太陽能發(fā)電MCU的光伏控制系統(tǒng)給與電網(wǎng)穩(wěn)定保障

1、引言

隨著綠色能源概念的深入人心，對(duì)于太陽能的利用正逐漸普及。太陽能發(fā)電具有突出的優(yōu)點(diǎn)，如：系統(tǒng)運(yùn)行成本低、幾乎不需要維護(hù)、系統(tǒng)可連續(xù)工作且具有良好的模塊化特點(diǎn)、太陽能電源系統(tǒng)的直流輸出電壓十分穩(wěn)定、在沒有電網(wǎng)的地方太陽能為靈活選取站址提供可能，等等。太陽能發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于電網(wǎng)在穩(wěn)定性方面有更可靠的保證。

近年，電力電子的發(fā)展使得太陽能光電產(chǎn)品普及到我們生活的方方面面，從小功率的照明、景觀裝飾，以及中小功率的島嶼、山區(qū)生活用電系統(tǒng)，以至于軍工方面的大功率太陽能移動(dòng)備用電站。太陽能光電產(chǎn)品必將隨著的技術(shù)升級(jí)以及相關(guān)技術(shù)的日新月異發(fā)展，太陽能發(fā)電技術(shù)步入人們更廣闊的日常生活中已經(jīng)成為十分現(xiàn)實(shí)的事情。

光伏系統(tǒng)的核心在于邏輯控制環(huán)節(jié)，它不僅擔(dān)負(fù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)控制，還得確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)提供所需的人機(jī)交互接口。邏輯控制環(huán)節(jié)的合理設(shè)計(jì)，既是完美充電過程的保證，也是系統(tǒng)壽命的保障，同時(shí)還為系統(tǒng)各模塊提供保護(hù)功能。隨著MCU在各個(gè)領(lǐng)域的日益普及，其高性價(jià)比更加現(xiàn)實(shí)出其突出的優(yōu)越性。以下闡述以MCU為核心控制器中、小功率太陽能光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能。

2、系統(tǒng)概述及構(gòu)成

1) 對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的控制，主要包括MCU通過MOSFET控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的優(yōu)化充電，按照鉛酸蓄電池的特性，充電過程采用雙標(biāo)三階段浮充法，把充電的過程分為三個(gè)階段(參見圖2)。

第一階段： 大電流灌充階段 (high current bulk charge state)由電壓采樣電路獲取蓄電池的電壓狀況，當(dāng)電壓小于過標(biāo)準(zhǔn)開路電壓(Voc)時(shí)，太陽能電源以其所獲的最大電流對(duì)蓄電池充電(最大電流對(duì)不同功率的系統(tǒng)取值不同，可按C/5充電率取值，其中C為蓄電池容量)，由于太陽能電池的電流與天氣狀況有關(guān)，所以大電流的取值將在一定范圍之內(nèi)。保持大電流充電至Voc，進(jìn)入下一階段。第一階段的充電程度可達(dá)70%-90%。

第二階段： 過電壓恒充階段 (over charge state) 以恒定的過標(biāo)準(zhǔn)電壓(Voc)充電，直到充電率降至Ioct進(jìn)入下一階段充電過程。第二階段的充電程度近100%。

第三階段： 浮充階段 (float charge state) 以恒定精確的浮充電壓Vf進(jìn)行浮充。蓄電池充滿后，以浮充方式維持電壓。浮充電壓的選擇對(duì)蓄電池的壽命尤為重要，即使5%的誤差也將使得蓄電池的壽命縮短一半。

2) 對(duì)太陽能電池和負(fù)載的保護(hù)，邏輯控制系統(tǒng)防止負(fù)載對(duì)蓄電池造成過放電，放電過深會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池。同時(shí)也要提供短路、負(fù)載過壓保護(hù)。

3) 邏輯控制系統(tǒng)還提供了用戶操作界面，顯示充電或放電狀態(tài)、顯示蓄電池電壓、容量多少及充放電電流的大孝顯示數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、發(fā)出告警信號(hào)和燈光顯示和進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等功能，使得光伏系統(tǒng)的維護(hù)和檢修更加方便。2.1 光伏系統(tǒng)邏輯控制的硬件結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)邏輯控制的硬件結(jié)構(gòu)框圖(圖3)，其主要構(gòu)成包括以下主要部分：

MCU：采用Microchip公司的PIC16C5x系列產(chǎn)品，其高速度、低工作電壓、低功耗、較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力、一次性編程芯片的低價(jià)值、小體積等，都極具強(qiáng)勁的競爭力。PIC16C5x系列單片機(jī)采用精簡指令集，工作頻率從DC-20MHZ，系統(tǒng)為哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線各自獨(dú)立分開，7 個(gè)特殊功能寄存器，2級(jí)子程序堆棧，工作電源范圍大從2.5V-6V，內(nèi)部自振式看門狗(WDT)，內(nèi)部寄存器組(RAM)有25-72個(gè)，有內(nèi)部復(fù)位電路，低功耗模式，耗電小于10uA，內(nèi)帶一個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具備保密位(保密熔絲可在程序燒寫時(shí)選擇將其熔斷，則程序不能被讀出拷貝，同時(shí)提供四種可選振蕩方式：低成本的阻容(RC)振蕩;標(biāo)準(zhǔn)晶體，陶瓷振蕩(XT);高速晶體/陶瓷振蕩(HS);低功耗，低頻晶體振蕩(LP)。PIC16C5x有 2-20根雙向可獨(dú)立編程的I/O口，且每根I/O口線都可由程序來編程決定其輸入/輸出方向。