據(jù)后，按前序?qū)懭氲牡刂费h(huán)點(diǎn)亮發(fā)光點(diǎn)，開始顯示。

圖7 LCD顯示設(shè)計(jì)框圖

2 仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真平臺(tái)

Proteus：Proteus是英國(guó)LCE公司開發(fā)的EDA仿真軟件，主要在WINDOWS系統(tǒng)下運(yùn)行，其不僅可以模擬傳統(tǒng)模數(shù)電電路，還可以仿真單片機(jī)和外圍器件，其中單片機(jī)仿真可以跟隨燒錄HEX文件進(jìn)行，在嵌入式開發(fā)中具有不可替代的作用。

2.2 仿真總體設(shè)計(jì)

在仿真設(shè)計(jì)理論上基本實(shí)現(xiàn)MPPT功能，Proteus仿真原理圖如圖8所示。

圖8 Proteus仿真原理圖

3 結(jié)果分析

按照完成的仿真設(shè)計(jì)方案，接入Proteus運(yùn)行后分析仿真結(jié)果。

3.1 仿真結(jié)果分析

由于本設(shè)計(jì)只有單一輸出口，所以只需接入負(fù)載后觀察輸出端的運(yùn)行，即可驗(yàn)證仿真結(jié)果。如圖9所示，在輸出端截取6個(gè)時(shí)刻的工作點(diǎn)，可觀測(cè)到隨著時(shí)間的進(jìn)行，輸出端電壓保持恒定的情況下，電流受控改變。

圖9 仿真結(jié)果

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)

將整體設(shè)計(jì)接入Proteus后，采用24 V直流電壓VCC串聯(lián)5 Ω電阻模擬太陽(yáng)能電池輸入，點(diǎn)擊開始仿真按鈕，記錄輸出端數(shù)據(jù)，繪制功率隨時(shí)間變化的曲線，如圖10所示。圖中橫坐標(biāo)代表時(shí)間T，單位為s。縱坐標(biāo)代表功率P，單位為W?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的改變，輸出端的功率呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，在0.5 s左右第一次達(dá)到0.4 W，之后在0.39 W到0.45 W之間波動(dòng)，波動(dòng)趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，大致可以認(rèn)定0.5 s之后系統(tǒng)的輸出在最大功率點(diǎn)(約為0.45 W)。

圖10 功率P隨時(shí)間T變化折線圖

4 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種光伏控制器，給出了硬件/軟件的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證了其可行性。

設(shè)計(jì)了一種具有可行性的工程化MPPT軟硬件方案，并通過(guò)對(duì)該方案修改、調(diào)整，設(shè)計(jì)了一種Proteus計(jì)算機(jī)仿真方案。該P(yáng)roteus仿真方案在局部/總體上都得到了穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果，通過(guò)了硬件可行性驗(yàn)證，并很好地實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的MPPT算法。最后，論證了所設(shè)計(jì)的光伏控制器具有太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。